管道检测器卡堵关键力学问题研究

Driving cups made of hyperelastic materials are generally used for supplying power for in-pipe detectors of pipelines. Using the pressure difference formed by sealing, the in-pipe detector can walk along the pipeline a long distance. During the course of walking, the information of deformation, corrosion, defects and so on of the pipeline can be detected and stored simultaneously. In-pipe detectors are easy to be blocked at pipeline elbows or where are seriously deformed. The blockage will generally retard or block the flow of the fluid in the pipeline thus affect the normal transportation or even lead to the discard of the whole pipeline. In this research, aimed at solving the blockage of in-pipe detectors, theoretical analysis, numerical simulation and experimental tests will be perfomed. Based on the study of the key mechanical problems such as the three-dimensional numerical simulation of the pipeline blockage flow field and the contact friction of hyperelastic materials, fluid-structure interaction will be analyzed, and the blockage mechanism and the effects of various factors on the obstacle crossing capacity will be studied. Furthermore, experiments will be performed to test the theoretical and numerical results. Finally, a new method of quantitatively evaluating the obstacle crossing capability of the in-pipe detectors will be proposed. The results of the research will provide not only scientific evidence for the design and blockage treatment of in-pipe detectors but also reference for relevant studies.

管道检测器通常采用超弹性材料皮腕作为动力装置，利用皮碗密封形成的压差推动检测器实现长距离运行，运行过程中对管道变形、腐蚀、缺陷等信息进行检测和存储。管道检测器在弯管、局部变形等障碍处容易发生卡堵，这种卡堵将减缓或者阻塞管道内介质的流动，影响管道的正常运输甚至直接导致整条管线报废。针对管道检测器卡堵问题，本项目将采用理论分析、数值模拟与实验测试相结合的方法，基于对管道液塞区流场三维数值模拟和超弹性材料接触摩擦分析等管道检测器卡堵关键力学问题的研究，耦合分析流场与检测器之间相互作用并模拟检测器运行过程，阐明卡堵机理并研究各种因素对检测器通过能力的影响，进而搭建实验平台进行测试验证，最终形成一套管道检测器通过能力定量分析评价方法。本项目研究成果将既可以为检测器设计和卡堵治理提供科学依据，解决工程实际问题，更可以在诸多相关科学领域得到广泛应用和借鉴。

管道内检测是指利用管输介质驱动检测器在管道内运行，实时检测和记录管道的变形、腐蚀等损伤情况，并准确定位的作业。管道检测器携带一种或多种传感器，通常采用超弹性材料皮腕作为动力装置，利用皮碗密封形成的压差推动检测器实现长距离运行。针对管道检测器卡堵问题，本项目首先对不同工况下检测器的受力状态进行了分析。通过建立动力节的有限元模型，模拟其在管道中的运行过程，得到了检测器处于不同状态时的应力和变形分布，基于接触压力以及摩擦系数，求得了动力节运行过程中所受到的阻力。在此基础上，建立了管道检测器整体模型，分析研究了磁吸附力、摩擦阻力、联轴器长度等因素对检测器整体越障和过弯等的影响，得到造成检测器卡堵的主要原因。进一步，利用ICEM CFD软件建立了直板式和皮碗式清管器工作区域流场的三维模型，采用标准k-模型进行数值模拟，得到了清管器工作区域流场的分布状态。课题建立了检测器皮碗力学模型，基于固体力学方法求解不同工况下皮碗压紧力和摩擦力，并运用有限元方法，通过合理设置接触单元和边界条件数值模拟得到超弹性材料接触摩擦过程中的姿态与变形。在此基础上，搭建了实验装置，开展了大量牵拉实验，测试了实验过程中的牵拉荷载，验证了数值模型的可靠性，解决了超弹性材料用于管道检测器动力节的相关接触摩擦问题。在基于复杂状态下管道液塞区流场三维数值模以及超弹性材料接触摩擦分析的基础上，建立了双向流固耦合分析模型，得到了超弹性材料在流体作用下的变形规律。课题制作了全尺寸管道检测器物理模型，搭建了实验平台，开展检测器运行实验，对检测器在不同管段运行时的姿态、变形、速度、加速度以及流场分布等进行测试，对比分析测试结果与理论和数值模拟研究结果，验证和改进了所提出的数学物理模型。本项目研究成果将既可以为检测器设计和卡堵治理提供科学依据，解决工程实际问题，更可以在诸多相关科学领域得到广泛应用和借鉴。