CN106424035A - 一种油气管道内检测器用速度控制器及实现方法 - Google Patents

Abstract

一种油气管道内检测器用速度控制器及实现方法属于油气管道装备应用领域，具有简单、响应速度快、安全稳定等优点。其技术方案：通过叶轮带动空心转轴转动，空心转轴带动平衡块转动，平衡块在离心力的作用下控制节流滑阀的开启程度并可以根据叶轮的转速自动调节节流滑阀。这样介质会通过后法兰泄流进入后隔离套内腔，再通过转轴径向孔进入空心转轴中心孔，然后进入到前法兰中心孔，通过节流孔进入前隔离套内腔，然后介质通过前法兰泄流孔流出，节流滑阀控制节流孔的大小，使管道机器人前后压差发生改变，从而实现机器人速度自我调节的功能。本发明机械机构简单，无其他电器元件，内部设备舱无介质泄流具有较大的承载空间，安全可靠。

Description

一种油气管道内检测器用速度控制器及实现方法

技术领域

本发明属于油气管道装备应用领域。具体涉及一种油气管道内检测器用速度控制器及速度控制实现方法。

背景技术

油气管道内检测器在管道内进行清管和检测作业时，依靠输送介质的压差提供动力。管道内检测器在管内的运动状态直接影响清管的效率及检测数据的可靠性，当管道内检测器运行速度太快，会导致清管不彻底，易造成部分管段检测数据丢失，管道内检测器冲击力较大且皮碗磨损严重；当管道内检测器运行速度太慢，这会导致清管作业及检测效率低。根据《长输油气管道清管作业规程》，管道机器人的最佳运行速度为3m/s5m/s。管道内检测器在通过管道弯曲段、上下坡段及管道变形处等速度会发生较大变化，清管器和常规管道内检测器都无法满足速度可靠控制的要求。

国内外现有的油气管道内检测器速度控制方式主要是步进电机控制旋转旁通阀的方式，这种方式是通过里程轮或者其他传感器来采集管道内检测器的瞬时速度，通过PID闭环控制系统对其信号进行处理分析，再通过步进电机来控制旋转旁通阀的开度，从而改变管道内检测器前后压差，以此来调整管道内检测器推动力的大小，从而实现对管道内检测器运行速度的可靠控制。但是这种控制方式存在很多弊端。首先，里程轮经常会出现“打滑”现象，会造成采集瞬时速度等数据不准确，而如果采用高精度传感器，这会大大增加其成本；其次，管道内检测器在通过管道弯曲段、上下坡段及管道变形处等特殊管道时，速度会发生较大变化，而闭环控制系统本身具有响应速度慢的缺点，都会影响管道内检测器速度控制；再次，由于管道内检测器自带蓄电池的电量有限，还为其他检测设备提供能源，因此不适用于长距离清管及管道检测作业。因此，目前市场急需一种机械结构简单、响应速快、速度控制可靠性高的油气管道内检测器用速度控制器。

发明内容

本发明的目的：为了解决长距离油气管道内检测器速度可靠控制的难题，克服现有步进电机驱动旋转旁通控制方式对电源的依赖问题，解决由于速度传感器测量误差带来的管道内检测器调速滞后的问题。针对以上现有管道内检测器存在的速度控制问题，本发明提供一种适应于长距离输油气管道内检测器的速度控制器及速度控制实现方法。

本发明是一种油气管道内检测器速度控制器及速度控制实现方法,其控制器的内容包括：支撑组件A、驱动组件B、调速组件C三部分。支撑组件A包括：圆柱筒8、后法兰5、前法兰18、后直板皮碗4、前直板皮碗20、后隔板3、前隔板21、螺栓6和长螺栓19；驱动组件B包括：叶轮1、叶轮保护架2和空心转轴9；调速组件C包括：后连杆11、前连杆14、平衡块13、拉伸弹簧12、弹簧固定套筒27、节流滑阀16、滑阀套筒15、滑槽26、后隔离套7和前隔离套17。

