管道檢測機器人速度控制方案及數(shù)學模型研究

1、差壓式管道內(nèi)檢測機器人速度變化分析及速度控制研究目 錄1 緒論. 11.1 研究意義. 11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀. 51.3現(xiàn)有差壓式管道機器人速度控制存在的問題. 121.4 差壓式管道機器人動力學的研究. 141.5本文研究的方法及技術(shù)路線. 171.6論文主要研究內(nèi)容. 171.6本章小結(jié). 182 差壓式管道內(nèi)檢測機器人運行狀態(tài)研究基礎(chǔ)理論. 192.1 基本控制方程. 192.2數(shù)值離散方法. 212.3 湍流模型. 252.4速度、壓力耦合算法. 312.5近壁面邊界處理方法. 332.6小結(jié)：. 353水平直管內(nèi)差壓式管道機器人速度波動過程研究. 363.1差壓式管道機器人基本模

2、型. 363.2水平直管內(nèi)管道機器人運動過程動力學分析. 373.3 水平直管內(nèi)機器人運動過程模擬仿真. 403.4模擬結(jié)果. 463.4 2不同直徑機器人對管道內(nèi)流場的影響. 483.4 2不同直徑機器人對其速度的影響. 493.5小結(jié). 534 “U”型管道內(nèi)機器人速度波動過程研究. 544.1 長距離管道特點. 544.2 “U”型管道內(nèi)機器人動力學分析 . . 544.3 U型管道內(nèi)機器人運動過程模擬仿真 . . 614.4小結(jié). 745 差壓式管道檢測機器人速度控制方案及數(shù)學模型研究. 755.1 管道機器人速度波動產(chǎn)生的原因. 755.2 速度調(diào)節(jié)方案. 765.3 傳感器的選擇.

3、 784.4 速度控制數(shù)學模型. 856 差壓式管道內(nèi)檢測機器人速度智能控制系統(tǒng)設(shè)計. 896.1控制系統(tǒng)方案設(shè)計. 896.2模糊PID 控制基礎(chǔ)理論 . 936.3 模糊PID 控制器設(shè)計 . 966.4 仿真實驗. 1041 緒論1.1 研究意義近幾十年來，隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展和能源需求的急劇增加，作為五大運輸方式中最經(jīng)濟的管道運輸，在電力、石油、化工、天然氣和市政工程中得到了廣泛應用1。目前，我國管道里程9.3萬公里，覆蓋全國的油氣管網(wǎng)初步形成。預計到2015年，我國油氣管道的建設(shè)里程將達到15萬公里左右2。由于管線輸送量大、受道路和地形的限制小、不依賴道路，不受道路擁擠的影響、目標

4、小，易偽裝、輸油比較安全等原因，管道和管線在我軍后勤油料保障中也占據(jù)中重要的位置。如格爾木拉薩輸油管線不光為駐藏部隊保障了邊防、訓練和生活用油，還提供了西藏地區(qū)的絕大部分生產(chǎn)、生活用油，為支援西藏、建設(shè)西藏作出了巨大的貢獻；列裝的野戰(zhàn)管道，快速展開后連接后方基地油庫和前線野戰(zhàn)油庫（站），成為為前線輸送油料的生命線，是戰(zhàn)時油料保障的殺手锏；各個基地油庫內(nèi)連接油罐、泵房和收發(fā)棧臺間的管道，擔負了我軍油料的儲備、中轉(zhuǎn)和補給任務(wù)，是平時油料保障的大動脈。所有這些管線和管道和其他供油裝備一起構(gòu)成了我軍油料的保障力量，為“謀打贏”提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。管道在整個服役期間，其發(fā)生事故的概率都遵循“浴盆曲線”

5、。3如圖1：即事故多發(fā)的初始階段、穩(wěn)定的工作階段和管道老化的失效階段。在初始階段，由于制造缺陷、安裝缺陷、材料缺陷等在制造與安裝階段未能被及時充分發(fā)現(xiàn)，導致發(fā)生事故的概率高。在穩(wěn)定的工作階段，由于上述缺陷在初始階段被充分暴露并得到及時的處理，管道發(fā)生事故的概率相對較低，但一些腐蝕缺陷與損傷缺陷也在逐步積累。在失效階段，腐蝕損傷、材料老化以及疲勞等導致管道承載能力低，發(fā)生事故的概率又逐漸增大。圖1 管道理論失效速率曲線Fig. 1 Theoretical pipeline failure rate curve我國的油氣管道相當一部分建于上世紀六、七十年代。隨著時間的推移，管道因受電化腐蝕、流體沖

6、刷、疲勞破壞、管材潛在缺陷、自然和人為因素的影響，可能發(fā)生管徑變化、腐蝕穿孔和機械裂紋等問題，不同程度的影響到管道的正常運行，導致輸送效率降低、堵塞泄露，甚至引起火災爆炸等惡性事故的發(fā)生4。特別是長輸石油管道多埋在地下1.5m 2m ，長度由數(shù)百至數(shù)千公里，在長期運行中，長輸高壓管道一旦出現(xiàn)泄漏、爆管惡性事故發(fā)生，不僅造成經(jīng)濟上的巨大損失影響社會生產(chǎn)的正常運行，還會對生態(tài)環(huán)境和人們的生命安全構(gòu)成巨大威脅。近年來，國外有許多管道事故發(fā)生。1999年，華盛頓州的貝靈漢由奧林匹克管道運輸公司管理的管道因為破裂發(fā)生汽油管道爆炸，兩人喪生，燒毀大面積樹林；2000年，新墨西哥州卡爾斯巴德附近的天然氣管道

