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    X射线管道爬行器的研制

    2019-01-12   来源:   点击数:18次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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       中国钢管信息港最新消息:大型管道中的流量测量近年来已普遍引起人们的重视,并认真地着手解决。不少企业为节省场地,便于安装,在管道中流体压力不大的情况下,常采用矩形管道贴壁安装,如火电厂进风管道、大型通风系统,采用边长达2~3m的矩形管道已屡见不鲜。这种管道中的流量测量有一些特殊问题,不能照搬圆管中的测量方法和仪表,而中又少有介绍。前二年,笔者为解决某工程的这个问题,进行了探索,设计、制造了二台机翼流量计,并一次调试、投运成功。
      
      1流体在矩形管道中的流动特点早在1926年,Nikuradse就对流体在矩形管道中的流动进行了测试,其等速线如所示。它显示出不同于圆管中的同心圆等速线,并且发现有二次流。
      
      二次流从本质上来看,是在紊流条件下,在管道横截面上,有垂直于轴向的法向流动,它与轴向流动叠加后形成二次流,也可称为涡流。由于层流不存在法向流动,所以在层流条件下不可能发生二次流。
      
      (成都科学技术服务中心,成都(Sioooo)后,1964年,Brundrett及Baines又对矩形光滑管及粗糙管中的流动进行了测试。他们认为矩形管道中的二次流是由横截面上的雷诺力所引起的,而起主要作用的是法向应力强度,这是一种非等熵流动,紊流运动是形成二次流的基础。1973年Landei和Ying采用分析方法描述了这种复杂的流动。他们论证了二次流有使壁面应力均匀化的趋势,并指出二次流将改变摩擦因子的大小,其幅度约为±10%.长期以来,人们对这种流动的研究着重在对阻力的影响,很少涉及流量的测量,近年来才有所考虑,有关论述参见。
      
      也曾有人企图只测矩形管道轴向的压力梯度dp/d,来解决流量测量问题,其公式为1/2高度;为流体动力粘性系数;dPl/ck为无量纲轴向压力梯度。
      
      这种方法至今还未听说应用到实际工程中,问题在于这个计算公式是否确切地描述了实际的流动情况,是否可准确确定边界条件。这些还有待于实践证明。
      
      2常用方法下面介绍测量矩形大管道流量的三种常用方法,虽各有所长,但均不尽人意。
      
      2.1速度面积法这是一种经典的测量方法,早已有国际标准可以遵循(IS03966,IS07194)。这种方法的优点是不受管道大小的限制,而且也还准确、可靠;不足之处是确定一个流量值要测20多点的流速,测量十分繁琐,因此几乎不太可能应用于工业现场上,但却可做为一种最基本、最实际的校验方法。
      
      此处要说明的是,在国际标准中,这种方法推荐的流速计是NPL型皮托管,它虽准确但对流向比较敏感,当流向偏离轴向超过10时,就将引起1%以上的误差。在圆管中应用多属位流不成问题,但用于矩形管道则应另当别论。因在矩形管道中不可避免地会存在二次流,流向偏离超过±10则司空见惯,仍用NPL型皮托管,难保必要的准确度。为此,笔者推荐一种带导流进口的特殊皮托管,它在流向偏离轴线±40.以内时,仍可保持1%的准确度。
      
      2.2插入法2.2.1点速法点速法是通过测量管道中某一点的流速来推算流量的方法。这种方法简单易行,但准确度很低,在工业现场多用于监测,很少用于计量。
      
      中国钢管信息港最新消息:原则上,采用这种方法一般流速计均可测流量。
      
      目前所用的有插入式涡轮流量计、插人式涡街流量计、皮托一文丘利管等等。笔者在此特别推荐皮托一文丘利管,它结构简单,工作可靠,可输出比皮托管大几倍的差压信号,且耐高温及可工作在较前二者更为恶劣的现场,在火电厂及冶金、钢铁行业曾风行一时。要注意的是,其速度-差压特性重复性差,每支均需在风洞中校验后才好使用。
      
      2.2.2线速法线速法是指一次测量沿一直线上多点流速的综合值来确定流量,较点速法准确,且安装条件也优于点速法,国内外常采用均速管。它的结构简单,工作可靠,便于安装,较适用于矩形管道各种情况的风量测量,其安装位置如所示。
      
