输气管道内检测器压力-速度模型及速度调整策略 .pdf
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1、第 3 3卷第 1 1 期 2 0 1 2年 1 1 月 仪 器 仪 表 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f S c i e n t i fi c I n s t r u me n t V0 1 _ 3 3 No 1 1 NO V 2 01 2 输气管道 内检测器压力一 速度模型 及速度调整策略冰 杨理践 , 赵洋 ,高松巍 ( 1沈阳工业大学信息科学与工程学院沈阳1 1 0 8 7 0 ; 2沈阳化工大学计算机科学与技术学院沈阳1 1 0 1 4 2 ) 摘要:内检测器的运行速度在输气管道无损检测过程中会影响数据检测的精度。针对内检测器运行速度调节问题进行
2、研 究 , 内检测器速度调节可以看作不同稳态条件下速度的变化。将漏磁内检测器与上下游气体视为一个整体, 并根据流体力学原 理分析了平稳状态下管道压力与内检测器运行速度之间的关系, 建立 了内检测器的压力一 速度模型。通过所建立的压力一 速度 模型, 计算出管道不同稳态条件下的内检测器速度, 并以此作为内检测器速度调节的依据。通过在西气东输二线管道模拟运行 表明该模型可以准确地计算出内检测器的运行速度并可以有效的进行速度调节。 关键词 : 输气管道; 内检测器; 压力一 速度模型; 流场 ; 速度调节 中图分类 号 : T E 9 7 8 T H 8 6 文献标识符 :A 国家标准学科分类代码
3、: 4 4 0 5 5 P r e s s u r e - v e l o c i t y mo d e l a n d s p e e d a d j u s t me n t s t r a t e g y f o r l n- p l Pe d e t e c t o r i n g a s pi pe l i n e 1 l Y a n g L i j i a n , Z h a o Y a n g , G a o S o n g w e i ( J S c h o o l o fI n f o r m a t i o n S c i e n c e a n d E n g i n e
4、 e r i n g, S h e n y a n g U n i v e r s i t y ofT e c h n o l o g y , S h e n y a n g 1 1 0 8 7 0 , C h i n a ; 2 C o l l e g e o fC o m p u t e r S c i e n c e a nd T e c h n o l o g y , S h e n y a n g U n i v e r s i t y of C h e mi c a l T e c h n o l o g y , S h e n y a n g 1 1 0 1 4 2 , C h
5、i n a ) Abs t r a c t:Th e o p e r a t i o n s p e e d o f i n p i pe l i n e d e t e c t o r wi l l a f f e c t t h e a c c u r a c y o f t h e d a t a de t e c t i o n d ur i n g n o n- d e s t r u c t i v e t e s t i ng o f g a s pi p e l i n e So s p e e d r e g u l a t i o n p r o b l e m o f i
6、 n - pi pe l i n e de t e c t o r i s s t u d i e d i n t h i s p a pe r Th e s p e e d r e g u l a t i o n o f i n - p i p e l i n e d e t e c t o r c a n b e s e e n a s t h e s p e e d c ha n g e u n de r d i f f e r e n t s t e a d y s t a t e s I n t hi s p a pe r , t he i n p i p e l i n e d e
7、 t e c t o r a n d up d o wn s t r e a m g a s a r e r e g a r d e d a s a who l e Ac c o r d i n g t o t h e p r i n c i p l e s o f f l ui d me c h a n - i c s, t he r e l a t i o n s hi p b e t we e n t he pi pe l i n e p r e s s u r e a n d s p e e d o f i n- p i p e l i ne de t e c t o r i s a
8、na l y z e d un d e r s t a b l e s t a t e; a n d t h e p r e s s u r e s p e e d mo d e l o f i n p i p e l i n e d e t e c t o r i s b u i l t T h e s p e e d o f i n p i p e l i n e d e t e c t o r i s c a l c u l a t e d u n d e r d i f f e r e n t s t e a d y s t a t e s b a s e d o n t h e p
