劉海瀟，何利民，陳建恒，羅小明，赫松濤，李清平

（1 中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266580；2 中海油研究總院，北京100028）

油氣行業(yè)中，常使用清管器執(zhí)行油氣管道雜質(zhì)清除、應(yīng)急修復(fù)和無損檢測(cè)等任務(wù)。隨著對(duì)管道安全問題和降本增效理念的逐步重視，清管操作已成為全世界油氣管道運(yùn)行中必不可少的作業(yè)規(guī)程[1-4]。其中，清管器的運(yùn)行速度是需要重點(diǎn)控制的參數(shù)之一，當(dāng)其處于合理區(qū)間內(nèi)時(shí)（原油管道1～5m/s，天然氣管道2～7m/s），清管效果最佳[5-9]；尤其是對(duì)于管道內(nèi)檢測(cè)器（ILI），為獲得準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)，需要維持其運(yùn)行速度在穩(wěn)定值附近[10-12]。

從宏觀角度來講，清管器速度的控制策略可分為被動(dòng)控制和主動(dòng)控制[1]。被動(dòng)控制是指不對(duì)清管器骨架結(jié)構(gòu)作改變（即傳統(tǒng)清管器），通過調(diào)節(jié)管道入口流體流量或操作壓力改變清管器后方的驅(qū)動(dòng)力，從而降低或增大清管器運(yùn)動(dòng)速度[9,13-15]。通過被動(dòng)控制不僅可以改變清管器的全線運(yùn)行速度，還可以對(duì)清管器運(yùn)行到某一管段處的速度進(jìn)行控制[4,16]，操作較為靈活，是目前應(yīng)用較為普遍的方式。但被動(dòng)控制會(huì)降低產(chǎn)量，引起生產(chǎn)延期，劣勢(shì)明顯[17]。主動(dòng)控制是隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展逐漸興起的一種控制方式，指在不改變管道流量和操作壓力的前提下對(duì)清管器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使其運(yùn)行過程中的驅(qū)動(dòng)壓差改變，從而控制運(yùn)行速度，該技術(shù)主要分為射流清管技術(shù)[5,17-23]和清管器智能調(diào)速技術(shù)[3,8,10-12,24-26]。

為了揭示清管器運(yùn)行機(jī)理和對(duì)清管器運(yùn)行速度進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，眾多學(xué)者對(duì)運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行了研究。本文首先對(duì)其進(jìn)行總結(jié)，然后以此為基礎(chǔ)分別分析被動(dòng)控制和主動(dòng)控制的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，旨在全面探討管道清管器速度控制策略，尋求其研究發(fā)展方向。

1 清管器運(yùn)動(dòng)模型

清管器運(yùn)動(dòng)模型是研究清管器運(yùn)動(dòng)速度的理論基礎(chǔ)，建立準(zhǔn)確可靠的運(yùn)動(dòng)模型對(duì)實(shí)現(xiàn)清管器速度的調(diào)控有著重要意義。目前對(duì)清管器模型的研究主要集中在傳統(tǒng)清管器和近年來逐漸興起的射流清管器。

1.1 傳統(tǒng)清管器運(yùn)動(dòng)模型

傳統(tǒng)清管模型的研究較早，模型的建立與研究可追溯至1964年，McDonald等[27]將管道分再生區(qū)、帶液膜氣相區(qū)、液塞區(qū)和未干擾區(qū)，利用穩(wěn)態(tài)假設(shè)提出了第一個(gè)理想的清管模型。1982 年，Barua[28]基于大量以空氣-煤油為介質(zhì)的清管實(shí)驗(yàn)，對(duì)McDonald 模型作了改進(jìn)，但其仍然屬于穩(wěn)態(tài)模型的范疇。1988年，Kohda 等[29]學(xué)者第一次提出以瞬態(tài)兩相流方程為基礎(chǔ)的瞬態(tài)清管模型，可用于分析入口速率或出口壓力變化所產(chǎn)生的瞬時(shí)參數(shù)變化。1995 年，Minami 等[30]將管道分為上游瞬態(tài)兩相流區(qū)、液塞區(qū)以及遠(yuǎn)離本體瞬態(tài)兩相流區(qū)，通過歐拉-拉格朗日方法耦合清管模型和瞬變流模型，得到了精度較高的氣液兩相流瞬態(tài)清管模型，其對(duì)于整個(gè)傳統(tǒng)清管模型的發(fā)展具有重要的意義。1998年，Lima等[31-32]以清管器為界將管道分為上游和下游，利用雙流體模型建立了可用于分析流體瞬態(tài)特性的清管模型，該模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，但無法計(jì)算清管器前方液塞頭部的具體位置。我國在多相清管領(lǐng)域的研究起步較晚，主要有李玉星[33-34]、徐孝軒[35]等學(xué)者針對(duì)氣液混輸管線進(jìn)行研究，建立了相應(yīng)的清管模型。

