CN109226128A - 一种智能控速的叶片式清管器 - Google Patents

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彭川
袁鹏
曹鸣谦
王志文
徐嘉豪
吕端阳
青鹏
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    • B08B9/027—Cleaning the internal surfaces; Removal of blockages
    • B08B9/04—Cleaning the internal surfaces; Removal of blockages using cleaning devices introduced into and moved along the pipes
    • B08B9/053—Cleaning the internal surfaces; Removal of blockages using cleaning devices introduced into and moved along the pipes moved along the pipes by a fluid, e.g. by fluid pressure or by suction
    • B08B9/055—Cleaning the internal surfaces; Removal of blockages using cleaning devices introduced into and moved along the pipes moved along the pipes by a fluid, e.g. by fluid pressure or by suction the cleaning devices conforming to, or being conformable to, substantially the same cross-section of the pipes, e.g. pigs or moles
    • B08B9/0551—Control mechanisms therefor

Abstract

本发明涉及一种智能控速的叶片式清管器，主要由钢质叶片，里程轮，芯轴，电机，单片机，泄流装置等构件组成。所述钢质叶片设计若干片，围绕芯轴设置若干叶片层，叶片层受弹簧预设压力紧贴管壁进行刮削清管，利用叶片可在阻力下的收缩能力避免卡堵；同时围绕芯轴设有若干里程轮，里程轮记录位移，通过速度传感器转化为速度信号传递给单片机，单片机控制电机做功，电机控制泄流挡板转动，从而调整清管器前后压差，来降低速度。相较以往的常规清管器，本发明在价格更低的同时，保障清管效率更高，有效防止清管器卡堵和清管速度过快而引发爆管。

