φ610速度控制清管器工业应用.pdf

第 60 卷第 4 期2023 年 8 月化工设备与管道PROCESS EQUIPMENT&PIPINGVol.60No.4Aug.2023臧延旭，等管道与管件610 速度控制清管器工业应用臧延旭1，王倩2,*，梁雪婷1，白港生3，姜海洋3，梁也3，陈峰4（1.北华航天工业学院 机电工程学院，河北 廊坊 065000；2.廊坊师范学院 建筑工程学院，河北 廊坊 065000；3.中油管道检测技术有限责任公司，河北 廊坊 065000；4.中国石油管道局工程有限公司维抢修分公司，河北 廊坊 065000）摘 要：利用速度控制装置可以有效地调节管道清管器/检测器的运行速度，其中对基于泄流原理调速装置的研究较多，但是研究多集中在有限元仿真或实验室测试方面，尚需开展工业应用的研究。以610 速度控制清管器为例开展了工业应用研究，总结出泄流装置局部阻力系数、清管器运行压差和泄流后清管器运行速度的计算方法，工业应用表明计算结果和实际运行结果吻合度较高，满足工业应用要求。关键词：管道；速度控制；清管器；检测器；工业应用中图分类号：TE 973.8 文献标志码：A 文章编号：1009-3281（2023）04-0077-005收稿日期：2022-03-23基金项目：廊坊市科技支撑计划项目“大流速天然气管道检测器泄流调速技术及装备研究”（2022011070）；北华航天工业学院博士科研启动基金项目“管道检测器速度控制系统关键技术研究”（BKY-2021-06）；河北省教育厅高等学校科学技术研究项目“基于总承包视角的实名制数据生态系统的设计”（ZC2021026）。第一作者简介：臧延旭（1983），男，讲师，博士。研究方向为管道检测技术及装备研制。通讯作者简介：王倩（1986），女，讲师，硕士。研究方向为建设项目工程管理。E-mail：。2020 年 12 月发布的新时代的中国能源发展白皮书指出：清洁低碳化将是我国能源消费结构加速转变的方向，清洁能源如天然气等产品的消费总量比重已增加至 23.4%，今后有望继续增加。目前我国已建和在建的长输天然气管道如西一线、西二线、西三线和中俄东线等，具有管道口径大、输量大、压力高等特点，如按设计输量输送，预计天然气流速将接近 10 m/s。常规的管道清管器和检测器利用自身携带的皮碗实现密封，利用管道内输送的天然气提供动力驱动设备运行，不考虑天然气的压缩性，则常规管道清管器和检测器的运行速度等于天然气的流速。相关法规规定管道清管器和检测器运行最佳速度不超过 5 m/s，此种工况条件下，常规的管道清管器和检测器已无法使用，因此必须降低管道清管器和检测器的运行速度 1-4。常用的调节清管器或检测器运行速度的方法主要有管道输量/压力调节法、泄流调速法、运行阻力调节法等，其中泄流调速法研究较广，但多局限在有限元仿真方面，实验研究也与实际管道运行工况相差较大 5-10。因此，有必要对速度控制装置的工业应用情况进行研究，采集现场数据优化泄流模型。以610 速度控制清管器为例，介绍了速度控制清管器的相关测试及工业应用情况。1 610 速度控制清管器结构610 速度控制清管器利用皮碗进行支撑、密封，设备前端安装发射机，便于跟踪定位，设备携带压差传感器，可采集运行过程中清管器前后端压差值（图1 所示）。清管器骨架内安装泄流调速装置（图 2 所示），该装置主要由安装在密封仓内的电机驱动控制系统、静止扇叶和旋转扇叶等组成，根据需要修改控制程序，可实现旋转扇叶开启任意角度，并且可实现旋转扇叶一次开启到位或分几步多次开启到位的工作模 式。如图 2 所示，当清管器在天然气管道内运行时，如果介质流速超过预设的区间，泄流调速装置的旋转扇叶将转动，根据程序预设的模式控制旋转扇叶动作从而打开泄流通道进行泄流，泄流的天然气流速和泄第 60 卷第 4 期 78 化工设备与管道流后的清管器运行速度计算方程如下：vP2LTtp=（1）vAAv Av ApigpipeLgaspipeLL=-（2）式中 vL 泄流的天然气流速（相对于清管器运行速度而言），m/s；天然气密度，kg/m3；泄流装置局部阻力系数；p清管器前后端运行压差，MPa；vpig泄流后清管器运行速度，m/s；vgas 天然气输送流速（根据天然气管道运行规范中天然气流速方程 vgas=Q/（864Apipep）计算，Q-天然气流量，km3/d；p-介质运行压强，可取发球站介质压强值，MPa），m/s；Apipe输送管道的内截面积，m2；AL泄流孔的等效面积，m2。由上述方程（1）和方程（2）可知，对于一定工况的输送管道（介质输量及运行压强、管道口径及壁厚已知），如知道清管器运行压差 p 和泄流装置的局部阻力系数，则可计算出泄流后清管器的运行速度。已有研究表明：对于天然气流速 v 200 m/s 的工况可将天然气视为不可压缩介质，由此造成的计算误差不会超过 5%9-10。