考慮流體作用的清管器翻越凹陷通過性研究

基金項目：國家市場監督管理總局科技計劃項目“管道內檢測器通過性關鍵力學問題及評價體系研究”（2023MK210）；國家市場監督管理總局科技創新人才計劃項目“面向復雜應用場景的油氣管道高端智能檢測技術裝備”（KJLJ202320）。

針對清管器在經過含凹陷管段時的通過性研究鮮有涉及。為此，以?168管道清管器為研究對象，分別建立其翻越凹陷管道的三維準靜態和流固耦合仿真模型并進行對比，進一步再分別基于驅動皮碗接觸摩擦力學和清管器動力學特性參數的變化規律，對清管器翻越管道凹陷過程的通過性進行定量分析。研究結果表明：清管器驅動皮碗在通過管道凹陷段時，運行速度不穩定可能會降低相應管段檢測的準確率；清管器翻越凹陷過程的速度變化敏感性隨過盈量的增加而增大；為提高清管器對于含凹陷管道的通過性能，?168清管器皮碗過盈量應小于4%，密封皮碗夾持率應在55%～65%之間，皮碗結構分界面相對位置應不小于2%。研究結論可為清管器優化設計及工程應用提供理論指導。

清管器；管道凹陷；三維流固耦合；通過性；動力學特性；接觸摩擦

TE973

A

017

Study on Passing Performance of a Pig Crossing Pipeline

Dent Considering the Fluid Pressure

Wang Qiang¹ Wang Anquan¹ Han Qing¹ Liu Jin¹ Yang Chao¹ Li Qiang¹ Liu Chang²

（1.Technical Detection Center of Sinopec Shengli Oilfield Company；2.China Special Equipment Inspection and Research Institute）

The passing performance of pig when crossing dented pipeline sections has rarely been studied.Taking the ?168 pipeline pig as an example，3D quasi-static and fluid-solid coupling simulation models of the pig crossing the dented pipeline were built respectively and compared.Then，based on the changes in the contact friction mechanics of the driving cup and the dynamic characteristic parameters of the pig，the passing performance of the pig crossing the pipeline dent was quantitatively analyzed.The results show that when the driving cup of the pig passes through the dented pipeline section，the unstable moving speed may reduce the inspection accuracy of the corresponding pipeline section.The speed change sensitivity of the pig crossing the dent increases with the increase of the wring.In order to improve the passing performance of the pig crossing the dented pipeline，the cup wring of the ?168 pig should be less than 4%，the holding rate of the seating cup should be between 55% and 65%，and the interface of the cup structure should not be less than 2%.The study conclusions provide theoretical guidance for the optimization design and engineering application of pigs.

pig；pipeline dent；3D fluid-solid coupling；passing performance；dynamic characteristics；contact friction

0 引 言

清管器依靠聚氨酯驅動皮碗與管道內壁形成密封，其運行動力主要來自前后方的流體壓差。當通過含凹陷管道時，密封皮碗由于受到凹陷的擠壓作用而發生嚴重變形，進而引起清管器的密封性和姿態發生變化。由于皮碗具有一定剛性，其與管壁之間的接觸狀態將會發生改變。皮碗邊緣產生的局部泄流會導致驅動力下降進而發生卡堵。

李娜^［1］根據彈性力學和材料力學基本原理建立了輸氣管道清管器的驅動力預測模型及運動方程并討論了結構尺寸和管道粗糙度等因素的影響；ZHANG H.等^［2］建立了直板型密封皮碗在水平管道內運行的二維有限元模型，分析了密封皮碗過盈量、厚度及夾持率等對其接觸狀態和彎曲變形的影響；劉小明^［3］對不同類型皮碗的芯軸清管器進行了動力學分析，研究了在不同焊縫余高條件下皮碗的動力學特性及其變化規律；吳旭等^［4］和陳浩等^［5］通過建立理論模型，研究了蝶形皮碗唇部彎曲角度、皮碗唇長和工作壓差對其接觸摩擦性能的影響；魏云港等^［6］、劉暢等^［7］及CAO Y.G.等^［8］基于三維準靜態模型分析了清管器的接觸摩擦特性并建立了驅動力預測模型；孫其海^［9］、江旭東等^［10］、任宏喜^［11］借助CEL方法建立了三維流固耦合模型，研究了多艙段清管器通過焊點時動力學響應性能，分析了皮碗過盈量和芯軸長度對密封皮碗應力場、表面摩擦力和流體驅動壓差的影響。綜上，現有研究均重點關注清管器在普通直管段和彎管段的各種力學行為，而對清管器在通過含凹陷管段時的通過性分析鮮有涉及。