      均速管在矩形管道中使用时,其流量计算公式与圆管类似,不同之处是在计算横截面积及便于选用流量系数K时引用了当量直径与矩形横截面宽6与高/1的关系为这样处理仅为权宜之计,特别是当矩形截面的宽6与高h相差较大时,会有较大的误差。
      
      2.3弯管流计(见这种方法已应用了几十年,是一种较成熟的测量方法,只是输出差压太小,测量精度也不高。在采用矩形管道时,由于工艺布局的需要,可常见有矩形弯头,如果因势利导加以利用,倒也是一种可考虑的方法。
      
      否则,在直管道中刻意加入一个90弯管流量计则就大可不必了。
      
      3机翼流量计3.1原理测量矩形管道中的流量,早期曾采用过矩形文丘利管。为防止气流在扩张段分离,增大压损,后扩张角一般不得超过1p~12,因此文丘利管很长,给安装与运输带来不便。如果在矩形通道中安装一至数个机翼(见),则既可能将每个分离角控制在10~12°,又缩短了整个长度,使结构紧凑,便于安装、运输。
      
      从原理上来看,机翼流量计采用的还是节流,使气流加速、降压,通过测差压来确定流量的大小,因此,它仍是一种节流装置。但机翼流量进口部分有导流作用,在气体加速的过程中,可缓解气流的横向流动,减小涡流的尺寸,所以它对进口直管道的长度要求不象机翼流量计原理图一般节流装置那么苛刻,约仅需3倍当量直径的长度,这一点对矩形大管道特别具有实用价值。
      
      3.2计算公式一般流经机翼流量计的气流速度不会超过30m/s,故可按不可压流处理,流体的密度p可视为常数,公工推导以柏努利方程及连续方程为基础(推导从略),计算公式为输出差压,pa;yv为常数,取决式(2)各参数的单位,此处为5.09x103;K为流量系数,一般在0.95~0.99之间;a为阻塞比,定义为m =42/禹;七为流量计喉部最小通道面积,m2;山为流量计进口截面积,m2.在设计机翼流量计时,往往是已知流量9及进口截面积木,由此来选定差压Ap及阻塞比a二个参数。计算时要先给定其中一个参数来求另一个参数。笔者建议选定阻塞比a时以0.3~0.5之间为宜;a值选得太小,过于闭塞则压力损失太大,影响管道中的正常流动;选得太大,节流效果不明显,输出差压又太小,难以选用差压变送器。差压Ap值建议不要小于400Pa,上限则无限制。
      
      3.3结构机翼流量计的结构如所示。
      
      机翼型面型面的曲线由三段组成:前缘为一个曲率半径为25的圆弧(或直接采用一根衫0的圆管);中段曲线为二次方程y2=c(c为常数)所描述;后缘为便于加工采用直线,三段平滑相接,不允许有拐点。
      
      总、静压孔位置在每个机翼前缘正对流向有一组总压孔,各孔相距0.2~0.3m,将所测得的总压汇集在位于前缘的总压汇管中,再将每个汇管中的总压均值接至位于机翼流量计外壳上的总压集气管,通过仪表阀门,接至差压变送器篼压端。
      
      在机翼最高点,也就是通道最窄处的机翼表面有一组静压孔(如考虑到流体的运动惯性,对流体而言,最窄通道应处于结构最窄处下游约1公分处)。各静压孔的间距为0.1~02m,将所测得的静压汇集在由截面50mmx60mm的方槽静压汇管中(见)。每个静压汇管采集的静压再接到位于流量计外壳上的静压集气管,通过仪表阀门接到差压变送器低压端。
      
      总、静压孔径总压孔径为2~3mm;静压孔径为1~2mm.一般来说,静压孔应为机翼板厚的1/2.静压孔不允许有倒角,边缘光滑不得有毛刺、焊渣。而总压孔前缘可允许有90>~120P内倒角,甚至为加强导流作用,安装导流套管。
      
