利用流体动能充电的管道机器人的设计要求

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【摘 要】输油管线常年运行，久而久之就会出现油垢、结蜡现象，影响石油的输送。本文针对管道机器人的工作环境提出了对管道机器人的设计要求。

【关键词】结蜡现象 设计要求 管道机器人 流体动能充电

【中图分类号】TP242 【文献标识码】A 【文章编号】1674—4810（2012）18—0051—02

对石油管道中的结蜡现象进行分析，蜡结分为两层：表层为7mm～12mm的软蜡，基层为41mm～47mm的硬蜡；如果出现管道结蜡现象，肯定会导致沿程摩阻增加，输油量减少，年经济损失超过上百万元。为此，清除运行管道内壁上的油垢，提高管道输送能力，对提高系统运行效率具有重要的现实指导意义。

一 管道机器人的设计要求

考虑到管道机器人的使用范围及工作环境对其的影响，笔者针对管道机器人的设计提出以下五点要求。

1.具有合适的结构尺寸

机器人的结构尺寸必须设计合理。机器人的长度不能太长，否则通过弯道时就会被卡住；机器人的尺寸相对于管道直径不能过小，否则在推进过程中会不断横向摆动，而且，尺寸如果太小甚至会打横卡死在管道内。

2.具有速度调节能力

为了完成清理管道油垢的任务，可以利用步进电机来控制机器人的行走速度，保持速度的一致性，保证机器人能平稳地在管道中行走。

3.具有发电和储能能力

机器人必须具备利用流体发电的功能。当机器人在管道内进行清理作业或机器人在管道内处于某个固定位置时，就可用机器人携带的微型发电机发电，把电能储存起来，为机器人提供源源不断的能量。

4.具有良好的通过性

当机器人的前方有多通道时，要求机器人能够根据需要，改变运动方向，以便机器人进入所选的管道。管道机器人克服障碍的能力用弯道的通过性来描述。

5.具有良好的密封性

石油管道中的压力很大，机器人在石油管道中工作，其密封性是必须考虑的。密封不好，石油就会流入机器人的机身，使得机器人的重量增大，启动能量增大，进而影响机器人的工作效率。

二 长输送管道的流体力学分析

石油输送管道入口处的压力P和流量u由压力供给系统所决定。可以假定长输送管道内的流体是连续稳定不可压

缩的（如图1所示）。从物理角度分析，z为位置水头， 为

静压水头，而 为动压水头，H称为管道内的总水头，它反

映了管道中沿流动方向任意断面的高度z、压力P和流速u，这三个要素之间的变化规律，但对于理想流体来说，其所有的机械能是相等的。也就是说，长输送管入口处流体的机械能与出口处的机械能相等。

实际上，管道中的流体与理想流体不同，因为作用在它上面的外力除了流体动压力与重力之外，当实际流体沿管道流动时，流体运动会产生内摩擦力，以及由于管道中一些局部装置引起流体扰动的干扰阻力，沿流动方向总机械能逐渐减少，习惯上称为水头损失z水。为了克服水头损失，工程上采取的办法是提高长输送管入口处的静压力，其压力能在管道出口处变为流体的动能，使得流体能够以一定的速度喷出。

当长输送管稳定输送流体时，在管道内放入机器人意味着管内增加了额外的阻力z阻 会引起流场力学条件的变化，此时管道内部实际流体的伯努利方程应写为：

（1）

令：H1=z1+ +

H2=z2+ +

式中，P1：管道进口处计算截面1处的压力；u1：管道进口处计算截面1处的流量；P2：管道出口处计算截面2处的压力；u2：管道出口处计算截面2处的流量；z水：水头损失；z阻：管内增加的额外阻力。

其中，下标1和2的数值分别代表在长输送管道上进口处计算截面1和机器人以后计算截面2上的流体力学参数值。当机器人的重量和体积都比较大时，即表示z阻 增加很多，管道内的流体力学条件会发生较大的变化；在水平等直径管道情况下，可以认为远z阻大于z水，z1=z2，u1=u2=u，由式（1）得：

z阻= （P1—P2）+ （2）

式（2）表明，在一定条件下，如果在机器人前后形成静压差P1和P2，同时出现足够的流量流过机器人的横截面，定会产生克服z阻所需要的驱动力。

三 结论

图2是通过式（1）表示的管道机器人在长输送管道内任意一个截面上的流体力学参数，图中横坐标L为管道长度，长度可以很长。由图2可以看出，如果z阻 太大，可能造成H2变小，甚至为0，该数值的变化表明：如果机器人在管道内

没有足够的流体驱动力驱动，就可能被卡在管道出口处的某个位置。为了满足机器人的正常工作，其体积和重量不能太小。

参考文献

[1]严大凡.输油管道的设计与管理[M].北京：石油工业出版社，1986

[2]徐小云、颜国正、闫小雪等.油气管道检测机器人[J].上海交通大学学报，2003（11）

[3]常礼民.流体力学基础[M].北京：中国计量出版社，1990