支撑组件A的特征在于：圆柱筒8一端安装后法兰5,另一端安装前法兰18,圆柱筒8、后法兰5和前法兰18对应位置开设8个孔径相同的轴向通孔，且沿圆周方向均匀分布，并用8个螺栓6固定；后法兰5外侧安装3个后直板皮碗4,后直板皮碗4之间及后直板皮碗4与叶轮保护架2之间安装后隔板3，后法兰5、后直板皮碗4、后隔板3和后隔离套7后的对应位置开设8个孔径相同的轴向通孔，且沿圆周方向均匀分布，并用8个长螺栓19固定；前法兰18外侧安装3个前直板皮碗20，前直板皮碗20之间及前直板皮碗20外侧安装前隔板21，前法兰18、前直板皮碗20、前隔离套17和前隔板21对应位置开设8个孔径相同的轴向通孔，且沿圆周方向均匀分布，并用8个长螺栓19固定。在前法兰18、节流滑阀16和前隔离套17的对应位置开设6～8个相同的孔，此孔为节流孔24，并沿前法兰18圆周方向均匀分布。在后法兰5、后直板皮碗4和后隔板3对应位置开设6～8 个孔径相同的轴向通孔，并沿圆周方向均匀分布，此通孔为后法兰泄流孔32。在前法兰18、前直板皮碗20和前隔板21对应位置开设6～8个孔径相同的轴向通孔，并沿圆周方向均匀分布，此通孔为前法兰泄流孔23。节流孔24的长度及宽度、前法兰泄流孔23和后法兰泄流孔32的直径大小可根据油气管道内检测器的尺寸大小，管道内介质的不同，及管道内介质的压力、流量及速度大小的不同来确定。

驱动组件B的特征在于：叶轮保护架2沿圆周方向开设8个通孔，使其和后隔板3、后直板皮碗4、后法兰5、后隔离套7通过8个长螺栓19连接。叶轮1和空心转轴9之间通过螺纹连接，空心转轴9一端分别和后法兰5的中心孔通过2个角接触球轴承连接，和后隔离套7通过1个深沟球轴承连接，另一端和前法兰18之间通过1个角接触球轴承连接。空心转轴9的一端开设6～8个转轴径向孔31，空心转轴中心孔28和前法兰中心孔22连通，这样介质会通过后法兰泄流孔32进入后隔离套内腔30，再通过转轴径向孔31进入空心转轴中心孔28，然后进入到前法兰中心孔22，通过节流孔24进入前隔离套内腔25，然后介质通过前法兰泄流孔23流出。因此，圆柱筒8内部形成密闭空间，没有介质流入且内部承载空间大，可搭载精密检测装置。

调速组件C的特征在于：在空心转轴9的连杆凸台10上铰接后连杆11,滑阀套筒15上铰接前连杆14，后连杆11和前连杆14铰接到平衡块13；平衡块13和弹簧固定套筒27之间用拉伸弹簧12连接，弹簧固定套筒27和空心转轴9之间间隙配合，由于弹簧固定套筒27和空心转轴9之间是间隙配合，弹簧固定套筒27既可绕空心转轴9转动，又可沿其轴向移动；滑阀套筒15和节流滑阀16之间设置2个角接触球轴承，在前法兰18后端的孔轴向对应位置开设6～8个相同的滑槽26，且沿圆周方向均匀分布；节流滑阀16安装在前法兰18的滑槽26内，外部安装前隔离套17，前隔离套17通过长螺栓19固定到前法兰18上。当通过泄流孔的流量增大时，介质流速增大，叶轮1带动空心转轴9的转速会增大，在离心力的作用下，平衡块13会使拉伸弹簧12伸长，带动滑阀套筒15运动，使节流滑阀16左移，进而使得节流孔24面积减小，起到节流作用，管道内检测器前后压差增加，达到调速的目的。可根据油气管道内检测器的尺寸大小、管道内介质的不同、介质的压力、流量及速度大小的不同，来确定调速机构的组数，一般为4～8组，且沿空心转轴9的圆周方向均匀分布。

各组件之间的连接特征在于：支撑组件A和驱动组件B的连接是通过空心转轴9和后法兰5之间的2个角接触球轴承连接，和后隔离套7是通过1个深沟球轴承连接；和前法兰18之间通过1个角接触球轴承连接。调速组件C和驱动组件B的连接是通过前连杆14和空心转轴9上的连杆凸台10铰接。调速组件C和支撑组件A的连接是通过滑阀套筒15和节流滑阀16之间的2个角接触球轴承。