本文以?168管道清管器為研究對象，分別建立其翻越凹陷管道的三維準靜態和流固耦合仿真模型并進行對比，論證了后者的優越性。進一步再分別基于驅動皮碗接觸摩擦力學和清管器動力學特性參數的變化規律，對清管器翻越管道凹陷過程的通過性進行了定量分析。以期為清管器優化設計及工程應用提供理論指導。

1 清管器翻越凹陷過程的仿真模型

1.1 三維準靜態建模

清管器翻越管道凹陷的過程如圖1所示。該模型由發球筒、水平直管段及管道凹陷段構成。模型相關尺寸參數如表1所示。清管器由驅動皮碗、固定法蘭及心軸組成。管道及心軸采用Q345鋼，密度為7.85 g/cm³，彈性模量為2.01×10⁵ MPa，泊松比為0.3。聚氨酯皮碗材料屬性選用二參數的Mooney-Rivlin超彈性本構模型，其中C₁₀為1.049，C₀₁為0.532^［12］。含凹陷管道有限元模型如圖2所示。其中管道內壁為主面（Master surface），清管器4個皮碗外表面為副面（Slave surface），接觸類型選擇面-面接觸以模擬皮碗進入管道后兩者之間的過盈裝配狀態，法蘭與皮碗設置為綁定約束。在沿管道軸向采用罰函數作為接觸算法，摩擦因數定義為0.4；徑向采用硬接觸算法，將管道兩端設置為全約束以避免發生剛體位移^［13］。運行過程分為3個階段：①清管器由發球筒進入水平直管段;②清管器行駛經過含凹陷管段;③清管器越過凹陷段，重新進入水平直管段。為了模擬清管器通過凹陷段及整體運行過程，設置位移約束為僅沿著管道軸線。選用六面體網格劃分該模型，網格的單元屬性選擇C3D8H混合型單元。管道整體采用六面體結構化網格進行劃分。管道凹陷處因結構形狀特殊無法進行結構化劃分，故利用分塊網格劃分技術對管道模型網格單獨進行劃分，即選用四面體網格劃分凹陷塊，該網格劃分方法可在保證網格質量良好的情況下提高計算速度。

用結構分界面位置來描述驅動皮碗結構，為便于理解，結構分界面相對位置以等效過盈量ζ定義，分界面直徑D_p與管道內徑D之間的相對關系如下式所示：

ζ=D_p-DD×100%（1）

1.2 三維流固耦合建模

利用有限元分析軟件ABAQUS，基于CEL方法建立流-固耦合模型對清管器翻越管道凹陷過程的動力學響應進行分析。在清管器后方施加了流場入口速度以模擬其真實受載情況。拉格朗日網格方法適用于模擬固體的小變形行為，當物體發生宏觀變形時，網格節點會產生位移，較大的位移會導致網格發生畸變并使計算無法收斂。歐拉算法允許材料在固定的歐拉域內自由流動，但無法獲取接觸對之間的傳遞信息。鑒于此，為解決流-固耦合問題，耦合拉格朗日-歐拉算法（CEL）被提出。在該算法中，歐拉網格的材料狀態和位置通過拉氏體積分數（Eulerian Volume Fraction，EVF）進行描述^［14］。CEL方法中采用體積分數EVF定義歐拉材料在空間中的體積比，按照材料所充滿歐拉網格的比例來計算EVF的值，即EVF=1時，材料充滿網格；EVF=0時，網格內為空氣。流固耦合問題中的邊界是通過歐拉-拉格朗日重構技術來確定的，拉格朗日區域的方向也通過重構確定，具體的重構過程如圖3所示。為了解決拉格朗日域與歐拉域之間的接觸問題，采用了基于罰函數算法的通用接觸分析方法^［15］。

采用線性Us-Up Hugoniot形式的Mie-Grineisen狀態方程來描述流體介質的狀態。該方法假設壓力p是密度ρ的函數，并通過求解連續性方程和動量方程來確定能量方程。