1.2 射流清管器運(yùn)動(dòng)模型

射流清管器運(yùn)動(dòng)模型的研究起步較晚，學(xué)者們?cè)趥鹘y(tǒng)清管器運(yùn)動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，耦合清管器旁通孔的壓降方程，形成射流清管模型，并采用有限差分或特征線等數(shù)值方法進(jìn)行求解。主要的代表性工作及階段性進(jìn)展如下。

巴西學(xué)者Azevedo 等[36-37]于1996 年首次對(duì)帶旁通孔的射流清管器進(jìn)行研究，分別對(duì)可壓和不可壓介質(zhì)流動(dòng)條件下的射流清管器運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析，研究的清管器類型包括帶旁通射流孔的泡沫、直板、皮碗清管器，最終建立了射流清管器理論模型，然后基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，開發(fā)了PIGSIM清管軟件。韓國學(xué)者Nguyen 等[2,38]于2001年對(duì)帶有旁通控制閥門的射流清管器進(jìn)行研究，假設(shè)氣體馬赫數(shù)小于0.45 且不可壓縮，推導(dǎo)出氣體流過旁通的阻力方程，并建立旁通氣體流速、清管器位置及速度的內(nèi)在關(guān)系，該模型預(yù)測(cè)清管器速度和位置的準(zhǔn)確性較好。Hosseinalipour等[39]研究了射流清管器的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)特性，基于移動(dòng)和交錯(cuò)網(wǎng)格，使用有限差分法求解可壓縮氣體的連續(xù)性和動(dòng)量方程，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)吻合性較高。2008年，Tolmasquim等[40]使用有限差分方法對(duì)流體動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行求解，利用收發(fā)球裝置上的閥門PID 控制器調(diào)整清管器的速度，得到一種有效調(diào)節(jié)清管器運(yùn)行速度的方法。2009年，Esmaeilzadeh 等[9]將氣液兩相動(dòng)力學(xué)方程與清管器動(dòng)量方程相結(jié)合，基于規(guī)則矩形網(wǎng)格，使用特征線法對(duì)非穩(wěn)態(tài)條件下的非線性方程組進(jìn)行求解，獲得了清管器的位置、上游最佳流量和清管器到達(dá)終端的時(shí)間。同年，加拿大Botros 等[41]考慮管路起伏及其他參數(shù)的變化，包括氣體的性質(zhì)、壁面摩擦力、旁通射流量、球體前后壓差、皮碗密封性能等，模擬預(yù)測(cè)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差在8%以內(nèi)。

2 清管器被動(dòng)控制策略

被動(dòng)控制通過調(diào)節(jié)管道入口流體流量或壓力改變清管器的后方驅(qū)動(dòng)力，從而控制清管器運(yùn)動(dòng)速度[1]。清管器運(yùn)行的動(dòng)力來自管內(nèi)流體介質(zhì)的推動(dòng)，對(duì)于液體管道，清管器的速度與流體流動(dòng)速度基本一致；而當(dāng)管內(nèi)含有氣體時(shí)（天然氣管道、氣液混輸管道等），由于氣體的可壓縮性，清管器的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的脈動(dòng)，清管器難以穩(wěn)定運(yùn)行[13]，因此當(dāng)使用傳統(tǒng)清管器時(shí)，為控制清管器的運(yùn)行速度位于合理區(qū)間，管道入口流速和操作壓力需要謹(jǐn)慎地選擇[14-15]。Guo 等[14]針對(duì)不同管徑的管道給出了清管過程中操作壓力和入口流體流速的建議范圍，該范圍具有一定的參考價(jià)值，但在實(shí)際工程中難以給出具體合理的操作值。通常在使用被動(dòng)控制方法之前，需要通過模擬計(jì)算優(yōu)選入口流速和操作壓力[40]。Esmaeilzadeh等[9]使用特征線法（MOC）對(duì)清管器運(yùn)動(dòng)模型和流體方程進(jìn)行求解，分別計(jì)算了不同氣液入口流速下清管器的運(yùn)行速度，從而可以得到使清管器運(yùn)行速度處于合理區(qū)間內(nèi)的流體入口流速，與工程清管數(shù)據(jù)對(duì)比顯示模擬結(jié)果良好。目前，多個(gè)商業(yè)多相流模擬軟件相繼開發(fā)了清管模塊，如OLGA、LedaFlow，這些軟件的使用使清管操作的模擬計(jì)算更加方便快捷，得到了研究者和工程人員的廣泛應(yīng)用[15,19,21-22,42-45]。Dykhno 等[15]使用OLGA 軟件模擬了一條5.2 英寸（1 英寸=2.54cm）管道的清管過程，分別研究了不同入口流量和不同終端操作壓力下的清管器運(yùn)行速度，指出隨入口流量的降低和終端操作壓力的升高，清管器的運(yùn)行速度均會(huì)降低，但過多地降低流體入口流速會(huì)使產(chǎn)量大大減小，降低經(jīng)濟(jì)效益，因此可以適當(dāng)增大終端分離器壓力作為補(bǔ)償。