由于该条件对于大部分工况均适用，后续工业应用时设定天然气为不可压缩介质，并且利用理想气体状态方程式 p=RT 计算天然气的密度值（p 为发球站介质压强）。对于图 2 所示的泄流装置，当旋转扇叶开启进行泄流调速时，天然气会通过清管器骨架内部的泄流通道向清管器前端泄流。泄流调速过程中，泄流装置产生的局部阻力系数主要包括天然气从管道流入骨架内部泄流通道时结构突然缩小产生的局部阻力系数，天然气从骨架内部泄流通道流入下游管道时结构突然扩大产生的局部阻力系数。因此泄流装置局部阻力系数 可利用以下两种方程中的任意一种进行计算 9-10：.minAAAA11 42pipeLpipeLp=-+cchmm （3）0.5AAAA110.752pipeLpipeLp=-+-ccmm （4）通过计算，当 AL/Apipe 10%时，利用方程（3）和方程（4）计算得出的局部阻力系数 值基本一致。因此，方程（1）中局部阻力系数 值利用方程（3）或方程（4）进行计算，运行压差 p 则根据牵拉试验确定。2 610 速度控制清管器牵拉试验如图 3 所示为610 速度控制清管器牵拉试验照片，牵拉试验时清管器前端连接牵引绳，后端连接附绞盘绳，利用液压装置拉动牵引绳，使清管器按预设速度进行，当清管器运行速度稳定后，测得的牵拉力与清管器运行阻力相等，由此可计算出清管器在特定运行速度下的运行阻力值。每次牵拉试验完成后，由附绞盘绳将牵引绳拉回至初始位置。图 1 610 速度控制清管器照片Fig.1 Photo of 610 speed control Pig图 2 泄流调速装置照片Fig.2 Photos of discharge speed control device图 3 610 速度控制清管器牵拉试验照片Fig.3 Photo of 610 speed control Pig pulling test2023 年 8 月 79 臧延旭，等.610速度控制清管器工业应用如图 4 所示为610 速度控制清管器在不同速度下的牵拉测试曲线，横坐标位置代表清管器距离液压牵引装置的距离。从图 4 可知，不同牵拉速度时，当清管器运行速度保持平稳（牵拉力与运行阻力相等），清管器牵拉力呈现波动状态，可能与清管器采用弹性皮碗支撑有关，在清管器运行过程中，弹性皮碗可能在较大力的作用下发生变形，改变了皮碗与管道的接触面积而造成牵拉力出现波动。随着清管器牵拉速度的增加，清管器牵拉力有所增加，当牵拉速度由 2 m/s 上升至 4 m/s，清管器牵拉力由约 0.8 t 上升至约 1.1 t，说明弹性皮碗支撑的清管器运行阻力受运行速度影响较明显。近。根据工业管道输量由天然气流速方程 vgas=Q/（864Apipep）可计算出天然气的输送速度 vgas（见表 1），vgas值介于预设的牵拉速度之间，根据牵拉试验结果采用线性插值的方法可获取清管器在计算的天然气流速下运行时所需克服的运行阻力约 1 t（此计算结果未考虑泄流降速，需结合泄流降速后的速度值进行校验）。运行阻力越大，运行压差 p 越大。由式 1 可知，p 越大降速能力越强，当 p 受运行速度影响明显时，需利用泄流后清管器运行速度对应的运行压差重新校验。经校验，泄流后清管器运行速度约为 2 m/s，此时清管器运行阻力约为 0.8 t，由此换算的压差 p 为 0.029 MPa。具体结果见表 1 所示，清管器的实际运行速度由现场跟踪人员测定清管器在管道内运行的时间后，计算得到清管器运行速度的平均值，清管器实际运行的压差变化情况如图 5 所示。由表 1 可知，泄流后清管器运行速度计算值与实际运行速度比较接近，计算误差不超过 8.6%，可以满足工业应用要求。现场应用表明利用牵拉试验获取设备运行阻力并换算成运行压差，利用局部阻力系数方程计算泄流装置的局部阻力系数，利用泄流后设备运行速度方程计算泄流后清管器运行速度的方法是可行的。计算值与实际运行速度有一定偏差，产生的主要原因可能是由于牵拉试验时牵拉力曲线波动较严重，影响数值读取。图 5 为610 速度控制清管器现场运行压差曲线，2 次运行的压差情况基本一致。由图 5 可知，清管器发送时起动压差最大，约为 0.12 MPa，稳定运行时压差低于 0.04 MPa，与计算值相仿。清管器实际运行过程中，在通过 1 个管道弯头时出现皮碗密封不良导致的停球憋压，当清管器前后端压差升高至约1.1 MPa 后，清管器通过弯头继续平稳运行。4 结论为解决常规管道清管器/检测器在大口径高流速天然气管道内无法应用的问题，科研机构提出了利用速度控制装置实现对检测设备运行速度调控的方法，取得了较多的研究成果。但是研究多集中在有限元仿真或实验室测试等方面，将研究成果直接用于指导工业应用的报道相对匮乏。