本发明所涉及一种油气管道内检测器速度控制实现方法的特征在于：

图2为叶轮1在管道中的运行进行模型简化，运用动量分析理论作为计算叶轮1推力和力矩的方法，其原理就是叶轮1将吸收的流体动能转换为自身的机械能。将叶轮1在管道中的运行进行模型简化，根据介质经过叶轮1时的流速可计算出叶轮1和驱动组件B的转速n。如图3所示，并假设：1)叶轮1无偏航角、倾斜角和锥度角，简化为平面桨盘；2)叶轮1叶片旋转时无摩擦阻力；3)叶轮1模型简化为一单元流管，如图3所示；4)叶轮1前后静压相等，即前后P_前＝P_后；5)作用在叶轮1上推力均匀分布；6)叶轮1后无尾流旋转。

由图2模型根据动量方程，可得叶轮1轴向力计算式

F_轴＝m(v₁-v₂) (1)

式中：m为流经叶轮1流体流量，v₁为介质流经叶轮1前的速度，v₂为介质流经介质后的速度。

作用在叶轮1上轴向力与前后压强关系为

F_轴＝A(P_前-P_后) (2)

式中，叶轮1转动平面面积为A，介质流经叶轮1前面的静压为P_前，介质流经叶轮1后面的静压为P_后。

根据伯努利方程，则有

通过叶轮1介质流速为介质通过叶轮1前后介质流速平均值V_T。引入叶轮1处介质速度轴向诱导因子α₁，得到

轴向诱导因子α₁可以表示成

α₁＝1-(V₁+V₂)/2V₁ (5)

若流经叶轮1的介质流体动能全部被吸收，那么V₂＝0，轴向诱导因子

α₁取得最大值1/2时，那么实际中的α₁值必定在0～1/2之间。

由能量方程知，叶轮吸收介质流体能量为经过叶轮1前后介质能量差，即叶轮1功率P：

式中，ρ为介质密度。

将式(6)变为

P＝2ρAV_T ³α₁(1-α₁ ²) (7)

式(7)中当时，叶轮计算功率P出现极值：

P_max＝8ρAV_T ³/27 (8)

相应可得知，其功率系数也取得最大值，即

实际状态下叶轮1后流场是旋转状态，假设条件依然成立情况下，将叶轮1旋转面进行微分，可得

作用在整个叶轮1上的轴向力为

作用在叶轮1上的转矩为：

由式(8)和式(11)可得调速组件B的转速为

式中，R为叶轮1半径。

图3为驱动组件B和调速组件C的简化模型。可根据驱动组件B的某一瞬时转速，计算出节流孔24的泄流面积，根据流量与压差的关系，计算出管道内检测器前后压力差，进而计算出内检测器的推力大小。

当空心转轴9转速为0时,调速组件C的起始位置为ABC。取平衡块13质量为m，后连杆11和前连杆14的长度均为a、后连杆11和前连杆14的质量均为m_a，连杆凸台10到滑阀套筒15的中心距离AC长度为L₀，空心转轴9的外径为R₀，连杆凸台10的高度为b，弹簧固定套筒27的壁厚为b,拉伸弹簧12的自由长度为X₀，弹性系数为k，节流孔24的宽度为c，运行时间t。当空心转轴9在以角速度为ω旋转时，由于离心力的作用，调速组件C位置为AB'C',连杆凸台10到滑阀套筒15的中心距离AC'长度为L_ω，拉伸弹簧12长度为X_ω,节流孔的长度为L₀,节流滑阀16移动距离C'C的长度为L，每个节流孔24的开口面积为S_ω。在管道内检测器内部共有4组调速组件C和8个节流孔。