被動(dòng)控制不僅可以調(diào)節(jié)清管器的全線運(yùn)行速度，還可以對(duì)清管器運(yùn)行到某一管段處的速度進(jìn)行控制。對(duì)于氣液兩相混輸或者含有積液的管道，清管過程中清管器的前方會(huì)堆積大量液體，當(dāng)?shù)竭_(dá)管道終端時(shí)，這些積液會(huì)使終端設(shè)備的液位急劇上升，甚至產(chǎn)生溢流，造成嚴(yán)重事故。因此，當(dāng)清管段塞接近管道終端時(shí)，需要對(duì)清管器運(yùn)行速度進(jìn)行進(jìn)一步的控制。Abdelhady[16]報(bào)道了對(duì)一條30 英寸淺海海底高壓天然氣管線使用清管器清除積液的案例，在該清管過程中，管內(nèi)積液大量堆積在清管器前方，為有效控制終端積液的流出，技術(shù)人員在距離清管器到達(dá)終端2h 時(shí)第一次減小入口流量，隨后對(duì)入口流量逐步減小甚至關(guān)停部分氣井以控制清管器速度，確保終端段塞捕集器的液位平穩(wěn)上升。而對(duì)于深海海底管線，清管器會(huì)因液塞充滿長立管而在立管底部發(fā)生停滯，直至后方壓力升高，足以克服液柱靜壓力。清管器啟動(dòng)后將推動(dòng)積液流出立管，下游壓力減小，而上游氣體的體積增大幅度很小，壓力幾乎不變，因此清管器在立管中的壓差逐漸增大，運(yùn)行速度越來越大，當(dāng)?shù)竭_(dá)終端收球平臺(tái)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極高的速度[4,13]，Subash 等[4]對(duì)一條長6000ft（1828m）的立管進(jìn)行了模擬計(jì)算，假設(shè)清管器到達(dá)立管底部時(shí)積液能夠充滿整個(gè)立管，其在立管頂部速度將達(dá)到70ft/s（21.3m/s），這會(huì)給終端收球設(shè)備帶來極大安全威脅，因此需要對(duì)其進(jìn)行控制。一個(gè)簡單有效的控制方法是在立管頂部位置安裝節(jié)流閥，使高速流出的液體通過該節(jié)流閥而增大清管器前方壓力[4]，另外也可以在清管器到達(dá)前向立管底部注氣，推動(dòng)清管段塞提前流出立管[13]。

在被動(dòng)控制方法中，核心技術(shù)是選取合適生產(chǎn)流量和操作壓力，以使得清管器在可操作的驅(qū)動(dòng)壓力下獲得理想運(yùn)行速度，因此在清管操作前，不同入口條件和操作壓力下，對(duì)清管器運(yùn)行速度的準(zhǔn)確計(jì)算是關(guān)鍵。目前主要依靠多相流軟件（如OLGA、LedaFlow）中的清管模塊進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，但關(guān)于其清管模塊計(jì)算準(zhǔn)確性并未見相關(guān)報(bào)道，因此今后需使用工程清管數(shù)據(jù)，對(duì)多相流軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證及合理修正，以獲取準(zhǔn)確清管器運(yùn)行速度計(jì)算值。

