CN103551350A - 一种机械式清管器速度控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在役天然气管道清管与缺陷检测及在建管道试压排水过程，控制清管器及缺陷检测设备运行速度的机械式速度控制器。它能将清管器速度控制在一定范围，解决现有清管器因不能控制速度而导致冲击和检测器因速度过大而检测不准的问题。其技术方案：筒体两端分别设置4个支撑轮，两个速度采集轮用支撑杆对称设置在两边，用弹簧连接；速度采集轮同轴安装皮带轮A，用皮带与中心轴端部的皮带轮B相连接；中心轴中段安装套筒，尾段安装定筒，定筒外套转筒；连杆A与连杆B的一端铰接质量块，另一端分别连接到套筒、转筒上；连杆C连接定筒端部及摩擦块，连杆D连接筒体端部及摩擦块。本速度控制器结构简单，无电器元件，无延时，安全可靠。

Description

一种机械式清管器速度控制器

技术领域

本发明涉及一种用于在役天然气管道清管与缺陷检测及在建油管道试压排水过程，控制清管器及缺陷检测设备运行速度的机械式速度控制器。

背景技术

在对油气管道进行清管和检测过程中，一般法规要求清管设备运行速度为3.5～5m/s；管道内检测设备为了获得较佳的检测数据质量，要求设备的运行速度低于5m/s；电磁超声检测设备则要求其运行速度低于2m/s。清管器在通过管道上下坡段、弯曲段、积液积砂及结垢段时速度变化较大，需要控制清管设备及检测设备的运行速度，保证清管和管道检测的有效进行，但直接使用常规检测器和清管器不能够满足速度控制要求。

现有天然气管道清管器速度控制方式为：用小轮采集清管器运行速度；通过电控系统对信号处理；再通过电机来调整泄流阀的开启程度；以此控制清管器前后压差，调整清管器推动力，从而控制清管器运行速度。现有通过压差控制的电控方案控制滞后性明显，而且不能适应清管器阻力突变的情况。

天然气管道清管通常采用空气、氮气或者天然气来推动清管器。清管器在天然气管道弯曲段、下凹积液段、局部腐蚀段、积砂段及结垢段阻力迅速增加，运行速度减慢，清管器需要较高推动压力来克服上述局部部位增大的阻力，当清管器越过该部位，阻力迅速降低，但是清管器推动气体压力不能随之迅速降低，这必将导致清管器速度急剧增加，从而产生冲击，对清管器和管道造成伤害。另一方面，速度过大会造成与清管器并行的检测器对缺陷检测不准。

在建油气管道试压后排水过程中，需要用空气、氮气或者天然气推动清管器向前排水，由于管道下凹段到爬坡段阻力骤减，清管器速度会陡增。我国现有长输管道试压后扫水过程中，因为清管器速度过快而造成水柱冲击，引发了多次爆管事故。

综上所述，研究可靠的清管器速度控制器十分必要。

发明内容

本发明的目的：为了克服现有清管器泄流阀式控制方式延时性过强的缺点；控制天然气管道进行清管和检测过程中及在建油气管道试压后排水过程中清管器运行速度，特提供一种机械式清管器速度控制器。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：一种机械式清管器速度控制器，是由筒体、速度采集轮、皮带、皮带轮、弹簧、中心轴、连杆、质量块、转筒、定筒和摩擦块组成，其特征在于：筒体两端四个角分别设置4个支撑轮；两个速度采集轮对称设置在两边，用支撑杆安装到筒体前端，用弹簧将筒体前端和支撑杆相连接；速度采集轮上同轴安装皮带轮A，用皮带将其与中心轴端部的皮带轮B相连接；中心轴中段安装套筒，中心轴尾段安装定筒，定筒外套转筒；连杆A与连杆B的一端铰接到质量块上，另一端分别铰接到套筒、转筒上；连杆C一端连接到定筒端部的铰支座，另一端连接到摩擦块的铰支座；连杆D一端连接到筒体端部，另一端连接到摩擦块的铰支座。