      试验研究X射线管道爬行器的研制张历成华博张宏亮(中国石油天然气管道一公司,盘锦应用效果及其具体的研制过程,包括硬件和软件设计过程中应该考虑的-些关键问题,并将辐射场反馈、内定时等新方法应用于管道爬行器。通过大量的实践检验和技术数据对比,证明此爬行器具有经济、高效的特点主题词射线照相爬行装置管道硬件软件DEVELOPMENTOFX-RADIOGRAPHICCRAWLER随着我国石油工业的全面发展,对外承揽石油基建工程多,由我国承建的第一条国外大型输油管道一一苏丹输油管道工程于1998年开始建设,这条管道全长1500km,直径711mm(28in),工期1a(年),要求管道对接焊缝100%射线检测,总检测量将达15万道口以上这是一项国际投标工程,如果仍然采用国内常用的检测手段,即定向X射线机双壁单影法检测,无论从施工速度、人员数量还是造价上,都完全不具备竞争能力唯一可行的办法就是采用射线管道爬行器拍片,由于壁厚及标准的原因,Y射线管道爬行器在此难以适用,只有采用X射线管道爬行器,它采用内曝光,具有底片质量好、速度快等优点,但需要进口,价格昂贵,日常维护工作量大且维修困难在这种情况下,我们研制出了X射线管道爬行器,并成功地大范围地在苏丹输油管道建设中投入了试运行,实践证明,该爬行器操作维护简单,工作稳定可靠,定位精度满足使用要求,照相质量符合美1104-94标准,完全达到进口产品的使用水平,取代了进口产品1国内外技术概况根据资料调查,国外对X射线管道爬行器己研究了多年,技术相对较成熟,并己经有系列产品出售,主要国家有法国、英国、美国及比利时等。而国内基本处于研制阶段,未见大范围推广应用及产品出售。
      
      在国内,射线照相检测目前仍然主要依靠X射线探伤机与Y射线源在管道外面通过双壁透射进行,因双壁单影透照,厚度加必需大管电压,焦距长又必需加曝光时间,所以不但底片灵敏度欠佳,而且检测效率与内曝光相比也十分低下。
      
      目前,一台进口X射线管道爬行器的价格约100万元人民币,一般无现货,订货期最少3个月,不但价格昂贵,售后服务问题也难以得到及时有效的解决我们己于1997年研制成功了首台Y射线管道爬行器,并己通过局级鉴定此外,公司还有10a以上应用进口X射线管道爬行器的经验,在此基础上开发研制X射线管道爬行器己不存在技术障碍在国外,长距离输油管道早已普遍采用10(%射线检测,国内正在向这个方向发展,因此,用目前的管外透照已难以满足检测工作量迅速递增的现状,尤其是参加国外工程施工,就更有必要改进现有的检测手段2总体设计2.1总体方案在为期3个月的调研过程中,查阅了近期国外爬行器厂家的有关技术资料,对现有的进口X射线管道爬行器的性能、控制方法、适用范围及工作条件等进行了对比分析,并到国内有关探伤设备的生产厂家进行了调查,确定了如下方案:21.1主体部分主体分为电动车(含控制)X射线机和充电电源车(专为射线机供电)三部分。整机电路方框图见产生装置,由机械行走部分带动射线发生装置在管道内部行走,在管道外对接焊缝处贴X射线专用胶片和标记,通过管道外部遥控装置的配合,可在管道内定位及曝光,从而对管道对接环焊缝进行X射线透照,实现管道对接环焊缝的无损检测,另外,还可遥控爬行器的前进、后退和停机等动作。
      
      2.22硬件设计硬件设计包括机械行走部分、射线发生部分、定位传感器、控制器(电路)部分、电源部分和自动救护车部分。
      
      机械部分由电动车、充电电源车24V直流电动机、减速器胶轮、轮轴及连接附件组成。
      
      充电电源车选用1mm厚不锈钢板,经冲压焊接而成,要求本身有一定刚性不易变形,安装耐磨材料车轮,整体长度根据电池体积决定,不能过长,以免增大转弯半径和增加运输难度。电池接线方这种分体式设计有利于搬运及多功能的实现当需要改为Y射线爬行器时,可以用具有电动开源收源机构的Y射线源取代X射线机和充电电源车部分。
      