以 610 速度控制清管器工业应用为例，介绍了利用已有的泄流装置局部阻力系数方程，利用牵拉试验的方法获取设备的运行阻力，图 4 610 速度控制清管器牵拉试验曲线Fig.4 Curve of 610 speed control Pig pulling test牵拉力3 610 速度控制清管器工业应用610 速度控制清管器在某输气管道进行了 2次工业应用，该段管道外径为 610 mm，管道壁厚为 8.8 mm，泄流装置泄流孔全开时等效泄流直径为150 mm，由方程（3）计算的 1值为 1.389，由方程（4）计算的 2值为 1.353，计算结果比较接a.牵拉速度 2 m/sb.牵拉速度 4 m/s位置/m牵拉速度牵拉力2.52.01.51.00.50.03.02.52.01.51.00.50.0100608040209050速度牵拉力703010104 Nm/s位置/m牵拉速度5432103.02.52.01.51.00.50.0100608040209050速度牵拉力703010104 Nm/s第 60 卷第 4 期 80 化工设备与管道利用泄流后清管器运行速度方程计算清管器运行速度的方法是可行的，清管器在工业现场实际效果与计算结果基本吻合。并且利用清管器自身携带的压差传感器采集到清管器稳定运行的压差值与牵拉测试值基本吻合。同时本次应用也为今后工业应用时需要关注的目标指示了方向：（1）为进一步精确预测泄流后清管器/检测器的运行状态，需要较精确地获取牵拉试验过程中设备的运行阻力值，由于皮碗支撑造成设备运行阻力波动较大，后续可考虑采用钢刷支撑的方式改善设备运行的稳定性。（2）寻找精度更高且耐高压、便于集成的压力和压差传感器，精确采集设备运行过程中的参数，为泄流模型进一步优化积累必要的数据。参考文献胡铁华，郭静波.油气管道内检测新技术与装备的开发及应1 用 J.天然气工业，2019，39（1）：118-124.Malihe Mirshamsi，Mansour Rafeeyan.Dynamic analysis and 2 simulation of long pig in gas pipelineJ.Journal of natural gas science and engineering，2015，23：294-303.PIAO Guanyu，GUO Jingbo，HU Tiehua，et al.A novel pulsed 3 eddy current method for high-speed pipeline inline inspectionJ.Sensors and actuators A：physical，2019，295：244-258.Jaime Valls Miro，Nalika Ulapane，Lei Shi，et al.Robotic 4 pipeline wall thickness evaluation for dense nondestructive testing inspectionJ.J field robotics，2018，35：1293-1310.臧延旭，邱城，姜海洋，等.速度控制清管器泄流孔流场仿5 真 J.油气储运，2018，37（3）：295-300.HE Honggang，Dr.Eng.，M，ASCE，LIANG Zheng，et 6 al.Molding and simulation of pig speed with brake unit in gas pipelineJ.Pipeline syst.eng.pract.，2020，11（1）：04019042.CHEN Jianheng，LUO Xiaoming，ZHANG Hailong，et al.7 Experimental study on movement characteristics of bypss pigJ.Journal of natural gas science and engineering，2018，59：212-223.臧延旭，邱城，胡铁华，等.管道内检测设备速度控制系统8 研究进展 J.化工设备与管道，2016，53（6）：87-91.CHEN Jianheng，HE Limin，LUO Xiaoming，et al.9 Characterization of bypass pig velocity in gas pipeline：An experimental and analytical studyJ.Journal of natural gas science and engineering，2020，73：103059.Malihe MIRSHAMSI，Mansour RAFEEYAN.Speed control 10 of inspection pig in gas pipelines using sliding mode controlJ.Journal of process control，2019，77：134-140.