根据离心力公式可求得

在旋转过程中，由于平衡块13、后连杆11和前连杆14的重力对拉升弹簧11的影响非常小，可忽略不计，计算式(1)可简化为

由公式(14)可计算出节流滑阀16移动距离C'C为

由公式(15)可近似计算出每个节流孔24的泄流面积为

若前法兰泄流孔的流量为Q，管道流量系数为μ，泄流管路的结构参数系数为K_r，介质密度为ρ，管道内检测器前后压差为ΔP，则有流量计算式为

由式(5)可近似计算出管道内检测器前后压差为

若管道内检测器横截面积为S，由式(18)，可计算出管道内检测器前后压力差为

本发明具有的有益效果是：(1)通过叶轮旋转调节节流孔开度，改变管道内检测器前后压差，实现速度可控，其机械结构简单，响应速度快，成本低，安全稳定，可广泛的应用于管道清管器、管道智能检测机器人等装备。。(2)圆柱筒内部的设备舱为密闭空间，没有介质流入，可承载精密检测设备。(3)速度控制结构不依赖蓄电池能源，可适用于长距离石油管道清管及检测作业。(4)本发明所涉及的油气管道内检测器速度控制实现方法具有计算结果精度高、计算方法简单方便等优点，为计算管道内检测器在不同工作环境中的运行速度提供了一种便捷的计算方法。。

附图说明

图1为本发明油气管道内检测器用速度控制器的结构简图。

图1中：叶轮(1)、叶轮保护架(2)、后隔板(3)、后直板皮碗(4)、后法兰(5)、螺栓(6)、后隔离套(7)、圆柱筒(8)、空心转轴(9)、连杆凸台(10)、后连杆(11)、拉伸弹簧(12)、平衡块(13)、前连杆(14)、滑阀套筒(15)、节流滑阀(16)、前隔离套(17)、前法兰(18)、长螺栓(19)、前直板皮碗(20)、前隔板(21)、前法兰中心孔(22)、前法兰泄流孔(23)、节流孔(24)、前隔离套内腔(25)、滑槽(26)、弹簧固定套筒(27)、空心转轴中心孔(28)、设备舱(29)、后隔离套内腔(30)、转轴径向孔(31)、后法兰泄流孔(32)。

图2为叶轮1在管道中的运行进行模型简化。

图3为本发明油气管道内检测器用速度控制器的调速组件C简图。

图3中：当空心转轴9转速为0时,调速组件C的起始位置为ABC。平衡块13质量为m，后连杆11和前连杆14的长度均为a、后连杆11和前连杆14的质量均为m_a，连杆凸台10到滑阀套筒15的中心距离AC长度为L₀，空心转轴9的外径为R₀，连杆凸台10的高度和弹簧固定套筒27的壁厚均为b,拉伸弹簧12的自由长度为X₀，弹性系数为k，节流孔24的宽度为c，运行时间t。当空心转轴9在以角速度为ω旋转时，由于离心力的作用，调速组件C位置为AB'C',连杆凸台10到滑阀套筒15的中心距离AC'长度为L_ω，拉伸弹簧12长度为X_ω,节流孔长度L_ω，节流滑阀16移动距离C′C的长度为L。

具体实施方式

本发明是一种油气管道内检测器速度控制器及速度控制实现方法,其支撑组件A和驱动组件B的连接是通过空心转轴9和后法兰5之间的2个角接触球轴承连接，和后隔离套7是通过1个深沟球轴承连接；和前法兰18之间通过1个角接触球轴承连接。调速组件C和驱动组件B的连接是通过前连杆14和空心转轴9上的连杆凸台10铰接。调速组件C和支撑组件A的连接是通过滑阀套筒15和节流滑阀16之间的2个角接触球轴承。

油气管道速度控制器在油气管道内运行时，介质会通过后法兰泄流孔32进入后隔离套内腔30，再通过转轴径向孔31进入空心转轴中心孔28，然后进入到前法兰中心孔22，通过节流孔24进入前隔离套内腔25，最后介质通过前法兰泄流孔23流出。当介质流经叶轮1时，会带动叶轮1转动，带动驱动组件B转动,从而带动调速组件C转动，进而调节节流孔24的大小。

速度控制器在运行过程中，当速度控制器前后压差减小，介质推力减小，导致内检测运行速度减小时，则通过泄流孔介质的流量增大，经过叶轮1介质的流速会增大，从而导致叶轮1带动调速组件C的转速会增大，在离心力的作用下，平衡块13会使拉伸弹簧12伸长，带动滑阀套筒15运动，使节流滑阀16左移，进而使得节流孔24面积减小，起到节流作用，管道内检测器前后压差增加，从而增加速度控制器的推力。