本发明具有的有益效果是：（1）适应在役天然气管道清管器及缺陷检测设备的清管器速度控制，本速度控制器连接于清管器后端，靠清管器拖动其运行，不需要其他能量输入；（2）本控制器直接以清管器速度信号产生的摩擦阻力为控制输出，且控制力通过机械结构传递，无延时，能及时有效的适应速度的改变；（3）本控制器结构简单，无电器元件，安全可靠，运动部件均安装在筒体内，且质量块转速不高，运动部件不会受到管道内可能存在的液相、积砂、污垢等的影响；（4）能适应清管器阻力突变情况下的速度控制，本控制器产生的摩擦阻力与清管器运行速度的平方成正比，对速度突变敏感，特别是对在建油气管道试压排水过程中清管器速度的控制，可以有效防止因弥合水击引起的爆管事故；（5）能克服现有泄流阀控制式清管器速度控制器延迟性过大的缺点，因为一般情况下管道长度较大，管道内的空气、氮气或天然气体积较大，加之气体可压缩性很强，通过泄流阀控制时，管道推动压力难以及时降低，造成控制延迟。

附图说明

图1为本发明机械式清管器速度控制器结构简图。

图中：1.皮带轮A；2.速度采集轮；3.支撑杆；4.皮带；5.皮带轮B；6.中心轴；7.弹簧；8.支撑轮；9.筒体；10.套筒；11.连杆A；12.质量块；13.连杆B；14.转筒；15.定筒；16连杆C；17.连杆D；18.摩擦块。

图2为速度控制器主视图结构示意图。

图中：19.底板；20.支座A；21.筒体端部；22.后支架；23.筒体尾段；24.筒体中段；25筒体前端；26.挂钩A；27.前支架；28.挂钩B；29.皮带轮C；30.螺母；31.接头。

图3为图2局部放大视图Ⅰ。

图中：32.支座B；33.销轴；34.角接触球轴承；35.轴承压盖；36.内筒；37.外筒；38.垫圈；39.键。

图4为图2局部放大视图Ⅱ。

图中：40.支座C；41.螺钉；42.轴套；43.支座D；44.推力球轴承。

具体实施方式

本发明不受下述实施实例的限制，可以根据本发明的技术方案和实际情况来确定具体的实施方式。下面结合图1、图2及图2局部放大视图I（图3）、局部放大视图II（图4）对本发明作以下描述：

如图1、2所示，筒体9分为筒体前端25，筒体中段24，筒体尾段23，筒体端部21，各个部分的接触面对应加工凹槽和凸沿，方便安装和对齐。每个连接部位加工螺栓孔，并用螺栓连接紧固。这样设计可以方便筒体内部部件的安装，安装质量块12、套筒10、转筒14、定筒15、连杆A11、连杆B13、连杆C16以后，再将筒体端部21安装到筒体尾段23上。这样使得运动部件都在筒体9内部，可以保护运动部件免受管道内可能存在的液相、积砂、污垢的影响。

如图1、2所示，筒体9前后各4个对称布置的支撑轮8，支撑轮8安装到前支架27和后支架22上，前支架27焊接到筒体前端25的圆柱面上；筒体尾段23设置台阶，留出足够空间焊接后支架22。控制前支架27和后支架22的长度，使支撑轮8与管道内壁留有2～3mm的间隙，降低支撑轮8产生的阻力，同时利于本机构能通过管道弯曲段。