7、因為腐蝕發(fā)生爆炸，導致12人喪生。19852000年間，美國油氣管道共發(fā)生事故8814次，年平均發(fā)生事故294 次。統(tǒng)計結(jié)果表明：外部影響、腐蝕、焊接和材料缺陷是引發(fā)管道事故的主要原因，腐蝕原因占22%郎需慶，趙志勇，宮宏，等油氣管道事故統(tǒng)計分析與安全運行對策J 安全技術(shù)，2006，6( 10: 15-17。俄羅斯（前蘇聯(lián)）在19811990這10年間，由于各種原因造成的輸氣管道事故總次數(shù)為752次，造成事故的主要原因為腐蝕，占39.9%；【倪曉陽，周剛俄羅斯石油開采和長輸油氣管道的事故分析及對中國的啟示J 地質(zhì)科學情報，2005，24( B07 : 59-68】。2007年，歐洲輸氣管道事故

8、數(shù)據(jù)組織( EGIG ，對其管轄維護的19702007年運行的輸氣管道進行事故調(diào)查，該次調(diào)查管線總暴露為3.15×106km ·年，共發(fā)生事故1172次，平均事故發(fā)生率為0. 37次/1000 km·年。該調(diào)查顯示，腐蝕是管道發(fā)生事故的三大主要因素之一?！竞鸁裘?，駱暉國內(nèi)外天然氣管道事故分析J.石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2009( 9 : 8-12】。我國的油氣管道事故也時有發(fā)生。2001年3月，東北某石油公司通過埋地管線輸送柴油，作業(yè)4小時，發(fā)現(xiàn)管線 事故概率焊接接頭處出現(xiàn)環(huán)形斷裂曾多禮，成品油管道的安全問題及對策，油氣儲運，V ol.23，No.9，45-47，200

9、4。眾所周知，距離最近的是2013年11月22日，青島黃島經(jīng)濟開發(fā)區(qū)中石化黃濰輸油管線泄露引發(fā)特別重大爆燃事故，造成62人遇難，166人不同程度受傷，直接經(jīng)濟損失7.5億元人民幣，對周邊海域造成了嚴重的環(huán)境污染。我軍的管線雖然沒有發(fā)生重大事故，但因腐蝕造成的“跑”、“冒”、“滴”、“漏”問題也比較突出。統(tǒng)計數(shù)字顯示，國內(nèi)六成油氣管道服役超過20年，已進入事故多發(fā)期，并呈逐年上升勢頭。油氣管道事故率平均3次/1000公里·年，遠高于美國的0.5次/1000公里·年、西歐的0.25次/1000公里·年以及俄羅斯的0.46次/1000公里·年?！就跣? 長輸管

10、道事故案例統(tǒng)計分析及對策研究J. 廣州化工.2013(7:233-235】。針對油氣管道日益突出的安全問題，迫切需要加強對管道工作狀態(tài)的了解和掌握，及時發(fā)現(xiàn)并處理出現(xiàn)的各種缺陷隱患，減少甚至避免事故的發(fā)生。對于已出現(xiàn)的管道缺陷，處理方法一般有三種：修理、修復、更換。這三種管道處理方法的投資情況為1.26，50，100(萬美元/km【周德敏，何仁洋，劉長征等. 關(guān)于埋地管道檢驗檢測的必要性及建議J.化工設(shè)備與管理.2010（12）51-53】。由此可見，成本最低的措施是管道修理，而且管道修理是事前主動維修，與事后被動維修相比，它很大程度上減少甚至阻止了油氣泄漏，安全性更高，造成的后果更小。文獻【

11、鄭賢斌，陳國明. 基于結(jié)構(gòu)可靠性的腐蝕管道檢測與維修優(yōu)化J.壓力容器.2006（11）:29-32】研究表明，在滿足管道結(jié)構(gòu)可靠性與工作壽命的前提下，選取合適的檢測維修方案，可以達到最佳的經(jīng)濟性與可靠性。管道檢測是管道維修決策的前提，只有通過檢測得到了第一手數(shù)據(jù)資料后，對管道進行安全評估的相關(guān)工作才能展開，對管道的修理地點和時間才能確定。如果沒有檢測，會由于情況不明，使領(lǐng)導作出錯誤決策，盲目報廢某些管道再建新管道，造成嚴重的浪費。目前，隨著計算機技術(shù)、傳感技術(shù)的廣泛普及與應用，國內(nèi)外管道檢測技術(shù)發(fā)展迅猛，逐步形成了管道內(nèi)、外檢測技術(shù)兩個分支。管道外檢測主要通過挖坑達到檢測外防腐層的完整性、陰極

12、保護有效性、電流腐蝕等缺陷的目的。涂層破損檢測技術(shù)有很多種，但不管哪種都要在管道上施加電信號，對于管體未與大地接觸的部分露管涂層破損處，因信號不能經(jīng)大地回流而無法查找得到；因屏蔽作用，也不適用于加套管的穿越管線；對于人員無法接近的管段，不能進行密間隙檢測和直接檢查；所有技術(shù)都不能判定涂層是否剝離。【陳敬和，何悟忠，郭莘. 埋地長輸管道外檢測技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J.管道技術(shù)與設(shè)備.2011（4）:1-5】管道內(nèi)檢測技術(shù)主要用于檢測管道內(nèi)外腐蝕、局部變形以及焊縫裂紋等缺陷，也可簡介判斷涂層的完整性，具有經(jīng)濟、便捷、快速的優(yōu)點，適用于公路、鐵路、海洋、城市等外檢測技術(shù)無法靠近的區(qū)域的管道，實現(xiàn)對管道的

