管道柔性测径清管器的设计及测径盘性能分析*

张 行 刘 彤 刘思敏 许学峰 高孟琦 闫增瑞 张仕民

(1.中国石油大学(北京)机械与储运工程学院 2.中油国际管道公司)

0 引 言

油气管道投产前，需要对新建管道内部进行检查评估[1-2]。在役管道也经常使用测径清管器检测其内部的变形情况[3-5]。目前，检测管道内部变形情况的常用工具是管道测径清管器。

传统测径清管器是在常规清管器上加装测径铝盘[6],当测径清管器运行结束后，通过检测铝盘变形量粗略估计管道内部发生的最大变形量。这种测径清管器检测精度低，不能对管道多个变形位置进行测量，并且还存在铝制测径盘不可重复利用的缺点。近年来，管道内部变形检测方法主要有接触式通径检测和非接触式无损检测[7-15]。王宇楠等[16]在泡沫清管器中放置磁块，根据磁场变化对管内残余物质的高度和外形等特征进行预先测量。马书义等[17]根据回波信号的时间历程、幅值等信息获取管道截面的变化。赵翰学等[18]研发了150 mm大量程、高精度涡流传感器实现对管道变形的检测。WANG H.昊等[19]为检测直径小于200 mm的管道而提出钢板弹簧卡尺探测臂。接触式通径检测方法不仅存在探测臂引发机械故障的风险，而且还有检测速度慢的缺点。非接触式无损检测方法检测费用较高，设备结构复杂，再加上管道结构多样以及服役环境等原因，应用存在局限性[20-21]。

针对上述问题，本文提出一种油气管道柔性测径清管器。该清管器将传统铝制测径盘改为柔性材质，并将应变片置于超弹性柔性盘中,其工作原理是：当测径清管器越过管道凹陷处时，柔性盘发生变形，应变片也随之发生变形，应变仪测得测径盘遇阻时的应变变化，据此可以快速识别管道内通径变化情况，对管道变形处实现较准确的检测和量化。这种检测手段既可以对管内多个变形进行测量，同时又能减少引发机械故障的风险。其检测设备在运行过程中对管壁无损伤且柔性测径盘可重复利用。

本文以聚氨酯材质测径盘为研究对象，采用ABAQUS 2016有限元仿真软件对其在凹陷管道内运行情况进行模拟。从放置面、纵向分布和横向分布3方面确定应变片放置位置，讨论厚度、瓣数及聚氨酯材料硬度3个参数变化时，测径盘应力与应变的分布，并进行分析。

1 有限元模型

1.1 柔性测径盘模型

柔性测径盘如图1所示。柔性测径盘外径Dg为管道内径的95%，Dg=196.64 mm；Dr表示刚体外径，即测径盘的内径,Dr=51 mm；D表示每瓣之间的距离，D=10 mm；tg为测径盘的厚度。

图1 柔性测径盘Fig.1 Flexible gauging plate

实际测径盘是用 “U”形将盘分割成若干瓣，n表示测径盘的瓣数。讨论测径盘的厚度(tg)、瓣数(n)和聚氨酯硬度等3个参数对柔性测径盘应力和应变的影响，3个参数的变化如表1所示。

表1 不同模拟情况下测径盘参数Table 1 Gauging plate parameters under different simulation conditions

1.2 管道及凹陷模型

凹陷大小通常由深度、长度和宽度决定[22]。本文研究的凹陷如图1b所示。其中H是凹陷深度，Dp是管道外径，t是管道壁厚。以ø203.2 mm(8 in)管道为例，Rp=109.5 mm，t=6 mm。

对于管道凹陷基于深度的定义，许多规范都提出了评价标准[23-25]，本文中凹陷深度为15 mm。由于管道和清管器都是回转体，所以使用极坐标系进行分析。从管道轴向看，逆时针方向是正方向，凹陷中心位于270°。