9、r e s s u r e - s p e e d m o d e l , w h i c h i s u s e d a s t h e b a s i s o f s p e e d a d j u s t me n t o f i n p i p e - l i ne d e t e c t o r Th e r e s u l t s o f s i mu l a t i o n o pe r a t i o n i n t he Se c o n d Pi p e l i n e o f We s t Ea s t n a t u r a l g a s p i p e l i n
10、e s h o w t h a t t h e s p e e d o f i n - p i p e l i n e d e t e c t o r c a n b e a c c u r a t e l y c a l c u l a t e d a n d e f f e c t i v e l y a d j u s t e d w i t h t h e p r o p o s e d m o d e 1 K e y wo r d s : g a s p i p e l i n e ; i n p i p e d e t e c t o r ; p r e s s - s p e e
11、 d m o d e l ; fl o w fi e l d ; s p e e d a d j u s t me n t 1 引 言 目前 , 我 国天然气主要 以长距 离输送管道 的方式运 输。由于在运送天然气方面具有独特优势, 天然气长 输管道已成为现代工业和国民经济的命脉 。在使用过程 中, 长输管道的安全至关重要 。对输气管道进行定期无 损检测已成为确保管道 安全的重要手段 。由于漏磁 检测易于实施 , 对检测环境 的要求很低 , 因此被广泛应用 于铁磁性材料缺陷检测 。在众多的无损检测方法 中, 收稿 日期 : 2 0 1 2 - 0 5 R e c e i v e d D a t
12、 e : 2 0 1 2 -05 基金项 目: 国家 自然科学基金( 6 0 9 2 7 0 0 4 ) 、 十二五国家科技部支撑计划 ( 2 0 1 l B AK 0 6 B 0 1 -03 ) 资助项 目 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m仪器仪表学报 第 3 3卷 漏磁 检 测 是 输 气 管 道 检 测 中 最 为 成 熟 的无 损 检 测 手段 。 。 基于漏磁检测技术的管道内检测器 自身没有提供动 力, 在无损检测过程中依靠管内流体驱动运行 检测管 道壁上的各种缺陷 , 属于介质压差驱动的装置。由于未 加速度控制 的天然气管 道 内检测 器最高运行 速度
13、可达 2 5 m s 以及天然气 的可压缩性使得 内检测器运行速度不 十分稳定 。管 道 内检测器 的运行速度 过快会导致无 损检测过程 中所采集 的漏磁信号 准确性 降低 , 甚 至出现 缺陷处采集不到漏磁信号 的现象 , 无法完 成管道无损检 测 的任务 。因此调节 内检测器 运行速度使其运行 在 合理的速度范围之内, 势必成为提高管道检测精度和降 低安全事故风险时所面临的问题。 N g u y e n T a n T i e n等人 利用一维标 准稳态模 型对 中空、 流场截断型机 器人在 天然气 管道内的运行进行 了 分析, 通过求解机器 人上下 游和中孔内气 体的连续和动 量方程 以
14、及机器人的运动方程 , 得出 了机器人在天然气 管道内的压差和相关 的影 响因素 ; 綦耀升等人 建立 了 皮碗式输气管道内检测物理模型 , 导出其在水平管道平 稳运移条件下皮碗的结构参数与驱动压差间的关系; E s m a e i l z a d e h 等人 在理想状态下利用特征线法求解管道 流场中动量方程的方法计算 内检测器在非稳管道流场状 态下内检测器 的运行速度 ; 孟浩龙等人 利用仿真手 段完成了管内检测器在水平直管 内流场启 动、 运行过程 中的速度分析 , 并利用 S I M P L E算 法求解 了检 测器周 围 的流场 , 得到 了不 同入 口速 度下 , 检测器 所受 到
15、的压力 差 、 流体摩 擦力 和周 围流场 的基本 情况 ; T o l m a s q u i m 等 人 根据气体 内检测器在管道 内的两流体瞬态流 动进 行了仿真 , 得到了相应的模型 , 在仿真过程中假设 2种流 体符合牛顿定律且为理想气体的等温过程。以上的这些 研究 中, 充分地考虑了管道 内的各种运行工况 , 所得到的 模型比较 复杂且假 设 条件 多 , 应 用起 来具 有一 定 的保 守性。 目前 , 在实际工程 的应用 中主要有 2种方法来 调节 内检测的速度。第 1 种方法是通过内检测器上的旁路泄 流来进行调节 。泄流调节主要是通过改变 内检测器泄流 面积 , 调整内检测器