Description

一种智能控速的叶片式清管器
技术领域
本发明涉及一种智能控速的叶片式清管器，涉及油气集输领域。
背景技术
目前，天然气长输依赖管道输送，其中清管流程是维护管道安全，保障输送介质顺利通行的重要工艺，在实际清理管道的过程中，最普遍的工程难题是清管器在管道中易卡堵，清管器在前进的过程发生卡堵的原因有很多。首先，清洗皮碗过盈量超量、皮碗撕裂脱落、皮碗密封性差，导致压力泄露；其次，管道内壁环面在实际工况中，并不是标准的光滑曲面，存在毛刺、凹坑等缺陷，阻碍清管器运行；同时，输送介质中累积的固体杂质附着于管壁，这会增加清管器在管道中运行的摩擦力；清管到后期管段动力不足，无法克服清管阻力。
清管器的运行速度由前后压差直接决定，现今建成的大口径、高压、大流量的长输天然气管道，介质流速已经超过5m/s，瞬间速度可达到25m/s以上，因此在管道大落差或者管道走向突变处，清管器容易冲破管道，造成严重的集输事故。目前，行业内对清管器减速装置研究不够深入，研究方向普遍在清管器选材和结构上进行改良，但效果并不明显。本发明设计一款能够智能控制速度的泄流装置，能降低成本且自动调节清管器前后压差，从而有效控制清管器运行速度。
发明内容
本发明目的是为了克服市场现有清管器清管过程中易卡堵和速度波动较大，提供了一种智能控速的叶片式清管器，可以有效解决清管器卡堵困难，同时控制清管器运行速度，保障管道安全。
本发明所采用的技术方案是：
本发明一种智能控速的叶片式清管器，主要由防撞头，连接螺栓，支撑皮碗，隔离皮碗，钢质叶片，聚氨酯片，里程轮，弹簧片，滑块，叶片环，连杆，滑道，芯轴，里程轮环，电机，单片机，速度传感器，压力传感器，联轴器，泄流轴，泄流孔板，泄流挡板等构件组成。优选的，在每一层叶片环之间，可采用弹性刚度较强的聚氨酯片连接，增强叶片环的密封性。在该装置中，设计4层钢质叶片刮板代替清洗皮碗进行主要清管，每层叶片环有6片扇形叶片，叶片根部连接叶片环固定于清管器筒体；每片叶片尾部用连杆连接滑块，滑块内设压力传感器，滑块另一侧连接弹簧片，随着叶片收到阻力收缩，弹簧片被挤压，压力传感器捕捉压力变化；叶片环中间设计固定芯轴，围绕芯轴安装4个里程轮，里程轮内部安置速度传感器，记录清管器行程和速度；芯轴内部安置单片机，收集压力信号和速度信号；清管器筒体内部用连杆连接固定小型电机，电机两侧分别通过联轴器连接2根泄流轴；泄流轴尾部连接固定泄流板；清管器两端的挡板设计孔口，用于泄压控速。
本发明的主要优点：
1、叶片式清管器在结构设计上有效克服传统皮碗清管器的卡堵难题，利用叶片受阻时的收合能力顺利通过卡堵区段，同时弹簧片选取上，根据叶片受到阻力选择刚性弹簧，遇到阻力较小时维持叶片张开，确保清管器的清管效率；
2、在智能控速的设计中，以单片机的速度程序为核心，在清管器在大落差、初始阶段压力过大等工况下，能够调整压差和阻力的关系，从而做到有效减速。
附图说明
图1是本发明一种智能控速清管器的结构示意图。
图2是图1(A—A)剖视图。
图3是图1左视图。
图4是泄流装置的原理结构图。
图中：1.防撞头，2.连接螺栓，3.支撑皮碗，4.隔离皮碗，5.钢质叶片，6.聚氨酯片，7.里程轮，8.弹簧片，9.滑块，10.叶片环，11.连杆，12.滑道，13.芯轴，14.里程轮环，15.电机，16.单片机，17.速度传感器，18.压力传感器，19.联轴器，20.泄流轴，21.泄流孔板，22.泄流挡板
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1、图2、图3所示，本发明是一种防卡堵且智能控速的清管器，主要由钢质叶片5，聚氨酯片6，里程轮7，弹簧片8，芯轴13，电机15，单片机16，速度传感器17，压力传感器18，泄流轴20，泄流孔板21，泄流挡板22组成。
具体地，本发明用于投产前，先根据预算的清管压力，给弹簧片8预设一个压缩量，弹簧张力通过滑块9、连杆11传递给钢质叶片5，该预设压缩量提供给钢叶片5支撑力，保证钢质叶片5沿着管道径向有足够的支撑力，使得包裹钢质叶片5尾端的聚氨酯片6能够紧密地贴合管壁，确保清管过程中的清管效率。
具体地，本发明用于投产中，钢质叶片6组成的清洗环代替清洗皮碗，其刮削式的清管方法可以提高清管效率。在清管过程中受弹簧片8的支撑作用下保持张开，紧密贴合管壁。在运行过程中，遇到凸坑或者管壁上难以刮削的污垢，钢质叶片5受到该类影响的阻力，当阻力大于弹簧片8预设压力时，钢质叶片5向着芯轴13方向收缩，同时附带的收合力通过连杆11推动滑块9在滑道内平移滑动，连接滑块9的弹簧片8受压力压缩，该过程可以保障清管器绕过凸坑、凹陷或难以刮削的管段部分，从而有效避免卡堵。
可选地，滑块9内设计有压力传感器18，当弹簧片8所受压力超过预设的阈值，则压力传感器可以将信号记录于芯轴内部的单片机16，作为后期管道完整性检查的判断依据。