13、全面檢測。【劉海峰，胡劍，楊俊. 國內(nèi)油氣長輸管道檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢J.天然氣工業(yè).2004（11）:147-150】魏書義. 國內(nèi)油氣長輸管道檢測技術(shù)發(fā)展探析J.硅谷.2013(5:56,99管內(nèi)檢測機器人是在管內(nèi)極限環(huán)境中順利運動并進行作業(yè)的機電一體化裝置，可以攜帶測徑儀器、CCD 攝像頭、超聲波傳感器、渦流傳感器、漏磁傳感器等設(shè)備同步前進，完成管道缺陷檢測。差壓式管道內(nèi)檢測機器人依靠流體壓能和動能產(chǎn)生的推力，隨著管內(nèi)流體的流動而運動，不需要額外能源供應，是一種比較理想的檢測裝置。與其他類型機器人相比，依靠流體推動的差壓式管道內(nèi)檢測機器人，在結(jié)構(gòu)特點、能源供應、作業(yè)效果、制造及維護成

14、本等方面都有很大的優(yōu)勢，很大程度上可以解決油氣管道的檢測問題，在管道內(nèi)檢測機器人研究中往往被優(yōu)先選用?！緩埮啵钪?，等差壓式管道內(nèi)檢測機器人啟動過程模擬仿真J后勤工程學院學報，2011(1： 35-40】在已有的管道檢測機器人研究領(lǐng)域中，關(guān)注較多的是機器人本身的機械設(shè)計、外形優(yōu)化、驅(qū)動原理與實現(xiàn)以及信號獲取與處理等方向，對機器人在管道流場下的運動規(guī)律與運動控制研究較少。然而機器人在管內(nèi)流場的作用下順利啟動、穩(wěn)定運行是完成檢測任務(wù)的前提。一次完整而又良好的檢測結(jié)果，不僅僅需要機器人在流體提供的足夠驅(qū)動力的作用下驅(qū)動機器人前進，通過各種坡度的管道以及管道內(nèi)的變形區(qū)域和附件，還要保證使得機器人運行

15、穩(wěn)定、速度可控，減少流場對它的損害?，F(xiàn)行的介質(zhì)差壓式管道內(nèi)檢測機器人為了獲得足夠的驅(qū)動力，往往在兩端安置密封圈（碗），使壓力差達到極大。這樣的結(jié)構(gòu)雖然可以獲得大驅(qū)動力，但是存在存在兩個明顯的缺點。其一，定心效果不好影響檢測精度。機器人在管道中行進時，密封圈（皮碗）與管道壁之間是滑動摩擦，磨損量比較大，而且由于機器人截斷了管內(nèi)流場，不能從流場中獲得平衡重力的外力，故機器人密封圈（皮碗）下方的磨損更為嚴重，長時間運行磨損后難以保證機器人軸線與管道軸線重合，嚴重影響定心效果，如管道局對陜京線檢測運行100.6km 后發(fā)現(xiàn)，皮碗上部唇邊厚15mm ，下部僅剩9mm （新皮碗唇邊厚35mm ）23。如果

16、定心效果不好，不管是用漏磁還是超聲波檢測，都會影響檢測的精度，嚴重時還會導致信號失真。其二，流場參數(shù)波動導致機器人速度波動較大而失控。由于機器人截斷了管內(nèi)流場，管道內(nèi)壁存在各種缺陷，且管內(nèi)輸送流體具有高壓力、大流量等特性，流場中任何一個參數(shù)的變化都會全部作用在機器人上，使得機器人速度不十分穩(wěn)定，特別對于油料這類不可壓縮介質(zhì)，受流場的影響更大，使其可控性大大降低。機器人的速度在較大范圍內(nèi)波動時，會出現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)處理困難、檢測設(shè)備損毀、機器人定位不準等現(xiàn)象。檢測傳感器從發(fā)射到接受檢測信號需要一定的時間，因此管道內(nèi)壁的缺陷被傳感器檢測所產(chǎn)生的信號完整度，除了受檢測信號的采樣寬度與采樣頻率影響

17、外，機器人在管道內(nèi)的運行速度對其影響也很大。在傳感器采樣頻率和采樣寬度不變的情況下，當機器人運動速度過快時，會出現(xiàn)傳感器檢測覆蓋管道不完整的情況，造成漏檢、誤檢測等問題，如圖所示；當機器人運動速度過慢時，則在檢測記錄的結(jié)果中會有較多的重疊部分，如圖所示，這樣不但耗時長、效率低，還會造成存儲資源的浪費，特別是會對后期數(shù)據(jù)處理帶來更大的困難。國內(nèi)外石油行業(yè)對機器人的檢測速度都有明確的規(guī)定，如國外資料顯示一般的MFL 漏磁腐蝕檢測所允許的最大運行速度為4.5 m/s(16.2 km/h，國內(nèi)石油行業(yè)推薦標準SY/T6383-1999中也提出機器人的運行速度應控制在1218 km/h23。當機器人運行

18、速度異常大時，容易造成機器人在通過起伏管道、變形管道以及管道附件時檢測設(shè)備與管道發(fā)生撞擊，出現(xiàn)檢測設(shè)備損毀，甚至機器人卡堵等事故。此外，機器人運行速度的忽快忽慢，容易使得測量機器人行走距離的里程計出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，造成里程計量的缺失，大大影響了機器人對管內(nèi)缺陷定位的準確性。 圖 運動速度過快 圖 運動速度過慢因此，控制機器人的運行速度使其在合理穩(wěn)定的速度范圍內(nèi)運行，勢必成為油氣管道內(nèi)檢測過程中提高管道檢測精度、降低安全事故、提高缺陷定位準確性所面臨的問題。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（1）理論方面研究狀況為了掌握輸氣管道內(nèi)檢測器的運行規(guī)律，國外從20世紀60年代即開始了相關(guān)研究，并提出運行模型。1988

