机械式可变径清管器结构设计与受力分析

2023-10-12林志豪周渝欣孙巧雷熊俊伟张景涵

石油矿场机械 2023年5期

林志豪, 周渝欣, 孙巧雷, 熊俊伟, 边静, 张景涵

(长江大学机械工程学院, 湖北荆州434023)

与其他运输方式相比,采用管道运输油气具有明显优势[1]。由于管道输送的油气中含有其他杂质,如果不能进行很好的维护,将会发生凝油、结垢、结蜡现象,导致管道内径缩小,降低输送效率,并给管道带来安全隐患[2-5]。为了解决管道堵塞问题,保障管道能高效运行,需要利用清管器对管道进行例行清蜡和检查。针对现役清管器不能很好适应管径变化、通过性差[6-9]等问题,本文设计一种新型机械清管器结构,适用于输油管的清管需求。对刮蜡器本体结构进行优化设计,以及射流孔的设计有效解决了清管器卡堵问题,极大提高清管效率。基于理论分析和仿真模拟分析,研究清管器结构的力学性能。通过理论、数值模拟结果对比,验证其可行性。相关研究方法和结论可为新型机械清管器的设计提供参考。

1 清管器结构及工作原理

设计的机械式可变径清管器主要由行走扶正装置、刮蜡器组成,通过法兰盘和万向节连接,如图1所示。刮蜡器本体由橡胶一体注塑成型,其外形主体形似纺锤状, 这有利于在使用过程中满足结构挠度要求。其设计以工作高效、原理简单为主要原则。刮蜡器本体的内部空腔有1个弹簧压力小孔和1个射流小孔,利用“泄压阀”的原理,起到“防堵”作用[10]。在清管器清蜡过程中,当前端杂质堆积过多时,前端压力会明显变大,液体会克服弹簧的压力、经小孔流入空腔内,受刮蜡器主体形状体积限制,液体逐渐流入并填满空腔,在液体的持续流入下,多余的液体从射流管中向上喷射,对刮板正在清理的杂质进行冲击,提高清理效果,避免刮板发生卡堵的问题。同时,其中间部位的刮板宽度最大,且刮板始终与管壁能保证一种垂直状态,采用这种结构以提高清管刮蜡效果。

2 关键部件结构分析

2.1 行走扶正装置

清管器的行走方式可以分为轮式、履带式、蠕动式和振动式等[11]。结合常规输油管道的结构特点,本文的清管器选用轮式行走方式。为了克服传统轮式清管器的缺点,设计的可变径清管器配置有前后扶正装置,如图2所示,具有管径适应性。同时,与管壁接触的前后接触点相当于2个支点,使清管器各回转体部件始终处于“对心”的稳定工作状态。

图2 行走扶正装置

前扶正装置和后扶正装置由装配管、安装环、扶正轮构成。装配管的一端端头安装有端板,端板上安装有拉环。端板一侧的装配管上安装有装配圈,装配圈一侧的端面上呈60°均布有安装块,安装块上通过销轴安装有扶正杆(可相对转动),扶正杆上通过销轴安装有扶正轮(可相对转动)。连杆与安装环连接,安装环后端有弹簧支撑,弹簧一直处于受压状态。在使用时,连杆受弹簧推力被撑开,因此其在不同管径管道内运动具有自适应效果,同时实现其主体部位在管道中一直处于中心状态,保证后端连接的刮蜡器始终位于管道中央。

2.2 刮蜡器本体

刮蜡器由筒体、刮板和射流管构成,如图3所示。筒体呈纺锤形,外圆周上呈螺旋状设有刮板,刮板呈渐变状,筒体中部的刮板宽度最大。同时,筒体内设置有纺锤形的空腔,空腔中部设置有安装柱,一端设置有装配槽。装配槽内轴向安装有支撑弹簧,支撑弹簧的端头设置有封堵球,通过支撑弹簧将封堵球抵装在空腔的一端。与安装柱对应的筒体上设置有进液口,进液口与空腔连通,通过支撑弹簧和封堵球的配合对进液口形成密封接触连接。安装柱上方的筒体前端呈倾斜状设置有射流管,射流管的一端与筒体的空腔连通,射流管的另一端延伸至筒体外端。