图 5 610 速度控制清管器运行压差曲线Fig.5 Pressure difference curve of 610 speed control Pig表 1 610 速度控制清管器工业应用实例Table 1 Industrial application examples of 610 speed control Pig管道参数泄流孔直径/mmvgas/（m s-1）运行压差p/MPavpig/（m s-1）实际速度/（m s-1）速度偏差/%1=1.3892=1.353输量 432104 Nm3/d，首站压强 5.2 MPa1503.480.0291.781.771.96.8输量 450104 Nm3/d，首站压强 5.2 MPa3.631.931.922.18.6时间/s压差/MPa2.01.61.20.80.4010 08339 09168 09987 43719 75248 76077 76897 106029 42158 4292023 年 8 月 81 臧延旭，等.610速度控制清管器工业应用Industrial Application of 610 Speed Control PigZang Yanxu1,Wang Qian2*,Liang Xueting1,Bai Gangsheng3,Jiang Haiyang3,Liang Ye3,Chen Feng4（1.School of Mechanical and Electrical Engineering,North China Institute of Aerospace Engineering,Langfang,Hebei 065000,China;2.School of Architecture and Civil Engineering,Langfang Normal University,Langfang,Hebei 065000,China;3.China Petroleum Pipeline Inspection Technologies Co.Ltd.,Langfang,Hebei 065000,China;4.Maintenance&Emergency Repair Co.,of China Petroleum Pipeline Bureau,Langfang,Hebei 065000,China）Abstract:The speed control device can effectively adjust the running speed of the pipeline pig/detector,among which there are many researches on the speed-control device based on the discharge principle,but the researches are mostly focused on the finite element simulation or laboratory test,and the industrial application research needs to be carried out.Taking 610 speed control pig as an example,the industrial application research was carried out,and the calculation methods of local resistance coefficient of discharge device,operating pressure difference of pig and running speed of pig after discharge were summarized.The industrial application shows that the calculation results are in good agreement with the actual operating results,and meet the requirements of industrial application.Keywords:pipeline;speed control;pig;detector;industrial applications封一：中石化上海工程有限公司拉页：中石化上海工程有限公司封二：丹东克隆集团有限责任公司封三：杭州中能汽轮动力有限公司封四：苏州安特威阀门有限公司前彩插：1.伊格尔博格曼中国2.常熟华新特殊钢有限公司3.杭州汽轮机股份有限公司4.杭州大路实业有限公司5.佶缔纳士机械有限公司6.大连佐竹化工机械有限公司广告索引7.湖北闲庭科技有限公司后彩插：1.南方泵业股份有限公司2.中国船舶集团有限公司第七一一研究所3.合肥新沪屏蔽泵有限公司4.中石化上海工程有限公司5.世环会工业节能与环保展