19、年，Kohda 等人提出了第一個完全以瞬態(tài)兩相流方程為基礎(chǔ)的內(nèi)檢測器運行模型，該模型能夠預測內(nèi)檢測器的位置隨時間變化規(guī)律；但該模型應用了固定坐標系，并使用穩(wěn)態(tài)的壓降、持液率關(guān)系式描述相間滑脫，使得模型的實際應用受到限制。Nieckde 等人開發(fā)了一個涵蓋了向周圍環(huán)境熱傳導的一維壓縮流體方程，并且給出了兩個不同的摩擦力策略決定內(nèi)檢測器處于停止或者移動狀態(tài)。該模型也被稱為“skip/slip”模型。韓國學者Nguyen 和Kim 等人建立了基于一維流體方程(只有質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程 完成了單一泄流孔的內(nèi)檢測器在管道流場中運行狀態(tài)的模型, 并且成功的應用了特征值方法在常規(guī)的矩形網(wǎng)格里求解了流場

20、方程。Runge-Kutta 方法也被應用于內(nèi)檢測器運行方程Rahe 和Weingarten 等人研究了有、無泄流孔狀態(tài)下內(nèi)檢測器在氣體管道中半穩(wěn)態(tài)下運行特點。PipelineResearch 發(fā)了多個計算模型, 這些模型不僅可以處理內(nèi)檢測器動態(tài)行為并且也可以檢測管線上的組件, 例如水平直管道上的徑向偏差、彎曲度、密封件等。Esmaeilzadeh 等人開發(fā)了氣體管道和液體管道兩個不同的模型。首先假設(shè)內(nèi)檢測器的速度與流場的前行速度一致，因而忽略了泄流現(xiàn)象的發(fā)生。使用逆特征線法解決了一維流場方程，同時使用了標注的Runge-Kutta 方法求解了內(nèi)檢測器移動方程。Azevedo 等人研究了簡化外

21、形的內(nèi)檢測器非壓縮、半流動狀態(tài)流體通過外形簡化的內(nèi)檢測器泄流孔的課題。使用了動態(tài)流場計算軟件和有限元仿真軟件來計算出內(nèi)檢測器運行狀態(tài)。同時提供了實驗數(shù)據(jù)進行驗證。Kruyer 等人使用分析方法求解了管線中無限長柱狀液體傳播的問題。Compo 和Rachid 等人為不可壓縮瞬態(tài)流體開發(fā)了簡單模型。Lima 等人用一維模型分析了天然氣管道內(nèi)清管器的運行情況。Tolmasquim 等人根據(jù)氣體內(nèi)檢測器在管道內(nèi)的兩流體瞬態(tài)流動進行了仿真得到了相應的模型, 在仿真過程中假設(shè)兩種流體符合牛頓定律且為理想氣體的等溫過程。（2）實際應用方面20世紀50年代，美、英、法、德、日等國家相繼投入巨資開展了以長距離管

22、道的清理及檢測為目的的自動機械的研究，并取得了舉世矚目的成果。20世紀80年代初，隨著自動化技術(shù)、微電子技術(shù)以及計算機技術(shù)的發(fā)展，國外管道檢測機器人發(fā)展迅速，其無損檢測技術(shù)和速度控制技術(shù)的自動化、智能化和多樣化水平能夠滿足復雜的檢測需求，并得到了廣泛的實際應用。美國Weatherford 公司開發(fā)了一種用于檢測管道幾何缺陷的多通道管徑檢測機器人。在流體的驅(qū)動下，該機器人速度可以達到4 m/s，最大行走距離720km ，最長運行時間200h 。機器人安裝了36個彈性支撐臂，每個支撐臂上都有高性能傳感器，可以精確檢測管道內(nèi)壁幾何缺陷的位置、大小、輪廓以及缺陷程度等信息。這樣，不但提高了檢測的信息含

23、量，36個彈性臂的周向均勻布置也提高了機器人的速度穩(wěn)定性。機器人安裝了兩組里程輪，每個里程輪單獨記錄數(shù)據(jù)，在較大程度上提高了缺陷的定位精度，缺陷的定位誤差小于2%8。 圖2-1 多通道管徑檢測機器人Fig.2-1 Multichannel diameter inspection robot英國HAPP 公司Stoltze B 研制了一款差壓式管道清理機器人，利用機器人兩端的流體壓力差為機器人提供驅(qū)動力并為管道進行清洗9。該機器人包括制動、密封和清洗三個單元。實踐證明，機器人不但清洗效果好，還能較好的通過管道三通、彎頭、焊縫等。但其制動單元是通過剎車元件與管壁的摩擦來實現(xiàn)的，摩擦力較大且不能調(diào)節(jié)

24、，因此機器人的行走速度較低（流體速度的1/60），速度的大小也不能調(diào)節(jié)。此外，該機器人不具備壓力調(diào)節(jié)功能。 圖2-2 管道機器人制動單元Fig.2-2 Brake unit of pipeline robot英國第二管道有限公司與美國管內(nèi)服務(wù)公司合作開發(fā)了在高流速條件下能實現(xiàn)速度控制的管道機器人。機器人允許流體從機器人內(nèi)部流過，通過智能化的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)內(nèi)部節(jié)流閥的開度來實現(xiàn)對機器人的速度調(diào)節(jié)。該機器人于2011年12月在路易斯安那進行了場地實驗，整個天然氣管道直徑為42”，長度71.1英里（114.4千米）。在運行過程中，天然氣的平均流速為22km/h，機器人的行駛平均速度為7.3 km/h（

