输气管道内检测器设计及理论研究

摘要

管道内检测器是一种对长输管道进行在线无损检测的有效设备，随着西气东输、川气东送工程的投入使用，我国长输天然气管道的安全成为影响国计民生的重要因素，因此，开展在线输气管道内检测器研究意义重大。由于天然气的可压缩性和干燥性，实现内检测器的平稳运移和磁路设计，成为达到输气管道检测精度要求的关键。本文从上述两个关键问题为切入点，对其驱动运移、检测系统等内检测器的主要部分进行了理论分析和实验研究。建立了不同驱动皮碗结构在不同管路状态下运移的动力学方程，制作了运移装置模拟实验台，对输气管道内检测器检测系统进行了设计和优化，建立了现场模拟试验系统，对现场实验样机进行了检测实验，通过研究认为：
　　 使用漏磁检测技术对输气管道缺陷进行内检测是可行的，通过分析输气管道缺陷形成的机理和缺陷信号的特征，对干燥高压气体环境下的检测系统进行研究和设计，解决了管壁内、外缺陷的识别问题，优选并验证了磁化器和传感器的提离值，对周向励磁检测技术进行了理论探讨和数值模拟并提出了非均匀磁场内缺陷信号的判读和修正办法；经现场试验验证，该技术对漏磁信号的采集和对缺陷的识别能够满足输气管道的要求，可以检出直径大于2毫米、深度大于1.5毫米或直径大于3毫米，深度大于1毫米的以上的管道缺陷；提出并验证了内检测器最佳的检测速度区间，管道缺陷的检出率随着检测器移动速度的增加而降低，当检测器移动速度大于4m/s时，其检出率急剧下降，对输气管道进行内检测，速度控制是完成有效检测的关键。
　　 建立了不同结构驱动器的运动动力学分析模型，深入研究了常规驱动皮碗、弹性底板驱动皮碗、伞型驱动皮碗等皮碗结构、压差与驱动器运移状态的关系，得到：常规和弹性底部皮碗驱动器在水平管路内运移时，皮碗的唇部结构、材料选择和管路障碍是影响检测器稳定运行的显著因素；在起伏管路内，皮碗唇部悬臂梁长度L对稳定运行的影响最显著；如果刚度、推动压差、唇部悬臂梁长度L不变，内检测器可以在水平管道内平稳运移，但难以实现在起伏管路内稳定运移；通过合理的改进驱动器唇部和底部的刚度，可以实现在给定的压差和有限起伏高度内，内检测器在给定的速度范围内稳定运动的要求；采用新型伞状变刚度驱动皮碗，可以在更大起伏高度内实现内检测器稳定运行的目的。
　　 设计制造了可供现场模拟检测实验用的试验台和Ф1016输气管道内检测器原型机，进行了工业输气条件下的现场模拟试验。现场试验表明：检测器的运移速度控制是输气管道内检测的关键，通过驱动皮碗可以实现检测器在起伏20度以内的输气管道的速度控制，通过统计分析所采集的模拟缺陷的样本，验证了缺陷与漏磁信号之间的定量关系，内外伤识别的可行性，检出率与速度的关系以及磁路设计的合理性，为输气管道内检测器的设计提供理论依据和设计模板。

目录

文摘

英文文摘

创新点摘要

第一章 绪论

1.1 本文研究的目的和意义

1.2 管道内检测器的发展及其研究现状

1.2.1 国外在线内检测器研究发展现状

1.2.2 国内在线内检测器研究发展现状

1.3 本文的主要工作

第二章 输气管道内检测器驱动系统研究及设计

2.1 内检测器无限长管内运动方程建立

2.1.1 内检测器水平段运动方程的建立

2.1.2 内检测器在起伏段的运动方程的建立

2.1.3 输气管道内检测器摩擦阻力分析

2.2 驱动皮碗为刚性体底部结构时驱动压差的影响研究

2.2.1 力学模型建立与基本方程推导

2.2.2 输气管道内检测器在水平段动力学方程的求解及结果分析

2.2.3 输气管道内检测器在地势起伏段动力学方程求解及结果分析

2.3 驱动皮碗弹性体底部结构时驱动压差的影响研究

2.3.1 力学模型建立和基本方程建立

2.3.2 输气管道检测器在水平管道内动力学方程的求解及结果分析

2.4 驱动皮碗为伞状结构时的驱动压差的影响研究

2.4.1 底部为刚性体的伞状驱动皮碗性能研究

2.4.2 底部弹性体为圆盘的伞状皮碗性能研究

2.4.3 底部弹性体为钢条的伞状皮碗性能研究

2.5 本章小结

第三章 输气管道内检测器驱动系统模拟实验

3.1 试验模型的相似设计

3.1.1 模型相似关系推导

3.1.2 试验模型设计

3.2 模型试验台设计

3.2.1 试验系统基本组成及工作原理

3.2.2 主要设备选型与匹配研究

3.2.3 试验台总体方案

3.3 实验及实验结果分析

3.3.1 蝶形皮碗的模型试验

3.3.2 球形皮碗模型一的模型试验

3.3.3 球形皮碗模型二的试验结果及分析

3.3.4 伞状皮碗的模型试验

3.4 本章小结

第四章 输气管道内检测器检测系统理论研究

4.1 缺陷漏磁检测原理

4.1.1 漏磁场的形成机理

4.1.2 管道漏磁检测的原理

4.1.3 输气管道内检测系统的结构

4.2 输气管道磁漏检测速度影响研究

4.2.1 速度影响漏磁信号原理分析

4.2.2 速度与磁化强度的关系分析

4.2.3 速度影响试验

4.3 输气管道检测信号与提离值的关系研究

4.4.1 提离值模型的建立

4.4.2 提离值与漏磁信号的关系仿真

4.5 输气管道内外缺陷识别研究

4.5.1 输气管道内外缺陷识别原理

4.5.2 输气管道内外缺陷识别实验

4.3 输气管道内检测周向励磁技术研究

4.3.1 输气管道周向励磁检测原理

4.3.2 周向励磁磁化器结构设计

4.3.3 非均匀磁场下缺陷信号评价研究

4.6 本章小结

第五章 Φ1016输气管道内检测器现场试验研究

5.1 输气管道内检测器检测系统的结构设计

5.1.1 输气管道内检测系统的结构设计需要考虑的问题

5.1.2 皮碗式输气管道在线内检测器弯道通过能力计算

5.1.3 磁路的设计计算

5.1.4 漏磁信号测量电路的设计

5.1.5 Φ1016内检测器主要结构设计

5.1.6 Φ1016内检测器及技术参数

5.2 试验台总体设计

5.2.1 试验系统的基本组成及工作原理

5.2.2 试验总体方案

5.2.3 试验操作规程

5.2.4 试验管道缺陷构造

5.3 现场试验结果与分析

5.4 本章结论

第六章 本文主要结论和展望

6.1 本文研究主要结论

6.2 论文的主要创新点

6.3 展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