具体地，本发明在智能控速功能设计简便且高效。清管器运行中，速度受前后压差力和运行阻力控制，由动量方程可得清管器的运动方程为：
mdv＝(P1A-P2A-f-Gsinα)dt (1)
式中m—清管器的质量(kg)；
v—速度(m/s)；
P1—清管器后端压力(Pa)；
P2—清管器前端压力(Pa)；
A—管道横截面积(m2)；
f—阻力(N)；
G—清管器的重力(N)；
α—管道相对于水平面的倾斜角，范围为-90°～90°；
t—时间(s)。
里程轮7紧贴管壁，同时连接着里程轮7的速度传感器17记录清管器的实时速度。具体地，芯轴内部设计有电机15和固定其上的单片机16，预先计算清管器的正常工作速度范围，将单片机16依据正常工况速度范围编写程序，设定阈值区间。清管器两侧设计有泄流装置，主要由泄流孔板21、泄流挡板22构成。电机15通过联轴器19连接泄流轴20，泄流轴20和泄流挡板22轴心固定。
具体地，清管器清管运行时，里程轮7获取的里程数据被速度传感器17转化为速度信号，再传输给单片机16。具体地，初始状态，泄流挡板22对合泄流孔板21，清管器受前后压差力推动加速，由于清管器的非完全密封性，泄流量约为33％，此时清管器受前后压差推力有
F＝δ(P)×A (2)
式中F—清管器所受推推力(N)；
δ(P)—清管器两侧压差，范围为-90°～90°；
A—清管器受压面积(m2)
当速度超过阈值上限，单片机16控制电机15工作，使泄流轴20和泄流挡板22顺时针转动90°，使得泄流孔板21露出孔口，此时清管器控制泄流量上升至60％，前后压差大幅减小，同时受到管壁、杂质的阻力影响，清管器速度减小，当速度减小至工作速度时，速度传感器17将信号传输给单片机16，单片机16发出工作指令，电机15控制泄流轴20、泄流挡板22再次顺时针转动90°，使泄流挡板22重新对合泄流孔板21，此时清管器再次成为封闭状态，在前后压差作用下继续加速运行。至此，本发明完成智能控速的一个周期。
可选地，本发明设计有4层钢质叶片5替代清洗皮碗层，可根据清洗效率，增设或减少叶片环层。
可选地，本发明设计中，围绕芯轴设计了4个里程轮7，里程数取其测取的平均数，以保障与实际清管距离接近，减少误差，同时为了保证里程轮在弯管处、变径处等情况下脱离管壁，可设计弹簧连接里程轮，提供支撑力。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，例如芯轴的尺寸、叶片环的数量、弹簧片的预设压量等，均可根据实际操作进行设计计算。本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此主要目的将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种智能控速的叶片式清管器，主要由钢制叶片5，聚氨酯片6，里程轮7，弹簧片8，芯轴13，电机15，单片机16，速度传感器17，压力传感器18，泄流轴20，泄流片21，泄流挡板22等主要构件所组成，其特征在于：所述的清管器的芯轴13上设计有钢制叶片5作为清洗层，钢制叶片5根部固定在叶片环10上，叶弧尾端套装聚氨酯片6，钢制叶片5和弹簧片8通过连杆11、滑块9连接固定，围绕芯轴13设计里程轮7，固定在里程轮环14上，里程轮7内部安装速度传感器17；芯轴13内部，通过固定轴安设电机15，电机上连接单片机16，通过联轴器19连接泄流轴20，泄流20末端连接泄流挡板21，芯轴13两侧则是由泄流孔板22封装。
2.根据权利要求1所述的一种智能控速的叶片式清管器，其特征在于：钢制叶片5代替传统皮碗形式，叶片的收合方向与清管器前进方向相反。
3.芯轴和叶片的总长度要略大于管道直径，且叶片与管壁初始收合夹角为10°，最大收合时与管壁夹角为30°；钢质叶片的厚度一般选定为3mm。
4.根据权利要求1所述的一种智能控速的叶片式清管器，其特征在于：清管器最小长度与管道直径满足LMIN＝1.1D。
5.根据权利要求1所述的一种智能控速的叶片式清管器，其特征在于：滑块9内部安设压力传感器18，压力传感器18和单片机16连接，传输压力信号。
6.根据权利要求1所述的一种智能控速的叶片式清管器，其特征在于：里程轮7数量可根据管径进行调整，可以连接弹簧，保障里程轮7贴紧管壁；速度传感器17与单片机16连接。
7.根据权利要求1所述的一种智能控速的叶片式清管器，其特征在于：泄流挡板22板宽大于或等于泄流孔板21的孔宽。
8.根据权利要求1所述的一种智能控速的叶片式清管器，其特征在于：电机15连接的泄流轴处于清管器轴心线，控制泄流挡板22转动角度相同。
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