25、約2m/s），調(diào)速盤閥門開度為77%。實驗結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)，機器人速度穩(wěn)定性較好，具有較好的調(diào)節(jié)能力10。 圖2-3 高流速速度自控管道機器人Fig.2-3 High-velocity speed self-control pipeline robot德國ROSEN 公司開發(fā)了多種智能化、集成化流體驅(qū)動式管道檢測機器人，聯(lián)合管內(nèi)無損檢測技術(shù)，合理搭配使用幾個功能模塊，構(gòu)成多種產(chǎn)品，以滿足不同檢測需求11-13。機器人的功能模塊主要包括:（1）速度控制模塊。多數(shù)管內(nèi)檢測機器人理想行走速度為1m/s5m/s。然而高壓高速管道內(nèi)，流體流速可達15m/s，機器人速度很不穩(wěn)定。速度控制模塊含有一個旁通

26、閥，通過調(diào)節(jié)旁通閥的開度來調(diào)節(jié)速度。旁通閥的開度由該模塊根據(jù)傳感器檢測速度信號和壓力信號，通過一定的控制算法來調(diào)節(jié)。（2）幾何檢測模塊。通過非接觸方式安裝位置傳感器和距離傳感器，其檢測精度比傳統(tǒng)接觸式傳感器更高，可有效檢測管道彎曲、凹凸、腐蝕等幾何缺陷。（3）漏磁檢測模塊。在該模塊周向均勻布置多塊永磁鐵，為了避免管道內(nèi)雜質(zhì)和碎片損毀檢測傳感器，用橡膠刷覆蓋永磁鐵，漏磁檢測模塊主要用于應力腐蝕檢測。（4）電磁超聲換能器檢測模塊。利用電磁超聲換能器探測管壁裂紋和涂層脫落情況。 圖2-4 德國ROSEN 流體驅(qū)動式管道檢測機器人Fig. 2-4 Germany ROSEN fluid-driven

27、type pipeline inspection robot挪威石油公司，管道清理技術(shù)公司，F(xiàn)TL 密封技術(shù)公司和管道研究有限公司聯(lián)合研制了一款能夠適應多管徑，可雙向運行的差壓式管道機器人。該管道機器人主要用于清理管線試運行或排空時殘留的流體14?；窘Y(jié)構(gòu)如圖2-5所示，機器人上對稱安裝了兩組支撐輪結(jié)構(gòu)，用于防止機器人出現(xiàn)偏心現(xiàn)象造成流體泄露。機器人兩端的對稱過盈裝配了一個密封圈，可以實現(xiàn)雙向運行。為了防止轉(zhuǎn)彎時兩端密封圈出現(xiàn)間隙而造成流體泄漏，在中間位置的安裝了一個密封圈。2009年3月，該機器人在挪威的Alve 輸氣管進行了現(xiàn)場實驗，管線全長15.7km ，管道內(nèi)徑變化范圍為257mm 3

28、20mm 。機器人行走速度為0.03 m/s 0.08m/s。在機器人到達終點之后，施加反向壓力，機器人最終回到了起點。實驗表明，該機器人具有一定管徑適應能力，雙向運行能力，密封能力都較好。然而，該機器人行走速度較低，且不具備速度控制能力，彎管通過性不穩(wěn)定，曾發(fā)生卡滯現(xiàn)象。 圖2-5 多管徑雙向運行管道機器人Fig.2-5 Multi-diameter,BI-Directional pipeline robot俄羅斯學者Podgorbunskikh A M和Loskutov V E等人完成了裝備有速度自控模塊的管內(nèi)檢測機器人對管內(nèi)缺陷檢出率的實驗。國內(nèi)管道機器人的研究起步較晚，在國家863計劃

29、和國家自然科學基金委的資助下，許多院校和研究所開展了卓有成效的工作、取得了一系列的成果，達到了一定的應用水平。（1）理論方面研究狀況國內(nèi)的一些高校和科研機構(gòu)管道在油氣管道內(nèi)檢測機器人運行速度對檢測效果以及機器人速度控制方面開展了相應的研究工作。清華大學黃松嶺，趙偉等人研發(fā)了天然氣管道缺陷檢測器泄流裝置。遼寧石油化工大學的呂平等人建立了清管器前端塞流動的特征參數(shù)計算模型、動態(tài)數(shù)學模型并進行了數(shù)值模擬，得出清管過程中管線的壓力分布和清管器在管內(nèi)的運行規(guī)律，從而為跟蹤清管球在管內(nèi)的運行和混輸管路的管理提供了理論依據(jù)。中國石油大學（華東）綦耀升、張立軍等人研究了皮碗式油氣管道內(nèi)檢測物理模型，推導出在水

30、平管道平穩(wěn)運移條件下皮碗的結(jié)構(gòu)參數(shù)與驅(qū)動壓差間的關(guān)系【。后勤工程學院孟浩龍、李著信等人運用牛頓力學與CFD 軟件結(jié)合的方法，進行流場數(shù)值計算，為機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了所應注意的方面。中國石油大學（北京）耿等人提出了清管器速度控制方案，進行了速度可控清管器的結(jié)構(gòu)設(shè)計】。分析了該清管器的工作過程, 認為其在管道內(nèi)的速度可以控制在預定范圍內(nèi)，但機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化，旁通孔計算以及清管器在管道內(nèi)運行時可壓縮流體的數(shù)值模擬等技術(shù)問題仍需深入探索。李漢勇，宮敬等人利用數(shù)值仿真手段完成了水試壓后輸氣管道的清管過程瞬態(tài)分析。（2）實際應用方面研究現(xiàn)狀廣州工業(yè)大學李鍛能、楊宜民等研究了一種利用流體能量驅(qū)動和發(fā)電的管道機