16、前后压差 , 进而调整 内检测器受力大 小 , 从而调节 内检测器运行速度 。由于可调节 的范 围有 限, 因此其速度调节能力有 限。第 2种方法 是通过改变 输气管道两端加压站 的运行压力参数来进行调节。由于 内检测器在管道 中依靠传输气体 的驱动而前行 , 通过改 变上下游加压站的压力 , 来远端调节 内检测器两端 的压 力及管道中气体的流量, 进而调节内检测器的运行速度。 本文 的主要研究对象是大 口径 、 高压力 的输气管道 中的内检测器 的运行速 度的控 制。在大 口径 、 高压力 的 输气管道中, 传输气体对内检测器的推力远大于内检测 器的摩擦力的工况条件下 , 因此忽略摩擦力对
17、内检测器 运行速度的影 响, 将 内检测器与上下游气体视为一个整 体 , 利用流体力学原理 , 推导 出压力速度模 型, 用 于一定 管道运行参数条件下内检测器速度 的计算 。在此基础上 提 出了利用管道两端加压站运行参数的变化调节内检测 器运行速度以获得更高 的检测精度 , 通过 实验验证 了内 检测器运行速度调节的有效性 , 达到了速度调节的 目的。 2 输气管道运行工况分析 输气管道 由管道 和多个加压站组成 , 运输气体 由加 压站接力加压传送。内检测器在管道中气体的推动下沿 气体流动方向运行, 如图 1 所示。 压力表 压力表 管道 + I I l蓬 + 内检测器 图 1 输气管道上
18、加压站的分布 F i g 1 P r e s s u r e s t a t i o n d i s t r i b u t i o n o n t h e p i p e l i n e 在气体传输过程中, 受到的阻力与速度的平方成正 比。在大 口径 的管道 中, 为了降低加压站功耗 , 通常气体 采用高压传输 , 内检测器所受到的推力远大于其受到的 摩擦力 , 因此摩擦力对 内检测器速度 的影 响可以忽 略不 计 。选取西气东输二线输气管道一段管线进行实验 。该 管道的 日输气量为 4 3 0 0万方。当漏磁 内检测器在管道 中进行无 损 检测 时 , 上 游加 压站 输 出压力 设定 为
19、 9 5 M P a , 下游加压站输 出压力设 定为 8 7 M P a 。每 1 0 m i n 测算一次管道两端 的压力数 据、 流量 和内检测器的运行 速度 。 内检测器在气体的驱动下, 开始启动, 当内检测器及 管道流场逐渐趋于平稳后 , 开始纪录上下游管道壁压力 值 , 记录的测量值如图 2所示。经过测量 , 上游加压站 出 口流量与下游加压站入 口流量基本相等 。此时内检测器 运行速度为接近 4 m s , 几乎为匀速运动。从 图2中可以 看出 , 当内检测器运行在平稳状态下 , 上游管壁压力值为 8 M P a 左右 , 下游管壁压力值 为 7 3 M P a 左右 , 压力值
20、几 乎没有波动。西气东输二线的输气管道是依地形而建, 随着地势蜿蜒且起伏很大。因此在管道流量一定 的条件 下 , 内检测器的运行速度与上下游压力有关 , 而与管道形 态 、 走向的关系相对较小 , 可以忽略。当管道 流量 恒定 , 管道流场处于稳态条件下 , 管道入气量与出气量相等 , 内 检测器匀速运动 , 其速度值与 管道两 端的压 力及流量有 关 , 与其他 因素无关。下面将建立漏磁 内检测器的压力一 速度模型。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 1 1 期 杨理践 等: 输气管道内检测器压力一 速度模型及速度调整策略 2 4 0 9 时间 1 0 m i
21、 n 图2 输气管道上下游表压变化 Fi g 2 Ga u g e p r e s s u r e c h a n g e o n t h e u p d o w n s t r e a m o f t h e p i p e l i n e 3 漏磁 内检测器的压力速度模型 管道漏磁 内检测器 由永 磁铁、 漏磁感应 器、 皮 碗 、 泄 流阀等多个部件组成, 如图 3所示。皮碗由耐磨的聚氨 酯材料制成 , 布置在 内检测器 的外围 , 紧贴管道 内壁,隔 绝气体在内检测器前后流通。管道内检测过程中, 传输 气体作用在皮碗上 , 为内检测器提供前行动力 。 图 3 管道内检测器 F i g
22、3 I n p i p e d e t e c t o r 内检测器 的结构复杂在加 上烦琐的管道工况 , 如采 取通过逐分析 内检测器 的实 际结构、 受力状况 以及 管 道流场等方式对其运行 速度进行研究 , 则研 究工作变得 非常复杂 , 甚至无法进 行 通过第 2节 的分析可 以知道管道无损检测 过程 中 , 上游加压站的气体输出量与下游加压站的气体输入量基 本相等, 因此可以将内检测器与管道中的气体视为一个 整体。忽略内检测器 与管壁之 间的摩擦力 , 可 以将其在 管道运行 的过程理解 为一个质点从上游加压站运行到下 游加压站。当内检测器及整 个流场处 于平稳 状态时 ,内 检测器
23、的运行速度便是质点的运行速度。通过计算平稳 状态下管道气体的运行速度便可推算出内检测器的速 度 。当内检测器的速度需要进行 调整时 , 可 以将其调整 过程视 为一种稳态条件下质点运行速度变化为另一 种稳 态条件下质点运行速度。可以利用压力速度模型计算 出 内检测器调整到 目标速度所需上下游压力 , 从而通过改 变压力达到调节内检测器运行速度的 目的。下面就给 出 漏磁内检测器的压力一 速度模型。 3 1 漏磁内检测器的压力。 速度模型的建立 在任何倾角条件下 , 管道的压力梯度公式可写为: s i n + ( 1 ) 式中: ( g g ) p s i n 0 为势能项, 即势能变化引起的压
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