如图2所示，接头31焊接到筒体前端25上，本机构通过接头31连接到清管器后侧，这样速度采集轮2与管道内壁摩擦力与弹簧7拉力方向相同，有利于速度采集轮2与管道内部的贴合，不易打滑。为保证速度采集轮2压紧在管道内壁，支撑杆3与中心轴6靠近皮带轮B5一侧的夹角需为锐角。该夹角越大越有利于速度采集论2与管壁的贴合，但是受到皮带轮B5和皮带轮C29安装配合要求的限制，因此综合分析，规定速度采集轮2的支撑杆3与中心轴6轴线夹角为65°～88°。弹簧7连接到筒体前端25的挂钩A26和支撑杆3的挂钩B28上，挂钩A26焊接到筒体前端25上，挂钩B28焊接到支撑杆3上。筒体前端25上挂钩A26焊接位置与边缘距离4～6cm，控制支撑杆3上挂钩B28的位置，使弹簧7轴线与支撑杆3垂直，以增大速度采集轮2对管壁压紧力并减小支撑杆3与支座B32之间的附加压力。

如图2所示，用皮带4将皮带轮A1和皮带轮B5连接，本发明所述速度控制器在管道内运行，应当充分考虑可能存在的水、油污和结垢的影响，设计中重点考虑了皮带4打滑的问题。为减小皮带4打滑风险，皮带轮A1和皮带轮B5之间传动比为0.6～1.5。同时，皮带轮A1和皮带轮B5外沿加工梯形槽，梯形槽底面沿轴向加工并排的V字形防滑槽，以增大皮带4与皮带轮A1和皮带轮B5之间的摩擦系数。但是防滑槽对皮带4产生切割作用，对皮带4有一定损害，V字形防滑槽越大，尖角越小对皮带4的切割作用越明显，考虑到加工方便，设计该槽宽度和深度1.2～2mm，相邻槽间距为1.5～3mm。为保证皮带4半交叉传动中扭转顺畅，将皮带4截面设计为矩形，厚度与其宽度之比为0.15～0.2。皮带4与皮带轮A1和皮带轮B5梯形槽底部接触并传递摩擦力，充分利用皮带轮槽底部宽度，同时防止皮带4在槽内摆动，设计皮带4宽度与皮带轮槽底部宽度之比为0.95～1。梯形槽侧壁用以防止皮带4跑偏，半交叉传动中，皮带轮A1和皮带轮B5之间距离大于5.5倍皮带轮A1的公称直径，通过计算可得，梯形槽侧壁倾角最优范围是34°～65°。皮带轮槽与皮带4截面形状相对应，因此要求皮带轮槽深度和宽度之比为0.18～0.22。

如图2所示，中心轴6位于筒体9中心，中心轴6前端通过两个背靠背安装的角接触球轴承34安装到筒体前端25的阶梯孔内，用轴承压盖35压紧并用螺栓固定；中心轴6后端通过一个深沟球轴承安装到筒体端部21的阶梯孔内，用轴承压盖35压紧并用螺栓固定。中心轴6前端外伸部分安装皮带轮B5和皮带轮C29；筒体9内，中心轴6靠近筒体前端25距离10～20mm位置安装套筒10，套筒10和中心轴6之间通过带孔销连接，带孔销两端用开口销固定，防止带孔销滑脱；中心轴6尾段，对应筒体尾段23部位安装定筒15，定筒15靠近套筒10一侧设置台阶，转筒14套在定筒15上并通过定筒15的台阶固定。

如图2所示，连杆A11、连杆B13铰接质量块12，质量块12和连杆A11、连杆B13为两组，对称布置，以平衡质量块12、连杆A11和连杆B13的重力对中心轴6产生的力矩。连杆A11另一端铰接到套筒10上，连杆B13另一端铰接到转筒14上。这样，中心轴6的转动通过套筒10和连杆A11带动质量块12转动，质量块12产生的离心力通过连杆B13对转筒14产生轴向拉力。转筒14套在定筒15外面，转筒14旋转，定筒15相对筒体前端25固定，转筒14轴向拉力通过定筒15的台阶传递到定筒15上。清管器连同本发明所述速度控制器在天然气管道内的起伏段运行中，转筒14、定筒15重力在中心轴6方向的分力会对定筒15的拉力产生影响。按照清管器运行速度3m/s～5m/s设计，皮带轮A1和皮带轮B5传动比为1，皮带轮A1和速度采集论2直径比为0.68～0.73，筒体中段24内径与皮带轮B5直径之比为4，连杆B13与中心轴6夹角为30°～40°，管道内径1m，忽略传动部件之间的摩擦力，考虑管道垂直的极限情况，用经典物理学理论可以求得定筒15轴向拉力大小等于质量块12重力的18～24倍。不计连杆B13、连杆C16、摩擦块18和连杆D17质量的影响，为了满足转筒14、定筒15重力的影响小于定筒15拉力的5%，同时考虑转筒14内部部件的安装尺寸，转筒14、定筒15质量之和与质量块12质量之比为0.5～0.9。