31、器人，根據(jù)機器人的速度和它自身的重量、管道流體的速度、機器人與管道間的間隙、制動機構(gòu)中的滑靴與管壁之間的摩擦因數(shù)等的關(guān)系，設(shè)計出該機器人的速度控制機構(gòu)，并建立了一個速度智能控制的基本模型15。機器人基本結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，傘狀的牽引機構(gòu)（圖3-2）通過調(diào)節(jié)變速翼與管壁的間隙對流體進行節(jié)流，起到牽引與調(diào)速的作用，制動機構(gòu)（圖3-3）通過改變滑靴與管壁之間的摩擦力達到調(diào)節(jié)控制機器人速度的目的。此外，采用葉輪發(fā)電原理，將流體的動能轉(zhuǎn)化為蓄電池的動能，為機器人各部件的工作提供能源。但是，這種機器人只適用于大口徑、高流速的管道，對于小口徑、低流速的管道不適用。 圖3-1 流體驅(qū)動管道機器人的基本結(jié)構(gòu)圖F

32、ig.3-1 Fluid-driven pipeline robot's basic structure 北華大學張玉峰設(shè)計的流體驅(qū)動管道機器人采用皮碗作為機器人的驅(qū)動裝置16。調(diào)速裝置（圖3-4）采用盤式節(jié)流調(diào)速機構(gòu)，安放在驅(qū)動皮腕中部，由定圖3- 流體驅(qū)動管道機器人制動機構(gòu) Fig.3-2 Fluid-driven pipeline robot's brake structure 圖3-2 流體驅(qū)動管道機器人牽引機構(gòu)Fig.3-2 Fluid-driven pipeline robot'stracte structure盤和動盤組成，盤上分別開有節(jié)流孔，通過動盤的轉(zhuǎn)

33、動來改變孔的大小。根據(jù)機器人兩端的壓差自動控制節(jié)流孔的開度來達到控制機器人速度的目的，實現(xiàn)了機器人不因環(huán)境的變化而產(chǎn)生較大的速度波動。但是，由于調(diào)速盤的執(zhí)行響應的延時性及機器人的速度慣性，當管壁摩擦力發(fā)生較大變化時，容易產(chǎn)生速度波動。 圖3-4 驅(qū)動及節(jié)流調(diào)速機構(gòu)簡圖Fig.3-4 Driven and throttle speed control structure diagram哈爾濱工業(yè)大學王文飛、唐德威設(shè)計了一種具有速度控制功能的新型機器人驅(qū)動單元17。驅(qū)動單元實物模型如圖3-5所示。研究了其速度波動機理，引用振動減摩原理，建立了節(jié)流調(diào)速理論模型，并完成了調(diào)速裝置實物模型的設(shè)計與制作，

34、通過搭建實驗平臺驗證了該驅(qū)動單元調(diào)速的準確性與合理性，為差壓式管道機器人的進一步研究提供了理論基礎(chǔ)。 圖3-5 機器人驅(qū)動單元實物模型Fig.3-5 Physical model of robot driven units2011年我國重要的輸氣管道干線西氣東輸二線自主研制的大口徑管道內(nèi)檢測設(shè)備，在西氣東輸二線烏拉泊至煙墩段管徑為1219mm 輸氣管道的現(xiàn)場測試獲得成功，填補了我國大口徑、高壓力輸氣管道內(nèi)檢測設(shè)備研制的空白。綜上所述，現(xiàn)有的差壓式管道檢測機器人速度控制方法主要有三種，一種是調(diào)節(jié)介質(zhì)輸送量來滿足機器人速度控制的要求。【站壓調(diào)節(jié)】這種方法是針對輸氣管道，通過改變加壓站兩端的運行壓力

35、參數(shù)來進行調(diào)節(jié)，不但影響流體輸送效率，還對起伏管道和密封圈（皮碗）磨損的情況，由于作用在機器人上驅(qū)動力變化，其運行速度就難以預測，因此還要采取其他措施來控制。另一種是通過設(shè)置節(jié)流機構(gòu)調(diào)節(jié)機器人兩端壓差來實現(xiàn)對機器人的速度控制。這種方法使機器人的速度可控性大大增加，但在高壓力、大流量輸送條件下，對下坡管道，特別是垂直下坡管道，可能出現(xiàn)開啟最大節(jié)流孔時，機器人的速度依然過大，此時，這種方法就無法實現(xiàn)對機器人速度的有效控制。第三種方法是設(shè)置制動機構(gòu)調(diào)節(jié)機器人與管壁之間的摩擦力來調(diào)節(jié)機器人的速度。這種方法對下坡管道內(nèi)機器人速度控制很有效，但當機器人速度過慢時，其調(diào)速有效性也將消失。據(jù)現(xiàn)有的文獻報道，對

36、水平管道內(nèi)機器人速度分析與控制研究較多，且主要集中于機器人在流體驅(qū)動下的啟動運動規(guī)律研究，很少有系統(tǒng)性的完成機器人在水平管道、傾斜管道內(nèi)的啟動運動規(guī)律以及速度波動規(guī)律研究。在速度控制方面，控制方法較為單一、速度控制算法智能化水平還不夠高，機器人速度可控性還有大幅提升的空間?？傮w上，國內(nèi)管道內(nèi)檢測機器人研究起步較晚，發(fā)展迅速，但離商品化、系列化、規(guī)?；囊筮€較遠，亟待解決的問題較多。而且由于國內(nèi)部分老管線在設(shè)計、施工時不規(guī)范，有些地方不適合現(xiàn)行的管道內(nèi)檢測機器人運行，需要國內(nèi)研究人員來解決。1.3現(xiàn)有差壓式管道機器人速度控制存在的問題經(jīng)過多年的研究，隨著控制理論的發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)在管道機器人速