当速度控制器前后压差增大，介质推力增大，导致内检测器速度增大时，则通过泄流孔的流量减小，经过叶轮1介质的流速会减小，从而导致叶轮1带动调速组件C的转速会减小，在离心力的作用下，平衡块13会使拉伸弹簧12伸长，带动滑阀套筒15运动，使节流滑阀16右移，进而使得节流孔24面积增大，起到泄流的作用，管道内检测器前后压差减小，从而减小速度控制器的推力，达到调速的目的。

本发明所涉及的速度控制实现方法：图2为叶轮1在管道中的运行进行模型简化，运用动量分析理论作为计算叶轮推力和力矩的方法，根据介质经过叶轮1时的流速可计算出叶轮1和驱动组件B的转速。计算过程如下：

通过叶轮1介质流速为介质通过叶轮1前后介质流速平均值。引入叶轮1处介质速度轴向诱导因子α₁，得到

式中，ρ介质密度，A为叶轮扫过面积，V_T为介质平均流速。

由能量方程知，叶轮吸收介质流体能量为经过叶轮1前后介质能量差，即叶轮1计算功率P出现极值：

P_max＝8ρAV_T ³/27 (2)

相应可得知，其功率系数也取得最大值，即

实际状态下叶轮1后流场是旋转状态，假设条件依然成立情况下，将叶轮1旋转面进行微分，可得

作用在整个叶轮1上的轴向力为

作用在叶轮1上的转矩为：

由式(2)和式(5)，可得驱动组件B的转速为

式中，R为叶轮1的半径。

图3为调速组件C的简化模型。可根据图2驱动组件B简化模型的某一瞬时转速n，计算出节流孔24的泄流面积，根据流量与压差的关系，进而计算出管道内检测器前后压力差。

当空心转轴9转速为0时,调速组件C的起始位置为ABC。取平衡块13质量为m，后连杆11和前连杆14的长度均为a、后连杆11和前连杆14的质量均为m_a，连杆凸台10到滑阀套筒15的中心距离AC长度为L₀，空心转轴9的外径为R₀，连杆凸台10的高度为b，弹簧固定套筒27的壁厚为b,拉伸弹簧12的自由长度为X₀，弹性系数为k，节流孔24的宽度为c，运行时间t。当空心转轴9在以角速度为ω旋转时，由于离心力的作用，调速组件C位置为AB'C',连杆凸台10到滑阀套筒15的中心距离AC'长度为L_ω，拉伸弹簧12长度为X_ω,节流孔的长度为L₀,节流滑阀16移动距离CC'的长度为L，每个节流孔24的开口面积为S_ω。在管道内检测器内部共有4组调速组件C和8个节流孔。

在旋转过程中，由于平衡块13、后连杆11和前连杆14的重力对拉升弹簧11的影响非常小，可忽略不计，根据离心力公式，计算式为

由公式(7)可计算出节流滑阀16移动距离C'C：

由公式(8)可近似计算出每个节流孔24的泄流面积为

若前法兰泄流孔的流量为Q，管道流量系数为μ，泄流管路的结构参数系数为K_r，介质密度为ρ，管道内检测器前后压差为ΔP，若管道内检测器横截面积为S，可计算出管道内检测器前后压力差为

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种油气管道内检测器用速度控制器，其特征在于包括：支撑组件A、驱动组件B、调速组件C三部分；支撑组件A包括：圆柱筒、后法兰、前法兰、后直板皮碗、前直板皮碗、后隔板、前隔板、螺栓和长螺栓；驱动组件B包括：叶轮、叶轮保护架和空心转轴；调速组件C包括：后连杆、前连杆、平衡块、拉伸弹簧、弹簧固定套筒、节流滑阀、滑阀套筒、滑槽、后隔离套和前隔离套；