如图2所示，定筒15端部和筒体端部21分别设置4个对称布置的铰支座，筒体端部21与4个铰支座对应部位开设4个槽孔，连杆C16从槽孔穿过，一端连接到定筒15上的铰支座，另一端连接到摩擦块18上支座A20。连杆D17一端连接筒体端部21上铰支座，另一端连接到摩擦快18上支座A20。底板19一侧焊接支座A20，底板19另一侧设置深度为8～10mm的矩形槽，摩擦块18镶嵌在该矩形槽内，摩擦块18中间部位设置阶梯孔，用螺栓将摩擦块18和底板19连接。这样，定筒15的轴向拉力可以通过连杆C16和连杆D17作用到摩擦块18上，使摩擦块18对管道内壁产生压紧力。质量块12离心力与本速度控制器运行速度的平方成正比，该离心力通过连杆B13、转筒14、定筒15和连杆C16作用到摩擦块18上，摩擦块18对管壁产生的压力也同样与本速度控制器运行速度平方成正比，而且摩擦块18产生的摩擦阻力与压力成正比，因此可以得到，摩擦块18产生的摩擦阻力与本速度控制器运行速度的平方成正比，所以本发明对速度的突变和高速极为敏感。因此本发明可以对清管器速度进行控制，同时能防止清管器速度过快引起的冲击。另一方面，本发明控制输出的阻力是直接以清管器速度为信号输入，且通过机械部件传递控制力，所以控制无延迟，能克服清管器通过管道弯曲段、腐蚀段和积水段部位阻力突变对清管器速度的影响，这些问题是现有泄流阀速度控制方式无法完成的。用经典物理学方法可以得到：本发明所述速度控制器产生的摩擦阻力与连杆D17同中心轴6之间夹角的正切值成正比，同时与连杆C16同中心轴6之间夹角正切值成反比。考虑到摩擦块18运行过程中会逐渐磨损减薄，如果连杆D17同中心轴6之间夹角过大，接近90°，则摩擦块18有可能会脱离管道内壁，长距离管道清管摩擦块18可能存在磨损过大的情况，设计中摩擦块18应该有足够磨损余量，所以要求连杆D17与中心轴6尾端方向的夹角为60°～85°。

如图3所示，中心轴6设置台阶，固定两个背靠背的角接触球轴承34，角接触球轴承34安装到筒体前端25的阶梯孔内。角接触球轴承34用轴承压盖35加以固定，轴承压盖35与筒体前端25之间用螺栓连接，内部存贮润滑脂。中心轴6在安装角接触球轴承34段以下加工一个小阶梯，方便角接触球轴承34从中心轴6尾端穿入到前端的安装台阶处。筒体前端25焊接对称布置的两个支座B32，支撑杆3用销轴33安装到支座B32上。中心轴6外端，加工键槽，通过键39周向固定皮带轮B5、皮带轮C29，并传递扭矩。中心轴6外伸端加工螺纹，并用垫圈38和螺母30固定皮带轮B5和皮带轮C29。皮带轮B5与皮带轮C29之间，皮带轮B5和中心轴6与之对应的台阶面之间设置轴向距离调节装置。该装置包括内筒36和外筒37，内筒36和外筒37之间用螺纹连接，通过调整螺纹的旋进长度来调节内筒36和外筒37组合起来的轴向长度，从而调节皮带轮B5、皮带轮C29的轴向位置。这样，通过调整皮带轮B5和皮带轮29的轴向距离，可对皮带4的松紧程度进行微调，降低皮带4打滑风险；同时可以调整皮带轮A1相对于皮带轮B5的位置，保证皮带4从皮带轮B5的绕出部分中心线与皮带轮B5的圆截面平行，防止皮带4跑偏。

