0 引言
清管器可有效减轻原油管道内蜡沉积严重程度。其清蜡方式一般有两种：一种是利用其皮碗或直板来刮除管道内的沉积蜡，这种方式常常用于较短管路的清洗作业；另一种是在清管器本体建立泄流孔，通过从泄流孔泄漏的流体产生的压力，来使管壁上的蜡沉积物粉化并被携带至下游[1-8]。
清蜡清管器的清蜡原理都大同小异，主要是在清管器本体内部安装旁通阀，使原油在通过阀门后产生“射流”效应来粉化管道内的蜡垢，同时给清管器配备不同的清蜡工具，如铁刷和聚氨酯刮刀等来达到更好的清蜡效果。这些清蜡清管器在清蜡时容易在前方形成蜡塞使清管器卡堵，并且由于清管器位置无法确定，造成清管事故[9]。同时，在清理服役年限较长、蜡沉积物较厚的原油管道时，由于清管速度不可控制，无法达到良好的清蜡效果，这就需要增加清管次数，从而降低了清管效率，增加了作业成本[10-13]。
针对上述问题，笔者设计了一种新型清蜡清管器，其主要由调速单元与清蜡单元组成，在作业过程中，可使清蜡清管器一直保持较低的运行速度，在增强清蜡效果的同时，还可对清蜡单元中直流电机的调速控制方式进行优化，以提高作业时执行机构电机的稳定性与安全性。
1 技术分析 1.1 结构及工作原理针对ø377 mm服役年限较长的的原油管道，该新型清蜡清管器结构如图 1所示。
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| 1—测速传感器；2—分瓣聚氨酯盘；3—连接密封套；4—供电模块；5—密封盘；6—清蜡刀头；7—防撞头；8—切削头缓冲弹簧；9—减速机；10—电机；11—虎克铰连；12—旁通阀；13—调速机构；14—电子仓。 图 1 清蜡清管器总体结构图 Fig.1 Overall structure of the wax removal pig |
在清蜡清管器运行过程中，原油管道上下游的压差作用在密封盘的左侧，作为清蜡清管器整体的驱动力，其余3对分瓣聚氨酯盘可使清管器在运动过程中保证整体对中。调速单元负责控制清管器的运行速度，清蜡单元则作为清蜡的执行单元，可及时清除并粉化位于清管器前方的蜡沉积物。
在设计总体结构时，首先需要考虑清蜡清管器在ø377 mm原油管道弯头的通过性问题，若设计尺寸不合理，则在通过弯头时容易发生卡堵，造成清管事故。已知ø377 mm原油管道弯头曲率半径R=1.5D，D为管道内径。清蜡清管器通过弯头示意图如图 2所示。
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| 图 2 清蜡清管器通过弯头示意图 Fig.2 Schematic diagram of the intelligent wax removal pig passing through the elbow |
根据几何关系与相关计算准则，有以下关系式：
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(1) |
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(2) |
代入相关参数，清蜡清管器的主要参数为：骨架宽度260 mm，单节长度850 mm，总长1 979 mm。
1.2 调速单元调速单元的主要作用是控制整个清蜡清管器按照理想的清蜡速度运行，当清蜡清管器运行速度高于理想清蜡速度时，通过直动旁通机构降低清管器前后压差，进而降低清管器前后的运行速度直到理想值。为实现上述功能，需要对清管器运行速度进行实时采集与控制，其测速传感器如图 3所示。
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| 1—里程轮；2—霍尔型测速传感器；3—计数齿轮。 图 3 测速传感器实物图 Fig.3 Velocity sensor |
在清管器运行时，测速传感器的里程轮会紧贴管道内壁，其同轴安装的计数齿轮在经过霍尔传感器时，传感器会产生低电平脉冲信号，电子仓内单片机即可根据脉冲数和里程轮周长算出即时速度，其公式为：
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(3) |
式中：vI为清管器瞬时速度，m/s；Rw为滚轮半径，mm；Tm为定时器定时时间，ms；Ns为时钟脉冲总数；N为单圈产生脉冲数。
将测得的实时运行速度与预先设定的清管器理想清蜡运行速度阈值进行比较，若清管器实际速度与程序预先设定的理想运行速度不一致，则通过控制调速机构带动直动式旁通阀动作，增加旁通面积，改变清管器前后压差，进而达到闭环调速的目的。其调速原理图以及旁通阀结构分别如图 4和图 5所示。其中，vN是预先给定的清蜡清管器理想运行速度，Δv是实际速度与预先设定速度的差值。
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| 图 4 清蜡清管器速度控制原理 Fig.4 Wax removal pig speed control principle |
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| 图 5 旁通阀结构 Fig.5 Bypass valve structure |
1.3 清蜡单元[14-18]