3 清管器主動(dòng)控制策略

對(duì)于傳統(tǒng)清管操作來講，被動(dòng)控制法是最常用的清管器速度控制方法，但其弊端也非常明顯：減小入口流速會(huì)降低產(chǎn)量，耗時(shí)較長，增大清管時(shí)間和成本。根據(jù)van Spronsen 等[17]對(duì)東南亞一條LNG管線現(xiàn)場(chǎng)清管案例的報(bào)道，使用傳統(tǒng)清管器時(shí)，由于需要控制清管器速度而使得其清管期間輸量下降40%，這不僅帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)因?yàn)槎居脷饬看蠖鴮?dǎo)致長時(shí)間無法清管，由此產(chǎn)生較大的安全隱患。因此采用改造清管器結(jié)構(gòu)的主動(dòng)控制法具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和安全意義。目前，主動(dòng)控制主要分為射流清管技術(shù)和智能調(diào)速技術(shù)。

3.1 射流清管技術(shù)

射流清管器通常是指在鋼骨架中心開設(shè)旁通孔的一類清管器，在清管過程中，后方氣體可以通過旁通孔進(jìn)入下游，清管器前后壓差減小，運(yùn)行速度降低。對(duì)射流清管器運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行簡化，忽略其運(yùn)動(dòng)過程中的加速，可以得到穩(wěn)態(tài)工況下清管器的速度公式[式(1)][5,46-47]。

式中，Vg為清管器后方驅(qū)動(dòng)氣速，m/s；Vpig為清管器速度，m/s；φ 為清管器旁通率；Ffric為清管器與管壁的摩擦力，N；K為旁通結(jié)構(gòu)的壓降系數(shù)；ρbp為旁通孔內(nèi)的氣體密度，kg/m3；Apipe為管道的橫截面積，m2。通過式(1)可以看出，管道參數(shù)、運(yùn)行工況和清管器特征參數(shù)對(duì)清管器速度均有重要影響，而作為一種主動(dòng)控制方法，對(duì)射流清管器速度的控制主要通過改變以下三個(gè)特征參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

（1）旁通率 旁通率定義為射流清管器旁通孔最小面積與管道截面積之比，選取合適的旁通率是獲得理想速度的最主要方式。

目前，已有數(shù)位研究者在室內(nèi)展開了對(duì)射流清管器旁通率與其運(yùn)行速度之間關(guān)系的研究，Chen等[47]在由規(guī)格為φ60mm×3mm、長度為100m的不銹鋼管搭建的環(huán)道中進(jìn)行了室內(nèi)兩相流清管實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)清管器平均運(yùn)行速度隨旁通率的增大而減小；Hendrix等[48]使用內(nèi)徑52mm的有機(jī)玻璃管在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建了長62m的可視化清管環(huán)道，進(jìn)行了單氣相清管實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究了旁通率對(duì)清管器速度的影響，發(fā)現(xiàn)清管器平均運(yùn)行速度與后方驅(qū)動(dòng)氣速之間基本滿足關(guān)系式式(1)，但隨旁通率的增加，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論關(guān)系式之間偏離逐漸增大，因此當(dāng)選取高旁通清管器時(shí)，使用式(1)預(yù)估清管器平均速度則會(huì)出現(xiàn)較大誤差。

在工程實(shí)踐中，為準(zhǔn)確獲得射流清管器運(yùn)行速度，優(yōu)選合適的旁通率，通常需要借助多相流軟件（如OLGA、LedaFlow 等）的清管模塊或企業(yè)自主開發(fā)的清管過程模擬軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。Entaban等[20]報(bào)道了馬來西亞的一條LNG管道射流清管技術(shù)運(yùn)用情況，為了優(yōu)選射流清管器旁通率，研究者使用殼牌自主研發(fā)的模擬軟件分別對(duì)旁通率為0、12%、15%的清管器進(jìn)行了生產(chǎn)工況下的清管過程模擬，發(fā)現(xiàn)旁通率的增大可顯著減小清管器速度，但為了避免速度過低而發(fā)生清管器卡堵，研究人員最終選擇了12%旁通率。Olaniyan 等[18]分別使用OLGA 和LedaFlow 對(duì)一條內(nèi)徑18in（1in=2.54cm）、長85km 的凝析液管道清管過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，研究發(fā)現(xiàn)兩款模擬軟件對(duì)清管器平均運(yùn)行速度的計(jì)算基本相同。但通過文獻(xiàn)調(diào)研，未發(fā)現(xiàn)對(duì)多相流軟件計(jì)算速度的準(zhǔn)確性的研究。