      当需要作为救护车使用时,可以用救护车部分取代X射线机和充电电源车部分。其中电动车部分采用电池驱动的直流电动机带动减速机构制作,X射线机部分采用专门研制的直流供电型周向X射线机,充电电源车部分采用阀控密封免维护蓄电池串联组成21.2爬行器设计的主要技术指标爬行距离〉8km,爬坡坡度10,定位精度<25cm,工作温度-10°C~+ 3mA,累计曝光时间〉80min 2.2设计22.1设计原理射线管道爬行器主要由机械行走部分、射线发生部分、定位传感器、逻辑控制器电源及管道外部的遥控定位用指令源等组成,它是一种自动化射线射线机部分具体要求是直流高压直接供电,固定管电压160kV,管电流3mA,取消AC/DC部分,改变高压包参数,提供故障反馈信号,散热风扇按需自动打开及自动延时关闭,以节省电力。控制台体积要小且与射线机头一体化安装,结构上采取防尘设计。
      
      定位传感器部分对于其中的抖动、误动问题可以在程序设计中进行容错处理,从而降低其设计复杂性因运输途中振动很大,所以制作工艺要求较高,元器件严格筛选,并采取防振措施。
      
      中国钢管信息港最新消息:控制器(电路)部分根据研制Y射线爬行器的经验,继续采用原可编程控制器(FXO系列20点继电器输出型),它具有体积小供电方便可靠性高的特点。电路布线尽量简单化,以方便维护,就近安排强电部件,将强电与弱电分离,以免造成对控制系统的干扰电动车供电考虑到控制器供电方便和电动机供电时间的要求,电动车电源采用24V直流电源,行走速度可达18m/min,以平均工作电流为4A计算,可以连续爬行约7. 6h(以8(%放电容量计算),爬行距离8208m爬行距离远是一项重要特色,这样可以适应一台爬行器在几个工作面轮流工作和“二接一”间隔检测的施工技术要求射线机供电X射线管道爬行器供电方式有四种:①燃油发电机供电②直流逆变器供电③有线电缆供电④纯直流高压供电目前的发展趋势是纯直流高压供电方式,这种供电方式具有效率高、无噪音、重量轻使用灵活方便等优点。所以,从技术进步角度出发,选用纯直流高压供电为好,经综合考虑,直流电压选择120V,这样便于X射线机和充电电源车的设计自动救护车部分利用12V直流电动机通过涡轮涡杆传动带动提升臂动作,要求升降到位,能够自停。此部分作为一个单独部分,当需要时再与任意一台普通爬行器的电动车相连接而组成自动救护车,并采用了唧插即用“的控制方式,在转换为救护车时无需另外的转换开关加以控制用于因电源供给问题或驱动电机故障而不能运动的爬行器的救护,可以自动将故障爬行器拖出管道此外,在充电电源车一射线机一电动车之间的挂接环节上了国外的设计,做到了既方便挂接、运行灵活,又不影响定位精度22.3软件设计软件设计主要包括运行过程程序化描述和PLC程序编制。
      
      运行过程程序化描述,就是根据实际工作要求和现场积累的工作经验,作出用户需求分析,在控制器内部通过编程对外设进行时间上的操作安排,外设包括定位传感器、按键、指示灯、警报器、定时器电动机(继电器组)、射线机和自动救护车等。
      
      中国钢管信息港最新消息:程序设计采用梯形图语言编制流程图,利用手持式编程器调试(具体程序略)在软件方面设计了定位传感器故障定时器故障、射线机故障等容错能力,可在一定程度上自动修复或保护退出管道,最大限度地防止了割管的发生同时,我们还设计了一种新技术,使爬行器在工作过程中的曝光时间可以通过管道外部遥控调整,为壁厚变化的管道检测提供了方便此外,还预先设计了管内积水传感器和电流过流传感器等1配套程序,以利于以后的功能扩展3性能试验经实测其数据如下所述,适用管道直径400~ 1200mm,运行速度可达18m/min,最大爬行距离10.8km,最大爬坡坡度15,定位精度<±最小转弯半径10D(D为管道直径),工作温度72°C(苏丹输油管道施工现场管道内部气温),X射线机参数160kV/3mA,累计曝光时间82min,电动车电压DC24V,射线机工作电压DC120V,射线机工作电流6A 4结论长达1a时间的试验运行实践证明,各项技术性能指标己经达到了原设计的要求成功地实现了以国产取代进口,节约了大量的外汇效率与双壁单影透照相比至少提高8倍以上,表1为对711mm管线进行实测的数据。
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