清蜡清管器的清蜡单元是主要的清蜡执行机构，主要由电源模块、电机、减速机和清蜡刀头等构成。电源模块可以有多种选择，对于较短的管道清洗作业，可以选择容量较大的锂电池来作为整个清蜡清管器的供电电源；对于长输管道，考虑到作业周期，可以使用水轮式发电机。当原油流从清蜡单元清管器的尾部进入时，冲刷水轮带动转子旋转切割磁力线发电，产生的交流电经过整流滤波后储存在调速单元电子仓内的蓄电池中，通过电源管理模块转化为不同的电压，满足各个模块的作业需求。电机、减速机以及清蜡刀头组成切削蜡沉积的执行机构，电机通过减速机减速增扭后带动刀头旋转清蜡。清蜡刀头结构如图 6所示。清蜡刀头主要由刀臂、减震弹簧和刀盘等组成。在切削过程中，如果遇到三通和焊缝等特殊管段，刀臂挤压弹簧，使整个清蜡刀头面积变小，保证其在遇到特殊管段时仍具有较好的通过性。被刀头搅碎后的蜡沉积物被及时从清管器前方旁通孔喷出的原油流粉化，并被携带至下游，从而抑制蜡塞的形成。
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| 1—刀臂；2—减震弹簧；3—刀盘。 图 6 清蜡刀头结构 Fig.6 Wax cutter head structure |
为了保证原油流可以经过调速单元的旁通阀流入清蜡单元且不泄漏至管道环空，在调速单元与清蜡单元过渡连接处，即虎克铰链处安装有金属柔性连接承压软管。该承压软管具有较高的强度和较好的弯曲、柔韧性，软管两端通过法兰与清蜡单元和调速单元连接，易于安装且具有较好的密封性，其具体参数为：最小内径200 mm，最大外径252 mm，工作压力10 MPa。
2 旋转清蜡刀头仿真研究利用有限元软件ABAQUS对刀臂进行有限元分析，其有限元模型如图 7所示。有限元模型中的刀头形状按照实际刀头形状建模，在满足计算精度要求和实际需求的基础上，为了方便计算，对模型进行适当的简化以节约计算成本，故将清蜡时刀头旋转切削过程等效为一个正交切削模型。其中v为刀头在清蜡时的线速度，即在正交切削模型中，等效为刀头的进给速度，单位m/s。要研究不同清管器运行速度对刀臂受力的影响，首先需要确定刀头切削速度v与清管器运动速度vN的具体关系，通过计算可得：
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(4) |
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| 图 7 清蜡过程中刀臂切削等效有限元模型 Fig.7 Equivalent finite element model of cutter arm cutting during wax removal |
式中：fN为刀头每转1圈清管器前进的距离，取0.1 m/r。
通过改变清蜡线速度v，即可研究不同清管器运动速度对清蜡过程中刀臂受力的影响。同时，在建模过程中不考虑刀臂刀头的变形，将其看作解析刚体。在ABAQUS软件中，刚体不仅不需要被赋予材料属性，而且对于单元的计算也不会参与其中，这样在模拟清蜡过程中，由于定义面面接触时主面为刚体刀头，计算效率会大大提高，并且结果更容易收敛[19-21]。
清蜡模型网格划分采用ALE网格自适应方法，该方法不会改变原有网格的单元节点数和连接关系，而是在单分析步的求解过程对网格质量进行逐步改善。该方法主要用于ABAQUS/Explicit的大变形分析，对于所提出的清蜡模型具有较好的适应性。网格单元类型采用Explicit单元库中的CPE4R四结点双线性平面应变四边形单元，单元总数3 388个。为了使计算结果更加准确可靠，防止网格畸变过大导致结果不收敛，对切削部位的网格进行加密。
蜡没有确定的材料本构，且影响其屈服强度的因素有很多，通过查阅相关文献，对于ø377 mm原油管道，40 mm蜡沉积物的屈服强度约为0.8 MPa。同时考虑原油管道内工况复杂，为了使刀头在清蜡过程中切削力的结果更加安全，采用铝的Johnson-Cook模型来对切削层的材料进行赋予。
清蜡模型的边界条件如图 8所示。切削工件的左边界和下边界完全固定，对于刀头，只放开X方向的自由度，且设置一个沿X轴负方向的切削速度。
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| 图 8 切削有限元模型边界条件 Fig.8 Boundary condition of cutting finite element model |
当切削速度v=5.67 m/s，即清蜡清管器运行速度vN=0.5 m/s时，仿真结果如图 9所示。图中t1~t4分别表示不同的切削时间。由图 9可以看出：在清蜡刀臂清蜡过程中，切削层发生极大的塑性变形，最大等效应力集中在刀臂和切削层的接触位置；随着切削的进行，在刀臂附近的应力场会逐渐趋于稳定，并且会形成条状切削，该切削剪切面滑移流出。清蜡刀臂沿X和Y轴切削力曲线如图 10所示。从图 10可以看出，刀臂轴向切削力和径向切削力均具有较大的波动。
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| 图 9 清管器运行速度为0.5 m/s时应力云图 Fig.9 Stress distribution under the pig running speed of 0.5 m/s |
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| 图 10 清管器运行速度0.5 m/s时刀臂切削力 Fig.10 Cutting force of cutter arm under the pig running speed of 0.5 m/s |
当v为9.07和11.33 m/s，即清蜡清管器运行速度vN=分别为0.8和1.0 m/s时，按照上述模型进行计算，并与清管器运行速度为0.5 m/s时清蜡刀臂X与Y方向切削力进行比较，结果如图 11和图 12所示。