支撑组件A的特征在于：圆柱筒一端安装后法兰,另一端安装前法兰,圆柱筒、后法兰和前法兰对应位置开设多个轴向通孔，且沿圆周方向均匀分布，并用螺栓固定；后法兰外侧安装3个后直板皮碗,后直板皮碗之间及后直板皮碗与叶轮保护架之间安装后隔板，后法兰、后直板皮碗、后隔板和后隔离套后的对应位置开设多个孔径相同的轴向通孔，且沿圆周方向均匀分布，并用长螺栓固定；前法兰外侧安装3个前直板皮碗，前直板皮碗之间及前直板皮碗外侧安装前隔板，前法兰、前直板皮碗、前隔离套和前隔板对应位置开设多个孔径相同的轴向通孔，且沿圆周方向均匀分布，并用长螺栓固定；在前法兰、节流滑阀和前隔离套的对应位置开设6～8个相同的孔，此孔为节流孔，并沿前法兰圆周方向均匀分布；在后法兰、后直板皮碗和后隔板对应位置开设6～8个孔径相同的轴向通孔，并沿圆周方向均匀分布，此通孔为后法兰泄流孔；在前法兰、前直板皮碗和前隔板对应位置开设6～8个孔径相同的轴向通孔，并沿圆周方向均匀分布，此通孔为前法兰泄流孔；

驱动组件B的特征在于：叶轮保护架沿圆周方向开设通孔，使其和后隔板、后直板皮碗、后法兰、后隔离套通过长螺栓连接；叶轮和空心转轴之间通过螺纹连接，空心转轴一端分别和后法兰的中心孔通过2个角接触球轴承连接，和后隔离套通过1个深沟球轴承连接，另一端和前法兰之间通过1个角接触球轴承连接；在空心转轴的一端开设4～8个转轴径向孔，空心转轴的中心通孔和前法兰中心孔连通，这样介质会通过后法兰泄流孔进入后隔离套内腔，再通过转轴径向孔进入空心转轴中心孔，然后进入到前法兰中心孔，通过节流孔进入前隔离套内腔，然后介质通过前法兰泄流孔流出；圆柱筒内部形成密闭空间；

调速组件C的特征在于：空心转轴的连杆凸台上铰接后连杆,滑阀套筒上铰接前连杆，后连杆和前连杆铰接到平衡块；平衡块和弹簧固定套筒之间用拉伸弹簧连接，弹簧固定套筒和空心转轴之间间隙配合，由于弹簧固定套筒和空心转轴之间是间隙配合，弹簧固定套筒既能够绕空心转轴转动又能够沿其轴向移动；滑阀套筒和节流滑阀之间设置2个角接触球轴承，在前法兰后端的孔轴向对应位置开设6～8个相同的滑槽，且沿圆周方向均匀分布；节流滑阀安装在前法兰的滑槽内，外部安装前隔离套，前隔离套通过长螺栓固定到前法兰上；当通过泄流孔的流量增大时，介质流速增大，叶轮带动空心转轴的转速会增大，在离心力的作用下，平衡块会使拉伸弹簧伸长，带动滑阀套筒运动，使节流滑阀左移，进而使得节流孔面积减小；

支撑组件A和驱动组件B的连接是通过空心转轴和后法兰之间的2个角接触球轴承连接，和后隔离套是通过1个深沟球轴承连接；和前法兰之间通过1个角接触球轴承连接；调速组件C和驱动组件B的连接是通过前连杆和空心转轴上的连杆凸台铰接；调速组件C和支撑组件A的连接是通过滑阀套筒和节流滑阀之间的2个角接触球轴承。

2.应用如权利要求1所述控制器的进行速度检测的方法，其特征在于：

根据动量方程，得叶轮轴向力计算式

F_轴＝m(v₁-v₂) (1)

式中：m为流经叶轮流体流量，叶轮转动平面面积为A；

作用在叶轮上轴向力与前后压强关系为

F_轴＝A(P_前-P_后) (2)

根据伯努利方程，则有

通过叶轮介质流速为介质通过叶轮前后介质流速平均值；引入叶轮处介质速度轴向诱导因子α₁，得到

轴向诱导因子α₁表示成

α₁＝1-(V₁+V₂)/2V₁ (5)

α₁值在0～1/2之间；

由能量方程知，叶轮吸收介质流体能量为经过叶轮前后介质能量差，即叶轮功率P：

将式(6)变为

P＝2ρAV_T ³α₁(1-α₁ ²) (7)

式(7)中当时，叶轮计算功率P出现极值：

P_max＝8ρAV_T ³/27 (8)

相应可得知，其功率系数也取得最大值，即

将叶轮旋转面进行微分，得到作用在整个叶轮上的轴向力为

作用在叶轮上的转矩为：

由式(8)和式(11)得到调速组件B的转速为

式中，R为叶轮半径。