（2）壓降系數(shù) 壓降系數(shù)反映清管器結(jié)構(gòu)對(duì)前后壓降的貢獻(xiàn)程度，是旁通結(jié)構(gòu)的參數(shù)，受運(yùn)行工況影響較小[46,49-52]，因此對(duì)壓降系數(shù)的改變，主要通過選取不同的旁通結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

工程中常用的旁通結(jié)構(gòu)有兩種：直通結(jié)構(gòu)和前端帶折流板結(jié)構(gòu)。這兩種旁通結(jié)構(gòu)壓降系數(shù)的計(jì)算均缺少準(zhǔn)確的理論模型，但結(jié)合Idelchik[52]提出的突縮結(jié)構(gòu)和前方繞流結(jié)構(gòu)壓降系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式、Borda-Carnot 突擴(kuò)壓降系數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式[53]提出的突擴(kuò)壓降系數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式以及直通通道內(nèi)沿程摩阻壓降系數(shù)計(jì)算式，可以得到這兩種旁通結(jié)構(gòu)的壓降系數(shù)計(jì)算公式[式(2)]。

式中，Ah、Apipe分別為旁通孔和管道橫截面積，m2；L 和d 分別為旁通孔長度和直徑，m；f 為范寧系數(shù)，可使用Churchill關(guān)聯(lián)式［式(3)］[54]計(jì)算。

式中，h 為折流板與后方旁通孔的水平距離，m；H為折流板直徑，m。

Azpiroz[49]和Hendrix[51]等分別使用CFD模擬的方式驗(yàn)證了此經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性，計(jì)算誤差均在可接受范圍之內(nèi)。Wu 等[23]指出，帶折流板結(jié)構(gòu)清管器通常驅(qū)動(dòng)力較大，有利于防止在清管過程中發(fā)生卡堵。

（3）摩擦力 清管過程中清管器皮碗與管壁之間的摩擦力是阻礙清管器運(yùn)動(dòng)的最主要因素，同時(shí)是清管器運(yùn)動(dòng)模型中的重要參數(shù)之一。文獻(xiàn)[5,17-18,20,22]均指出清管過程中理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)之間產(chǎn)生偏差的重要原因是摩擦力的不準(zhǔn)確計(jì)算，陳建恒等[55]使用OLGA 軟件研究了摩擦力偏差對(duì)清管器速度計(jì)算的影響（圖1），指出為了模擬清管器運(yùn)行速度，需要準(zhǔn)確獲知摩擦力大小。

圖1 清管器平均速度和清管時(shí)間隨摩擦力的變化曲線［55］

文獻(xiàn)[9,56-59]分別使用Shigley 過盈配合關(guān)系、簡化數(shù)學(xué)模型以及有限元等方法提出了計(jì)算摩擦力的數(shù)學(xué)模型，均表示能夠控制計(jì)算誤差在合理范圍之內(nèi)。橡膠柔軟皮碗的摩擦學(xué)特性、可靠性研究對(duì)油氣管道的高效清管具有重要意義[60-62]，因此譚桂斌等[63-65]針對(duì)蠟基油管道，對(duì)管道蠟層剝離和切屑變形去除等動(dòng)態(tài)特性展開研究，建立了密封橡膠皮碗運(yùn)移力學(xué)模型。但由于摩擦力的影響因素眾多，且計(jì)算過程相對(duì)繁瑣，工程實(shí)踐中較少采用，為了準(zhǔn)確快捷地獲得管壁與皮碗之間的摩擦力大小，室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)常使用以下三種方法：穩(wěn)態(tài)計(jì)算法[47-48]、反算法[18,22]、牽拉法[58]。

射流清管技術(shù)作為一項(xiàng)主動(dòng)控制清管器運(yùn)行速度的方法，其對(duì)速度的調(diào)控主要通過基于不同管道規(guī)格及運(yùn)行工況更換不同旁通率來實(shí)現(xiàn)，而旁通率的優(yōu)選則依賴于對(duì)壓降系數(shù)和摩擦力的準(zhǔn)確計(jì)算。目前壓降系數(shù)計(jì)算的相關(guān)研究已經(jīng)完善，可以對(duì)射流結(jié)構(gòu)的壓降系數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算；而對(duì)于皮碗與管壁間的摩擦力計(jì)算，目前仍缺少簡便可靠的工程計(jì)算方法，為了射流清管技術(shù)的進(jìn)一步推廣，今后應(yīng)開展建立清管器皮碗與管壁間摩擦力的工程計(jì)算模型。