3 清管器受力分析

在清管器运行过程中,扶正装置成中心对称,所以整体装置在管道内工作过程中受力均匀。主要考虑受到管壁的压力,在此过程中需要保证扶正装置不发生零件变形、断裂等情况。除了管壁压力外,扶正装置还承受流体压力等,这些力对扶正装置部件变形以及应力分布影响过小,因此忽略其对扶正装置的影响。

3.1 扶正装置支撑杆受力分析

忽略自身重力和摩擦力,清管器扶正装置受力结构可简化为如图4的结构。

图4 扶正装置受力的简化模型

此时,对杆AD受力进行分析,得

FAx+FBx=0

(1)

FAy+FBy-F=0

(2)

FBylABcosα-FlADcosα-FBxlABsinα=0

(3)

式中:FAx为扶正杆拉环受沿水平方向的力,N;FAy为扶正杆拉环受沿垂直方向的力,N;FBx为支撑板处所受沿水平方向的力,N;FBy为支撑板处所受沿垂直方向的力,N;F为扶正轮受到的管道压力,N;lAD为扶正杆的长度,mm;lAB为扶正杆到支撑板的长度,mm;α为扶正杆对扶正装置主体的角度,(°)。

对BC杆受力分析,得

(4)

(5)

对滑块4受力分析,得

(6)

(7)

由式(1)～(7)整合得

(8)

3.2 扶正装置力学模型

3.2.1 抗拉应力

扶正装置本体抗拉应力为:

σb=F/A

(9)

式中:F为扶正装置本体的最小拉伸力,N ;σb为扶正装置本体的拉应力,MPa ;A为扶正装置本体的横截面积,mm2。

3.2.2 扭转切应力

由材料力学知识可知,扶正装置整体受到最大扭转切应力为:

(10)

式中:R为扶正装置最大半径,m;Ip为截面极惯性矩,cm4;T为扭转矩,N·m。

(11)

式中:D为扶正装置外径,mm。

3.2.3 扶正装置本体受内压力的应力

当扶正装置本体受到内压时,保证本体变形处于弹性阶段内,内压作用于扶正装置内壁应力必须小于其材料的屈服极限。扶正装置本体受内压产生3个主应力:周向应力σt、径向应力σr和轴向应力σz。

由拉梅公式可得3个主应力的数学式为:

(12)

式中:r为短节本体内半径,mm ;r0为短节本体外半径,mm ;pi为短节本体内压,MPa ;p0为短节本体外压,MPa ;k为厚壁圆筒的径比,可根据短节的内外径来计算,k=r0/r。

3.2.4 扶正装置本体的强度校核准则

在对扶正装置整体进行结构设计时,取扶正装置正常工作时承受的最大载荷进行设计计算。对于其他零件部需要根据材料的许用应力进行计算,使零件部承受最大应力不超过其材料的许用应力,即:

σ<[σ]=σs/S

(13)

式中:σ为计算应力;[σ]为许用应力;σs为材料屈服应力;S为材料安全系数[12]。

4 清管器扶正装置有限元仿真分析

扶正装置是清管器主要承载部件之一。为了准确分析扶正装置在运动过程中受力及变形情况,检验其强度是否满足要求,通过AnsysWorkbench软件进行有限元法建模,分析其在运行过程的变形情况,以及应力分布。

4.1 模型建立与网格划分

为了得到较可靠的仿真数据,需要对涉及接触的部分进行确定,例如涉及的扶正装置各个部件之间的运动关系,可选择面面接触。同时,对于摩擦的影响,由于存在流体作用以及润滑条件,设置摩擦因数为0.3。有限元网格划分需要保证仿真计算结果的准确性。基于网格无关性检验[13],将扶正装置整体进行3 mm网格划分。对重要连接部位,即,装配圈与装配块进行2.5 mm细化网格划分。网格划分结果如图5所示[14-15]。

在设置仿真模型的边界和载荷条件时,由于扶正装置在工作过程中主要受到管壁压力,因此设置每个滑轮承受相应的力,方向为垂直于各个轮面指向公共圆中心。载荷设置结果如图6所示。