1.3 测径盘和带有凹陷管道的有限元模型

在ABAQUS 2016有限元软件中，测径盘在凹陷管道运行时的有限元模型如图2所示。为保证网格质量，测径盘选择六面体单元网格，在与管道凹陷接触的测径盘边缘进行倒角处理并加密网格，共有68 248个网格单元。管道同样选择六面体单元，共有10 318个网格单元。在管道凹陷处，选择四面体进行网格划分，共有5 115个网格单元。

图2 测径盘有限元模型Fig.2 Finite element model of gauging plate

管道的弹性模量是2.01 MPa，泊松比是0.3。测径盘采用聚氨酯材料，以Mooney-Rivlin为本构模型[26]，其邵氏硬度与材料特性常数C01、C10的关系如表2所示。考虑管道无轴向位移，管道外壁及凹陷处受完全约束。为提高运算速率，将管道凹陷处简化为刚体。

表2 聚氨酯材料参数Table 2 Polyurethane material parameters

2 测径盘过管道凹陷运行分析

2.1 测径盘过管道凹陷过程的应力分析

第10组算例用于分析测径盘过管道凹陷过程中应力与应变的变化情况。测径盘在凹陷管道运行过程如图3所示。4个典型位置对应的测径盘应力云图如图4所示。以测径盘与凹陷接触的面为正面，反之为背面。

图3 模拟过程及结果Fig.3 Simulation process and results

测径盘接触凹陷前无应力变化。当测径盘继续向前运行，底瓣接触管道凹陷并紧贴凹陷轮廓向上“抬起”，应力随之增大，到达凹陷最高处时，测径盘底瓣径向上升到最大高度，测径盘应力达到最大。然后，测径盘底瓣沿管道凹陷轮廓慢慢“落下”，应力随之减小，越过凹陷后测径盘恢复原状，底瓣所受应力也恢复至0。

由图4可知，测径盘遇凹陷过程中，离测径盘孔径近的位置应力更大，其应力沿圆盘半径至边缘方向以“水波纹”的形式逐级递减。在测径盘底瓣“颈部”边缘会出现应力集中，若将应变片放置在此处，则测径盘经过微小凹陷时也会产生较大应力，这不能反映管道内部真实状况。考虑到实际操作，在边缘处不便加装应变片，所以在后续分析应变片优选位置时，此处不做考虑。

图4 4个典型位置的应力云图Fig.4 Cloud chart of stress at 4 typical positions

2.2 确定应变片放置面

在测径盘遇凹陷过程中，其正面受到拉应力，背面受到压应力。放置应变片时，应以应变变化更大的一面，即应变率更高的面为优选。从测径盘底瓣外缘沿半径方向的中心线上等距选取10 个节点，如图5所示。以Point2为例，比较正、背面的应变率，其结果如图6所示，正面的应变变化比背面更明显，以此可知应在测径盘正面放置应变片。

图5 测径盘正面节点取情况Fig.5 Selection of front nodes and lines of gauging plate

图6 Point2正、背面应变和应变率随时间变化曲线Fig.6 Variation curve of front and back strain and strain rate with time at Point 2

2.3 确定应变片纵向位置

沿圆盘半径方向做7条线将底瓣等分，每条线的起点都为测径盘孔径边缘，等距选取10个节点，如图7所示。测径盘每条线上不同点的应变-位移曲线如图8所示。首先分析第4条线上10个点的应变情况。由图8a可知，Point1～Point3在10个点中应变变化显著，其中Point2在测径盘底端到达管道凹陷最高处时,应变达到最大。选取Point1、Point3、Point5、Point7、Point9进行应变比较。从图8b～8h可以看出：由于Point3接近应力集中点，所以其应变变化非常明显；图8c～图8g中Point1与Point3这两点之间应变相差微小，后几点之间应变差距较大。由此可得，应变片纵向位置介于Point1～Point3之间最合适。

图7 测径盘正面7条线Fig.7 7 lines on the front of the gauging plate

图8 测径盘每条线上不同点的应变-位移曲线Fig.8 Strain-displacement curve of different points on each line of the gauging plate

2.4 确定应变片横向位置

Line1～Line7的前3个节点应变-位移曲线如图9所示。

图9 不同线上的前3节点应变-位移曲线Fig.9 Strain-displacement curve of the first three nodes on different lines