在CEL方法中的連續方程和動力方程為^［16］：

dρdt+ρv=0（2）

ρdvdt+ρg-ρv²+p=0（3）

式中：ρ為密度，kg/m³，t為時間，s；v為速度，m/s；g為重力加速度，m/s²；p為壓力，Pa。

新建油氣管道投產前需要對其進行清管作業以優化內部環境，作業中通常采用水作為流動介質。本文建立的CEL模型中，以水作為流體介質材料，詳細的材料參數如表2所示。

管道和清管器建模信息與準靜態模型一致，流體域有限元模型如圖4所示。采用拉格朗日網格對清管器和管道進行劃分，采用歐拉網格對流體域進行劃分，拉格朗日網格選用減縮積分單元C3D8R，歐拉網格選用EC3D8R單元。為了使流體域包含管道，流體域的整體尺寸需大于清管器運動的區域。流體域的速度出入口分別為發球筒入口和直管道出口，對流體域入口界面設置流速1 m/s，在出口處設置0壓面以保證介質自由流動。對管道施加全約束防止其出現剛體位移。

2 三維流固耦合模型的優越性論證

流固耦合與三維準靜態模型過彎摩擦力變化如圖5所示。

從圖5可見，三維準靜態模型計算的運行摩擦力整體變化較平緩。其中，0～0.1 s對應清管器驅動單元的發球過程，在此階段內，4個密封皮碗依次由發球筒進入水平直管道，整體摩擦阻力逐級上升，直至4個皮碗完全進入直管道后趨于穩定，在0.1 s時達到273 N。最大摩擦阻力出現在清管器翻越凹陷的過程中，在0.147 s時達到575 N，隨后在翻越過程中持續波動，但始終高于其在直管段內運行時的水平。這是因為當密封皮碗與凹陷開始接觸后，接觸部分局部過盈量增大導致皮碗變形量增加，尤其在爬升階段，凹陷主要與密封皮碗根部發生接觸，由于皮碗根部厚度較大，其變形產生的接觸壓力和摩擦阻力也較高。與此同時，皮碗材料具有一定剛度，在翻越凹陷時其沿環向邊緣局部位置處會與管壁分離而發生泄流，導致接觸壓力和摩擦阻力下降。因此清管器整體摩擦阻力持續波動，直至完全翻越過凹陷后趨于穩定。流固耦合模型的計算結果與準靜態模型相比有較大差別。發球階段，驅動皮碗受到流體介質沖擊后與變徑管內壁發生碰撞，由于瞬時速度較高，導致接觸壓力和摩擦力劇烈增加，最大時刻達到3 500 N，隨后，待4個皮碗完全進入直管道，摩擦力下降至與準靜態模型相似的水平。同理，當密封皮碗與凹陷發生碰撞時，驅動皮碗在流體的沖擊作用下，再次產生瞬時的高摩擦力，達到5 400 N，隨后摩擦力下降并持續波動。由于流體壓力會導致接觸壓力和摩擦力升高，相較于準靜態模型，流固耦合的摩擦力計算結果波動幅度更大且平均值遠高于準靜態模型，約為750 N。綜上所述，準靜態模型會低估清管器在翻越凹陷過程中的摩擦力，流固耦合模型更貼合實際，故選用三維流固耦合模型進行后續分析，運行過程的模擬結果如圖6所示。

3 翻越管道凹陷過程中的通過性分析

基于三維流固耦合仿真結果，從接觸摩擦特性和動力學特性2種角度出發，對清管器特征參數進行分析，旨在實現對其運行通過性的定量描述，進而對其通過性進行評價。

3.1 接觸摩擦特性分析

關于清管器接觸摩擦特性的分析，國內外相關文獻已經形成相關結論。以往文獻大多采用純固體仿真模型進行分析，基于三維流固耦合仿真的研究結果相對缺乏。因此，這里首先開展特定工況的三維流固耦合仿真研究，獲取接觸摩擦特性結果并分析其與純固體模型計算結果的差異性。

3.1.1 Mises應力

Mises應力是衡量其發生結構性破壞風險的重要指標。驅動皮碗Mises應力如圖7所示。當皮碗上最大Mises應力超過其極限拉斷強度時，則會面臨較大的結構破壞風險。當皮碗自凹陷底部運行至最高處時，其所受最大Mises應力位置位于皮碗底部與芯軸連接處，高達2.89 MPa且發生在第1個皮碗位于凹陷最高處位置，如圖7b所示。該時刻受凹陷影響，清管器整體向上偏移，但后3個皮碗仍在直管中運行且密封穩定。

