环焊缝连续激励下管道机器人流固耦合系统非线性动力学特性研究

Pipeline inner inspection technology based on pipeline inspection gauges (PIGs), is the primary means to ensure the safety and reasonable maintenance of oil and gas pipelines Dynamic characteristics of a PIG can change suddenly with the excitation of obstacles such as girth welds inside the pipeline, which would result in failed, disintegration of the PIG or inaccuracy of the inspection results. This project is aimed at the nonlinear dynamic responses of the PIG under the excitation of the girth welds in natural gas pipeline. By means of building fluid solid coupling dynamic model between gas flow, PIG and pipeline with girth weld, the nonlinear dynamic characteristics of a multi sealing discs PIG driven by the gas flow when subjected to non-periodic and periodic continuous transient excitation can be explored. Through synchronous numerical simulation of fluid dynamics and multi-body dynamics, combined with experimental research, the axial displacement transient change of the PIG under the excitation of girth welds with the fluid solid coupling effect, and how the changing displacement disturb the gas flow subsequently, as well as the dynamic interaction between the dynamic behavior of the PIG and the disturbed gas flow, would be revealed. The research results can contribute to the optimization design of the structure of the PIG, the extension of the service cycle and the improvement of the efficiency of the internal inspection operation.

以管道智能检测机器人为基础的管道在线内检测技术是保障油气管道安全运行和合理维护的重要手段。由管内环焊缝等外部障碍引起的管道机器人动力学行为的突变会造成管道机器人出现功能失效、结构解体及内检测数据准确性低的问题。本项目针对天然气管道机器人在环焊缝激励作用下的非线性动力学响应问题，深入研究气体流场内管道机器人弹性密封盘与环焊缝动态耦合作用下管道机器人的非线性动力学特性；通过构建气体流场、管道机器人与含环焊缝管道间流固耦合动力学模型，探究多密封盘管道机器人在气体力作用下受到非周期及周期性连续瞬态激励时产生的非线性动力学特性；通过计算流体动力学与多体动力学联合同步仿真计算，并结合实验研究，揭示管道机器人在流固耦合作用下过环焊缝时轴向位移瞬态变化对其前后流场的扰动情况，以及扰动的流场对管道机器人动力学行为的动态影响。研究成果有助于管道机器人结构的优化设计、服役周期的延长，以及内检测作业效率的提高。

随着长输油气管道服役年限的增加，对油气管道的内检测作业提出了更高的要求，管内压差驱动的管道检测机器人作为管道内检测的重要装备，对保障油气管道运输安全具有重要意义。管内环焊缝等外部激励会引起管道机器人动力学行为的突变，造成内检测机器人检测精度低、功能失效甚至结构解体等问题。然而，通过对现有文献调研发现，当前对于管道内检测机器人在管内流体作用下形成的双向流固耦合系统的研究较少，且较少涉及外部障碍激励对管道内检测机器人动力学的影响。本项目针对油气管道机器人在环焊缝激励作用下的非线性动力学响应问题，深入研究管内流体流场内管道机器人弹性密封盘与环焊缝动态耦合作用下管道机器人的非线性动力学特性；通过构建流体流场、管道机器人与含环焊缝管道间流固耦合动力学模型，探究了管道机器人受到非周期及周期性连续瞬态激励时产生的非线性动力学特性。结合在线耦合分析方法的思想，考虑管道机器人动力学行为与流场间的相互影响，采用计算流体动力学建立管道机器人前后流场的计算模型，根据任意拉格朗日欧拉法，实现流体流场与管道机器人系统的相互耦合，对管道机器人气流耦合动力学方程进行迭代求解。考虑管道机器人质心位置、初速度、密封盘数量、间隔等设计参数与运行参数的影响，使用离线耦合分析方法数值计算分析周期性环焊缝激励下流体驱动管道机器人非线性动力响应。提出了将管道内检测机器人运行时的振动作为主动激励，对管道进行悬空检测的方法。设计并搭建流体驱动管道机器人通过环焊缝动力响应监测实验台，用于实验研究关键参数与管道机器人动力学行为的内在联系。本项目的研究成果有助于管道机器人结构的优化设计、理论寿命的延长，以及提高内检测作业效率和精度。