3.2 智能調(diào)速技術(shù)

對(duì)于管道內(nèi)檢測(cè)器來講，為了獲得準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)，需要將運(yùn)行速度控制在某一穩(wěn)定值附近（一般小于4m）[3,10]，因此管道內(nèi)檢測(cè)器常帶有速度控制單元，其常見結(jié)構(gòu)如圖2 所示，工作原理如下：設(shè)備上安置的里程傳感器檢測(cè)清管器運(yùn)行速度Vp，并將其傳送給控制單元，控制單元將Vp與預(yù)設(shè)閾值上下限Vmax和Vmin進(jìn)行比較，若Vp≥Vmax，說明清管器運(yùn)行速度過快，則控制步進(jìn)電機(jī)打開轉(zhuǎn)動(dòng)葉片，轉(zhuǎn)動(dòng)葉片與固定葉片之間形成旁通，此時(shí)有流體經(jīng)過旁通流向下游，驅(qū)動(dòng)力因此減小，清管器速度減??；相反地，當(dāng)Vp≤Vmin時(shí)則關(guān)閉轉(zhuǎn)動(dòng)扇葉，清管器前后壓差增大，速度進(jìn)而提高，直至運(yùn)行速度置于預(yù)設(shè)區(qū)間[24]。

圖2 速度控制單元結(jié)構(gòu)

速度控制單元所采用的控制策略是調(diào)速清管器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，由于國外技術(shù)的封鎖，此處可考文獻(xiàn)較少。據(jù)Rahe[10]的報(bào)道，最初的控制策略基于簡單的閾值判別，即當(dāng)清管器速度高于上限值10%時(shí)，則打開旁通閥降速，當(dāng)?shù)陀谙孪拗?0%時(shí)關(guān)閉旁通閥提高速度，這種控制方法較為簡單，能夠有效防止清管器速度的過大或過小，但調(diào)節(jié)過程過于死板，極易引起清管器速度的強(qiáng)烈脈動(dòng)。Nguyen[6]和Rahe[10]等均提出了非線性控制策略。Nguyen 等[6]基于構(gòu)造的Lyapunov 方程，采集清管器位置、速度和旁通孔流體流速三個(gè)參數(shù)作為依據(jù)控制旁通孔的開度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示控制效果良好；Rahe[10]則將清管器速度作為唯一的參考變量，建立了簡化的數(shù)學(xué)模型，但其轉(zhuǎn)閥過程耗時(shí)較長，調(diào)節(jié)存在滯后現(xiàn)象。朱霄霄等[24,66-67]沿用將速度作為唯一判別依據(jù)的思想，提出了基于PID控制的清管器速度控制策略，引入轉(zhuǎn)閥調(diào)整比例系數(shù)P，可由實(shí)驗(yàn)和模擬進(jìn)行優(yōu)化整定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動(dòng)機(jī)）所控制的轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)動(dòng)角度為[式(4)]。

式中，ve為實(shí)際速度與預(yù)設(shè)速度之差。在清管器運(yùn)行過程中，P為定值，當(dāng)ve較大時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度較大，ve較小時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度則較小，因此這種控制策略較為靈活，調(diào)速反應(yīng)較快。

旁通閥門是調(diào)節(jié)清管器驅(qū)動(dòng)力的部件，其能否快速反應(yīng)在清管器速度調(diào)節(jié)過程中起著重要作用。根據(jù)自由件的運(yùn)動(dòng)方向，可以將旁通閥門分為直動(dòng)調(diào)節(jié)閥和轉(zhuǎn)動(dòng)旁通閥兩種。直動(dòng)旁通閥有多種形式，常用的有圖3 所示的兩種，其中圖3(a)結(jié)構(gòu)中將外閥體固接于清管器鋼骨架上，電動(dòng)機(jī)控制自由閥體往復(fù)移動(dòng)，從而改變氣體通過的面積，即旁通率，從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)力的改變[3,68]；圖3(b)中則設(shè)置錐形旁通孔和控制閥門，通過調(diào)節(jié)控制閥門的與錐形旁通孔之間的不同距離，改變流體向下游流通的通道大小，進(jìn)而控制清管器速度。相較于直動(dòng)旁通閥，轉(zhuǎn)動(dòng)旁通閥的控制具有反應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)[67]，因此轉(zhuǎn)動(dòng)旁通閥的使用更加廣泛，包括國外的ROSEN公司和Inline公司[69]，目前常用的轉(zhuǎn)閥形式有常見的轉(zhuǎn)動(dòng)葉片形式[圖4(a)][24,39,66-67]和Delft 大學(xué)聯(lián)合殼牌公司研發(fā)的球形閥形式[25][圖4(b)]。