如图4所示，定筒15套在中心轴6上，定筒15外部设置台阶，用以安装推力球轴承44。转筒14外焊接两个支座D43，用以安装连杆B13，转筒14内部加工阶梯孔，通过阶梯孔轴向压紧在推力球轴承44上。转筒14与定筒15之间相对旋转，通过轴套42连接配合，轴套42和转筒14之间加工螺纹孔，并用螺钉41固定。这样，连杆B13的拉力通过转筒14和推力球轴承44转化为定筒15的轴向拉力。定筒15与支座C40用螺栓连接，以方便支座C40的拆装。安装完成推力球轴承44、轴套42、螺钉41、转筒14之后，再安装支座C40，支座C40可以轴向固定转筒14，防止转筒14滑脱。

Claims (7)

1.一种机械式清管器速度控制器，是由筒体、速度采集轮、皮带、皮带轮、弹簧、中心轴、连杆、质量块、转筒、定筒和摩擦块组成，其特征在于：筒体（9）两端四个角分别设置4个支撑轮（8）；两个速度采集轮（2）对称设置在两边，用支撑杆（3）安装到筒体（9）前端，用弹簧（7）将筒体（9）前端和支撑杆（3）相连接；速度采集轮（2）上同轴安装皮带轮A（1），用皮带（4）将其与中心轴（6）端部的皮带轮B（5）相连接；中心轴（6）中段安装套筒（10），中心轴（6）尾段安装定筒（15），定筒（15）外套转筒（14）；连杆A（11）和连杆B（13）一端铰接到质量块（12）上，另一端分别铰接到套筒（10）、转筒（14）上；连杆C（16）一端连接到定筒（15）端部的铰支座，另一端连接到摩擦块（18）的铰支座，连杆D（17）一端连接到筒体（9）端部，另一端连接到摩擦块（18）的铰支座。

2.根据权利要求1所述清管器速度控制器，其特征在于，速度采集轮（2）的支撑杆（3）与中心轴（6）轴线夹角为65°～88°。

3.根据权利要求1所述清管器速度控制器，其特征在于，皮带轮A（1）与皮带轮B（5）之间传动比为0.6～1.5；两皮带轮外沿加工梯形槽，梯形槽深度和宽度之比为0.18～0.22，梯形槽侧壁倾角为34°～65°，梯形槽底面沿轴向加工并排的V字形防滑槽，该槽宽度和深度为1.2～2mm，相邻槽间距为1.5～3mm。

4.根据权利要求1所述清管器速度控制器，其特征在于，皮带（4）宽度与皮带轮槽底部宽度之比为0.95～1；皮带（4）截面为矩形，厚度与其宽度之比为0.15～0.2。

5.根据权利要求1所述清管器速度控制器，其特征在于，转筒（14）与定筒（15）质量之和与质量块（12）质量之比为0.5～0.9。

6.根据权利要求1所述清管器速度控制器，其特征在于，连杆D（17）与中心轴（6）尾端方向的夹角为60°～85°。

7.根据权利要求1所述清管器速度控制器，其特征在于，皮带轮B（5）与中心轴（6）台阶面之间、皮带轮C（29）与皮带轮B（5）之间分别设置轴向距离可调装置，该装置包括用螺纹连接而套在一起的内筒（36）和外筒（37），内筒（36）与中心轴（6）采用间隙配合。

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