由图9可知：第3条线上第1节点的应变随位移变化最明显，第1条线变化最弱；第1条和第7条线的应变曲线几乎重合且变化最不明显；由于第1和第7条线的第3节点距离测径盘应力集中点较近，所以不能合理有效地提供应变数据。由此可得，应变片的横向位置应处在Line2～Line6之间。综上所述，应变片放置在测径盘正面每瓣根部中心位置，有利于提升检测系统的灵敏度。

2.5 网格独立性

将算例10用于网格独立性分析。当单元尺寸分别为1.1和1.5 mm时，计算得测径盘底瓣位于C点时的应力分别为2.301和2.299 MPa，二者相差0.09%，这两种网格具有良好一致性。因此，构建的网格具有独立性。

3 不同参数对测径盘过凹陷的应力与应变影响

由前文可以得出，Line4 的第2节点应变变化最显著，将此点记为M，M点是对不同参数研究最具代表性的一点。

3.1 厚度对测径清管器测径盘M点应力和应变的影响

设n=8，聚氨酯材料硬度为70 HS时，测径盘厚度tg=12、15、18和21 mm，其他条件不变。图10为不同厚度下测径盘的应力与应变分布。由图10可知，M点在测径盘底瓣底端位于凹陷最高点处的应力应变分布，相应的应变云图如图11所示。从图10可得，厚度从12 mm增加到21 mm，M点应力从0.67 MPa增加到1.42 MPa，其应变变化也有相似趋势。除M点外，测径盘其他位置的应力应变也随着测径盘厚度的增加而增加。

图10 不同厚度下测径盘的应力与应变分布Fig.10 Stress-strain distribution of gauging plate with different thickness

图11 不同厚度测径盘的应变云图Fig.11 Cloud chart of strain of different thickness of gauging plate

3.2 瓣数对测径盘M点应力和应变的影响

当tg=20 mm、聚氨酯材料硬度为70 HS时，测径盘瓣数从6瓣变为7、8和9瓣，其他条件不变。图12为M点在测径盘底瓣底端位于凹陷最高点处的应力与应变分布，相应的应变云图如图13所示。从图12可知，随着瓣数的增加，应力和应变变化并不显著。

图12 不同瓣数下测径盘的应力与应变分布Fig.12 Stress-strain distribution of gauging plate with different flap numbers

图13 不同瓣数下测径盘的应变云图Fig.13 Cloud chart of strain of gauging plate with different flap numbers

3.3 聚氨酯材料硬度对测径盘M点应力和应变的影响

当tg=20 mm、n=8时，测径盘材料硬度从60 HS依次变为65、70和75 HS，其他条件不变。图14为M点在测径盘底瓣底端位于凹陷最高点时的应力与应变分布，相应的应变云图如图15所示。

图14 不同聚氨酯材料硬度下测径盘的应力与应变分布Fig.14 Stress-strain distribution of gauging plate with different hardness

图15 不同聚氨酯材料硬度测径盘的应变云图Fig.15 Cloud chart of strain of gauging plate with different polyurethane hardness

从图14可知,M点的应力随聚氨酯材料硬度的增加而增加，但应变没有实质性的变化。这是由于随聚氨酯材料硬度的增加，测径盘变得不易弯曲，所以应变变化很小。

4 结 论

(1)柔性测径清管器既可实现对管内多个变形进行准确检测，其柔性测径盘又可重复利用，同时可以提升检测作业的安全性，其成本低、适用范围广的特点可满足不同的作业环境要求。

(2)在柔性测径盘越过凹陷过程中，其变形瓣的应力沿半径方向呈“水波纹”形式逐级递减分布，在变形瓣“颈部”边缘会出现应力集中现象。

(3)应变片放置在测径盘正面每瓣根部中心位置时应变变化更显著，有利于提升检测系统的灵敏度。

(4)测径盘的厚度比瓣数和材料硬度对其应力与应变的影响大，瓣数对应力和应变的影响最小。