圖3 直通旁通閥

對(duì)于內(nèi)檢測(cè)清管器來講，對(duì)運(yùn)行速度的控制極為重要，其中速度控制策略是核心技術(shù)，然而目前此項(xiàng)技術(shù)受到國外技術(shù)封鎖，加大研究穩(wěn)定可靠的速度調(diào)控技術(shù)對(duì)國內(nèi)管道檢測(cè)水平的提高具有重大意義。

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

在管道清管操作中，為使清管效果達(dá)到最優(yōu)，清管器的運(yùn)行速度是需要重點(diǎn)控制的參數(shù)之一。清管器運(yùn)行速度的控制方法可分為被動(dòng)控制和主動(dòng)控制，主動(dòng)控制策略主要有射流清管技術(shù)和智能調(diào)速技術(shù)兩種，分別應(yīng)用于不同清管任務(wù)中。

被動(dòng)控制通過調(diào)節(jié)管道入口流體流量或壓力改變清管器的后方驅(qū)動(dòng)力，從而控制清管器運(yùn)動(dòng)速度。此方法不僅可以改變清管器的全線運(yùn)行速度，還可以對(duì)清管器運(yùn)行到某一管段處時(shí)的速度進(jìn)行控制，操作較為靈活，應(yīng)用普遍，相關(guān)操作實(shí)踐廣泛，但被動(dòng)控制會(huì)降低產(chǎn)量，引起生產(chǎn)延期，劣勢(shì)明顯。

圖4 轉(zhuǎn)動(dòng)旁通閥

射流清管技術(shù)在鋼骨架中心開設(shè)旁通孔，主要通過調(diào)節(jié)旁通率、壓降系數(shù)和摩擦力三個(gè)參數(shù)改變清管器運(yùn)行速度，其中優(yōu)選旁通率是最主要的控制方式；旁通率的優(yōu)選主要基于壓降系數(shù)和摩擦力的準(zhǔn)確計(jì)算；通常使用多相流軟件清管模塊或數(shù)學(xué)模型進(jìn)行清管器的速度模擬計(jì)算，選擇合適旁通率。

清管器智能調(diào)速技術(shù)主要應(yīng)用于管道內(nèi)檢測(cè)，其核心技術(shù)是速度控制單元中速度控制策略的選取和設(shè)計(jì)；旁通閥門是改變清管器驅(qū)動(dòng)力的部件，主要分為直動(dòng)式和轉(zhuǎn)動(dòng)式，轉(zhuǎn)動(dòng)式閥門因其調(diào)節(jié)靈活和反應(yīng)迅速而得到廣泛應(yīng)用。

4.2 展望

在被動(dòng)控制方法中，為了選取合適生產(chǎn)流量和操作壓力，不同入口條件下清管器運(yùn)行速度的準(zhǔn)確計(jì)算是關(guān)鍵；目前主要依靠多相流軟件清管模塊進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，但其計(jì)算準(zhǔn)確性需要進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證和相關(guān)修正。

射流清管器的速度控制依賴于旁通率的優(yōu)選，在優(yōu)選過程中，壓降系數(shù)和摩擦力的準(zhǔn)確計(jì)算是關(guān)鍵步驟，尤其是對(duì)于摩擦力，目前仍缺少簡便可靠的計(jì)算方法；未來開展清管器皮碗與管壁間摩擦力的工程計(jì)算方法將有助于射流清管技術(shù)的進(jìn)一步推廣。

清管器智能調(diào)速技術(shù)中速度控制策略是核心技術(shù)，目前受到國外技術(shù)封鎖，研究穩(wěn)定可靠的速度調(diào)控技術(shù)對(duì)國內(nèi)管道檢測(cè)水平的提高具有重大意義。