37、度控制領(lǐng)域取得了大量的研究成果，其速度控制技術(shù)應用水平大幅提升，但是對于差壓式管道機器人的速度控制的大規(guī)模實用化還有一定的差距，主要存在以下幾個方面的問題：差壓式管道機器人是利用流體能量推動機器人前行，其內(nèi)部各部件工作需要的能源目前有兩種來源：一是攜帶蓄電池，二是利用流體能量發(fā)電。這兩種方案除了增加機器人的體積與質(zhì)量的共同缺點外，各自還有相應的弱點：蓄電池能量儲存有限，并受電池質(zhì)量、充電工藝等因素的影響，因此機器人的一次作業(yè)行走距離仍然受限制，否則機器人就面臨著有去無回的危險。而利用流體能量發(fā)電方案的問題是，對于自身耗電量較大的機器人，利用流體能量發(fā)電獲得的電量可能難以滿足機器人各部件工作的需

38、要，可能造成工作部件的失靈。因此，給機器人提供持續(xù)、穩(wěn)定、有效的能源是其得以廣泛應用一個非常重要的前提。檢測機器人在管道內(nèi)的實際速度的采集是對其速度實施準確有效的控制的基本保證。目前，在機器人無法取得與地面的通訊聯(lián)系的條件下，針對無纜長距離油氣輸送管道，國內(nèi)外還沒有有效的方法獲取機器人的實時速度。大多數(shù)管道機器人是通過安裝一個或多個里程輪進行速度測量，并將測量值反饋給控制系統(tǒng)。但經(jīng)驗表明，管道在運行一段時間后，管道內(nèi)壁會出現(xiàn)“結(jié)蠟現(xiàn)象”，以及因流體流速的不斷變化，會造成機器人的速度變得忽快忽慢等。這些因素往往會使里程輪出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象，導致速度測量值的不準確性。速度測量值與機器人實際速度值之間

39、的誤差大小，可以通過對里程輪信號進行算法優(yōu)選，或者與其他速度傳感器（如加速度傳感器）測量到的數(shù)據(jù)進行融合來減小，但是無法從根本上消除。對于管道內(nèi)部復雜多變的環(huán)境，現(xiàn)有的速度控制系統(tǒng)智能化水平還不夠全面，主要包括：（1）延時問題當速度傳感器檢測到機器人速度偏離設(shè)定值時，執(zhí)行機構(gòu)響應需要一定時間，包括信號的傳輸、計算、處理以及執(zhí)行元件的響應。此外，機器人速度的慣性，也使得速度的控制出現(xiàn)滯后。（2）多干擾問題在實際的工作過程中，影響管道機器人速度的干擾因素多而復雜。包括，摩擦阻力的變化、管內(nèi)流體流速的變化以及管道傾斜角度的變化等，這些干擾因素有時單一出現(xiàn)，有時疊加出現(xiàn)。因此，需要控制系統(tǒng)針對這些干擾

40、因素產(chǎn)生的速度變化進行準確的響應。水平管道內(nèi)機器人的速度控制較為簡單，在傾斜或豎直上下坡管道內(nèi)對速度的控制就變得十分的復雜。例如，在豎直下坡管道，在節(jié)流降速后，機器人的速度還是可能高于機器人設(shè)定的安全速度，這就需要控制系統(tǒng)同時對機器人實施剎車降速。因此，采用先進的控制算法并與多傳感器的硬件相結(jié)合，形成高智能化控制系統(tǒng)，才能為提高管道機器人的速度控制水平打下良好的基礎(chǔ)。（3）非線性和時變性問題。實踐表明，上述干擾因素在管道機器人運行的過程中出現(xiàn)的幅值與時間都是隨機的，沒有特定的大小和時變規(guī)律，具備非線性和時變性。因此，需要速度控制系統(tǒng)發(fā)出的信號使得執(zhí)行元件有適量適時的響應。1.4 差壓式管道機器

41、人動力學的研究介質(zhì)差壓式管道機器人沒有自主的驅(qū)動力，主要靠機器人前后端流場的壓力差來推動其運行，因此受流場影響較大，其一切動力學特性均取決于管內(nèi)流場；而且機器人的存在也會改變流場，引起流場不可預見的變化，此點最應關(guān)注的是機器人周圍流場會否發(fā)生空化。如前所述，因為機器人在結(jié)構(gòu)設(shè)計時往往使密封圈（皮碗）有過盈量，能全封閉管道截面，截斷介質(zhì)流動或者只有很小的泄漏量，又控制輸送量可使機器人勻速或準勻速向前運行，忽略機器人的慣性力，因此就可以用比較簡單的公式來推導其動力學方程。目前分析機器人的動力學特性，預測出機器人在管內(nèi)運動的速度主要有以下三類方法，其中第一類是針對管道機器人的，后兩類是針對清管器的，

42、由于清管器和管道機器人在結(jié)構(gòu)和運動原理上都與管道機器人是很相似的的，因此清管器的動力學分析模型也可用于管道機器人動力學性能分析。此法是最簡單的計算方法，由于機器人截面與管道截面有過盈量，于是可假設(shè)機器人前方的壓力為0，則機器人所受的推力為：PS f F =式中：F 為驅(qū)動力；f 為摩擦力；P 是管內(nèi)壓力；S 為機器人的截面積3。速度由管道的輸送量來控制，只要提供足夠的管內(nèi)壓力來平衡機器人的摩擦力，即可以推動機器人前行。文獻用此方法對660管道運行的速度進行了分析，計算了不考慮氣體泄漏和考慮氣體泄漏時的機器人速度公式。 不考慮氣體泄漏：864Q v S P= 式中：Q 為管內(nèi)流量；v 是機器人的