由于偏移程度有限，皮碗底部與鋼軸連接位置壓縮嚴重，該處Mises應力最大，其他3個皮碗跨越凹陷時皮碗變形空間相對較大，Mises應力增長幅度減小。

3.1.2 接觸應力

驅動皮碗表面的接觸應力水平是衡量其所受摩擦阻力和密封性的重要指標。清管器翻越管道凹陷過程中6個特征時刻皮碗外緣所受接觸應力示意圖如圖8所示。驅動皮碗在圖8a中開始跨越凹陷，在180°方向上第1個皮碗受到擠壓后皮碗外緣已有與管壁脫離的趨勢，該位置接觸應力降至0.3 MPa，驅動皮碗運行姿態向下偏移，該時刻第1個和第2個皮碗在0°方向接觸應力產生趨于0的趨勢；第3個和第4個皮碗運行姿態較為穩定，接觸應力分布呈中心對稱狀態。在圖8b中第1個皮碗移動至凹陷最高處，該皮碗邊緣所受接觸應力分布趨勢與圖8c、圖8d、圖8e及圖8f中第2個、第3個和第4個皮碗相似，呈現“倒爪形”分布。因凹陷與皮碗呈現點-面接觸，故在180°位置附近皮碗表面受力狀態沿180°對稱分布，接觸應力最大位置出現在圖8d中時第2個皮碗的180°位置，大小為1.37MPa，該位置第2個皮碗處于即將離開管道凹陷狀態，受摩擦力與擠壓力共同作用導致接觸應力變大。

通過上述分析可知，在清管器翻越凹陷過程中，各驅動皮碗沿環向均存在接觸應力為0的時刻。當接觸應力為0時，說明皮碗表面與管道內壁脫離，此時局部失去密封性，可能會產生泄流而導致停球。因此該工況下通過性會受到一定程度的影響。

根據計算結果，由于流體三維流固耦合模型考慮了流體壓力作用，所以Mises應力和接觸壓力水平相比于純固體模型結構明顯較高，但整體分布規律一致，沿管道截面軸線對稱分布^［17］。對接觸摩擦特性的研究可以看出，雖然三維流固耦合和純固體模擬能夠得到相同的定性結論，采用純固體模型能夠節約一定的計算成本，但是流固耦合模型納入了流體壓力的邊界條件，因此能獲得更準確的定量分析數據。

綜上所述，對于6%的管道凹陷，清管器翻越途中的最大Mise應力為2.89 MPa，相較于常見聚氨酯橡膠材料的斷裂拉伸強度（15～50 MPa）而言，仍有較大余量。由此表明，在該工況下發生結構性破壞概率較小，不會影響其通過性。

3.2 動力學特性分析

前文中采用2種模型對清管器驅動皮碗接觸摩擦特性開展了研究，所得結論為清管器的結構安全性和運行安全性定量分析提供了數據基礎。對于動力學特性的分析，純固體模型則不再適用。本節將基于三維流固耦合模型，從清管器運行的動力學特性入手，通過探究驅動皮碗過盈量、夾持率及結構對動力學特征參數的影響規律，對其運行穩定性進行定量描述。這里對過盈量1%～6%、夾持率50%～70%，結構分界面相對位置42%～50%的驅動皮碗進行三維流固耦合仿真計算。

3.2.1 運行速度

關于清管器通過性的分析，以往研究通常假設以勻速運動條件對其運行狀態進行簡化。實際上，由于管內流場和接觸狀態復雜多變，清管器自身結構對其運行速度影響顯著且使之并非勻速。根據文獻報道，由于聚氨酯材料具有黏彈特性，較大的運行速度會導致更大的摩擦阻力，從而影響其通過性。

圖9為驅動皮碗在不同過盈量下通過管道凹陷運行速度變化情況。從圖9可見：驅動皮碗在運行初期速度提升明顯，跨越管道凹陷時速度略有下降，通過凹陷后速度出現小幅度提升；過盈量為1%時，驅動皮碗的密封效果不好，導致皮碗出現泄流，故此時驅動皮碗速度未出現明顯加速，運行速度呈現穩步提升趨勢，運行平均速度v—為2.66 m/s；過盈量處于2%～4%范圍時，驅動皮碗出現急加速狀態，最高加速至4.2 m/s，跨越管道凹陷時運行速度出現小幅波動；當過盈量大于4%時，驅動皮碗跨越凹陷時需克服較大阻力，故跨越前后速度出現明顯上升和下降的變化過程。

在不同夾持率下，清管器運行速度變化情況如圖10所示。從圖10可見，當夾持率為60%和65%時，清管器進入管道后速度穩步提升，其余工況速度均出現急加速情況。由此可知，當皮碗自由端較長或較短時均會對運行速度穩定性造成影響，夾持率為65%時翻越凹陷時間為0.3 s。