43、平均運行速度；S 為管道內(nèi)徑橫截面積；P 為平均工作壓力。 考慮氣體泄漏：(11v vA v A A =-式中：v 為泄流后的流速；v 為氣體流速；A 為管道內(nèi)徑截面積；1A 為泄流孔面積；1v為氣體速度，其表達式為：v =，其中P 為機器 人前的壓力，0p 為機器人后的壓力，取1.4，a = 文獻以一維準穩(wěn)態(tài)描述了機器人在天然氣管道內(nèi)的運動過程，給出了清管器在確定位置時流體的狀態(tài)和機器人的運動，共提出了7個控制方程：機器人上下游、機器人中空段的連續(xù)方程和動量方程，以及作用在機器人上的力平衡方程：(2210i i h PM P d M d x +-+-=(2210e e h P M P d M

44、 d x -+-=0h h P M P M -+-=(2211142ln 0i p i M f x l M M M +-= (2211142ln 0p e e M f L x M M M - -= 22411111ln ln 02h h h h h h h f l M x M x d x M x M x x M x xM +-+-+-= - (22/4f h mx P P D d F F +-=-+式中：P 為管內(nèi)壓力；m 為機器人質(zhì)量；x 為機器人在管內(nèi)的位置；M 為氣體的馬赫數(shù)；為氣體的比熱；D 為管道內(nèi)徑；d 為機器人中孔直徑；L 為管道長度；l 為機器人長度；上標+、分別表示機器人上游

45、和下游；下標, , i e h 分別表示管道入口、出口和機器人中孔；f 是摩擦系數(shù)；F 是摩擦力；用后向差分離散機器人坐標x 來將微分方程組轉(zhuǎn)換為非線性代數(shù)方程，求解這一方程組即可得出機器人在管內(nèi)的連續(xù)的位置。文獻分析了帶有溢流閥機器人運行速度隨時間的變化關(guān)系，它從單相絕熱氣體的非穩(wěn)態(tài)流體動力學出發(fā)，建立了管內(nèi)流體應滿足的四個準一維基本方程：連續(xù)方程、動量方程、狀態(tài)方程和能量方程，再將四個雙曲型偏微分方程用特征線法轉(zhuǎn)化成常微分方程：1du c dp dx E u c dt p dtxt +=+沿 2-du c dp dx E u c dt p dtxt =沿 23-du dp dx c E u

46、 dt dt xt =沿 式中：c =為波速，p 為流體壓力，為流體密度，為流體的比熱；A m S=，為管道的平均水力直徑，A 為管道截面積，S 為管道周長；(c e x tq C T T =-，為每單位面積管壁上的熱流，c C 是對流熱傳導系數(shù)，, ext T T 分別為海底和流體的溫度； (,Re f f F F k =，為單位管道長度上的摩擦力，是管壁粗糙度k 和流體雷諾數(shù)的函數(shù)；u 是流體速度；(1111f F u q E c m A c -=+-；(2111f F u q E c m A c -=-+；(31f F u q E m A =-+ 。 以穩(wěn)態(tài)流場為初始條件，用有限差分法離

47、散后，得到任意時間t 和所對應位置x 上的離散方程，并求得結(jié)果。此后，再建立機器人的動力學方程：(22p fp b d x t dx t M C Kx t F t F t F t dt dt+=- 式中：M 為機器人的質(zhì)量；C 是線性阻尼系數(shù)；K 為機器人的剛度系數(shù)；驅(qū)動力(p F t 由流場計算結(jié)果來求得；(, fp b F t F t 是機器人受到的摩擦力和制動力。機器人動力學方程可以用龍格庫塔法來求解，求解后得到機器人的位置和速度。以上三類計算方法都是基于一維或準一維流場的，而且只分析了機器人（清管器）在流體推力的驅(qū)動下向前運行的過程，沒有對機器人的存在對管內(nèi)流場的影響。從機器人在管內(nèi)運

48、行的機理來看，機器人在流場的推動下運行，但是機器人的存在也改變了流場的分布，流場通過機器人周圍時，會產(chǎn)生劇烈的三維擾動，這些文獻中都沒有分析。而且機器人周圍流場的分布情況是機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)，特別對于液體介質(zhì)來說，當壓力低于介質(zhì)的汽化壓強時，介質(zhì)就會造成空化現(xiàn)象，產(chǎn)生大量的氣泡，這些氣泡潰滅時產(chǎn)生的高壓、聲、光、電和化學作用都會引起對機器人和管壁的破壞，因此在機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計時很有必要考慮會否發(fā)生空化及空化條件，而要弄清這些因素需要詳細分析機器人周圍流場分布。1.5本文研究的方法及技術(shù)路線實驗是解決一切問題的最基本且有效的方法，介質(zhì)差壓式管道機器人在介質(zhì)推動下運動，是一個流固耦合問題，更需要大量的實驗來探索機器人在管內(nèi)運行的規(guī)律。從上世紀60年代起，流體實驗技術(shù)已有很大的發(fā)展，象各種流動顯示技術(shù)、激光測速和熱線技術(shù)的智能化，為研究機器人在管內(nèi)運動提供了前所未有的實驗手段。盡管實驗是研究的最基本且有效的方法，但是實驗研究費用高、耗時長、可重復性較差。對于管道機器人來說，由于其在受限空間內(nèi)運動，流場信息和機器人運動參數(shù)的測量更加困難。而且取得的結(jié)果只能說明某種機器人結(jié)構(gòu)的結(jié)果，一旦結(jié)構(gòu)改變，就必須重新實驗，通用性較差。相比之下，基于流體力學的數(shù)值仿真具有耗費少、時間短、省人力、重復性好、條件易控等優(yōu)點，比實驗研究更自由、更靈活、結(jié)果更詳細，并且還能模擬高溫、易爆、有毒等