驅動皮碗結構對清管器速度變化情況如圖11所示。從圖11可見：跨越凹陷平均速度隨結構分界面相對位置的增大而增加，當結構分界面相對位置為2%時，平均速度僅為0.33 m/s，相比較結構分界面相對位置6%的3.62 m/s下降了90.88%；當結構分界面相對位置小于3%時，清管器在初始位置開始運動時速度僅上升至2 m/s則開始下降；結構分界面相對位置為2%時清管器若遇到凹陷后，速度逐漸降低至0，在凹陷處發生卡堵。分析上述現象原因為，該工況皮碗與管壁接觸面積較大，凹陷對于皮碗的壓縮較大，聚氨酯材料無法克服變形通過凹陷，故清管器發生卡堵。卡堵位置如圖12所示。當結構分界面相對位置為4%時，清管器在凹陷處極短時間內速度為0，而后逐漸加速離開凹陷段。當結構分界面相對位置大于4%時，清管器在運行初期產生較大加速度并以較短的時間通過凹陷管段。

3.2.2 運行加速度

清管器加速度變化能夠間接反映其運行過程中所受摩擦阻力的情況。當瞬時摩擦阻力較大時，后方驅動壓力小于其所受的摩擦阻力，清管器做減速運動甚至停止，隨著后方持續憋壓，驅動力超過靜摩擦力后，清管器啟動并獲得瞬時加速度。相比于常規直管道，清理器在經過凹陷時運行速度會產生較大波動，頻繁的加減速會導致清管器運行狀態不穩定，從而引發管道振動。

圖13為驅動皮碗在不同過盈量下通過管道凹陷運行加速度變化情況。從圖13可見：與圖11速度變化情況相對應，過盈量小于4%時加速度較為平穩，平均加速度a—均小于70 m/s²；過盈量大于4%時，驅動皮碗加速度波動較大；過盈量為6%時，平均加速度達到129.89 m/s²。

圖14為不同夾持率下清管器加速度變化情況。從圖14可見：夾持率為65%時，驅動皮碗在跨越管道凹陷后瞬時加速度達到1 300 m/s²；夾持率為70%時，清管器在翻越凹陷后獲得較大加速度；夾持率為50%和55%工況時，均在0.06 s附近產生700 m/s²左右加速度。由此可得，皮碗夾持端尺寸對驅動皮碗中皮碗運行加速度有顯著影響。

清管器在不同結構分界面相對位置下加速度變化情況如圖15所示。從圖15可見：當結構分界面相對位置小于5%時，加速度基本穩定且平均加速度小于50 m/s²，2%結構分界面相對位置平均加速度僅為23.46 m/s²；當結構分界面相對位置大于5%時，清管器在運行初期存在較高的瞬時加速度。

通過以上分析可知，對于清管器翻越凹陷的工況，結構參數會對其速度和加速度變化產生顯著影響。當過盈量、夾持率和結構分界面相對位置較大時，清管器在翻越凹陷時表現出明顯的速度波動，嚴重影響其運行穩定性，進而對其通過性造成一定的負面影響。

4 結 論

本文以?168 mm清管器為研究對象，通過開展三維準靜態和流固耦合仿真模型對比研究，證明了使用后者對清管器翻越凹陷管道進行仿真分析具有優越性。根據三維流固耦合仿真結果，分別開展了基于接觸摩擦特性和動力學特性的通過性定量分析，所得結論如下。

（1）由于局部高摩擦阻力會產生憋壓現象，驅動皮碗在通過管道凹陷段時，運行速度先降低，并在翻越過凹陷后急劇增加，運行速度不穩定可能會降低相應管段檢測的準確率。

（2）翻越凹陷過程的速度變化敏感性隨過盈量的增加而增強，與過盈量為1%工況清管器平均速度相比，過盈量為6%時平均速度增加了41.7%，且速度為3.77 m/s。當夾持率由50%變化至70%的過程中，清管器過彎平均速度降了14.9%。當過盈量相同時，結構分界面越靠近唇部，則其平均運行速度越小，當分界面相對位置為2%時發生了卡堵現象。隨著過盈量和夾持率的增加，加速度的變化幅度同樣增大。對于皮碗結構，當結構分界面越靠近皮碗根部時，其加速度變化幅度越大。

（3）為提高清管器對含凹陷管道的通過性能，?168清管器皮碗過盈量應小于4%，密封皮碗夾持率應在55%～65%之間，皮碗結構分界面相對位置應不小于2%。

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第一王強，教授級高工，生于1970年，1992年畢業于中國地質大學安全工程專業，現主要從事設備檢測與評價工作。地址：（257000）山東省東營市。電話：（0546）8558099。email：wangqiong196.slvt@sinopec.com。

通信作者：劉暢，博士后。email：286806587@qq. com。2024-02-23楊曉峰