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| 图 11 不同运行速度下X轴方向切削力 Fig.11 X-axis cutting forces at different running speeds |
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| 图 12 不同运行速度下Y轴方向切削力 Fig.12 Y-axis cutting forces at different running speeds |
从图 11和图 12可以看出，当清蜡清管器运行速度为1.0 m/s时，切削过程清蜡刀臂切削力波动较小，且其X、Y方向清蜡刀臂切削力的最大值分别为3.91和1.81 kN。
综合上述仿真结果，不仅可以近似推出清蜡过程中清蜡刀臂切削力的变化情况，还可以将计算得出的最大切削力大小作为执行机构参数选型的参考依据之一。
3 清蜡执行机构电机控制系统研究 3.1 电机参数计算在清蜡清管器清蜡过程中，为了计算相关主轴参数，将清蜡刀头清蜡过程等效为钻削过程，如图 13所示。
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| 图 13 清蜡过程等效示意图 Fig.13 Equivalent diagram of the wax removal process |
按照钻削计算的相关公式，首先对相关参数进行计算，计算式如下：
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(5) |
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(6) |
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(7) |
式中：vN为清管器的运行速度，等效为钻削中的进给速度，由第2节的仿真结果，vN取相对较优的运行速度1.0 m/s；Kc为单位面积蜡材料的切削力，为3 N/mm2；η为安全系数，取2；Dm为管道内径，n为切削刀头的转速，r/min；Pc为切削功率，kW；Mc为切削扭矩，N·m。
根据以上计算参数，结合第2节中1.0 m/s时切削过程中轴向和径向的最大切削力大小，可得执行机构电机参数为：额定功率0.4 kW，额定电压48 V，额定电流3.7 A，额定转速3 000 r/min，电枢电阻6.5 Ω，总回路电阻8 Ω，电磁时间常数0.015 s，机电时间常数0.2 s。
电机通过弹性联轴器连接一级减速机减速增扭，减速机减速比为5，额定输出力矩为20 N·m，额定输入转速为5 000 r/min。并且该减速机许用轴向力和许用径向力均大于上节仿真计算出的刀臂轴向和径向的最大切削力。
3.2 控制系统设计对清蜡清管执行机构的控制方式进行设计时，首先希望该电机调速系统具有较好的跟随特性，另外需要电机调速系统具有抗扰动性能，然后还要预防外界因素导致的电机堵转以及过载引起电枢电流过大烧坏清蜡电机的风险[20-21]。为此，初步采用串联校正电流、转速双闭环系统，其外环带有限幅作用的ASR转速PID调节器，这样不仅可以消除静差，而且可以使转速实时跟随电压的变化。内环带有限幅作用的电流调节器ACR可以保证电机以其允许的极值电流启动，加快动态过程，同时也可使电流跟随给定电压的变化。通过串联ASR与ACR调节器，使整个清蜡执行机构电机调速系统不仅对负载扰动有很好的抗性，而且当电机遭遇过载或者堵转情况时，对电枢中电流有一定的限制作用，从而对电机起到快速的保护作用[22-27]。整个系统的Simulink动态仿真结构图如图 14所示。
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| 图 14 执行机构控制系统的Simulink动态结构图 Fig.14 Simulink dynamic structure diagram of the actuator control system |
仿真算法采用TR-BDF2的ode23tb算法。图 15为加入扰动后的响应曲线。通过图 15可以看出：采用双闭环控制的清蜡执行机构的响应曲线具有较强的动态特性；在2 s时分别添加Step阶跃扰动与Ramp斜坡扰动后，双闭环控制系统快速调节，使转速很快上升到稳态值，而开环系统则会出现很大的动态速降。这说明清蜡清管器执行机构控制系统具有较强的抗扰能力。
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| 图 15 加入扰动后的响应曲线 Fig.15 Response curve after adding disturbance |
3.3 清蜡执行机构转速超调优化
虽然设计的串联校正电流和转速双闭环系统已经获得了较好的动态性能与抗干扰性能，但从转速响应曲线可以看出，存在约17%的超调量。为了进一步提高系统的动态性能，抑制转速超调量，在转速调节器前增加一个转速微分负反馈环节，如图 16所示。
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| 图 16 加入转速微分负反馈后的清蜡机构双闭环调速系统仿真模型 Fig.16 Simulation model of double closed-loop speed control system of wax removal mechanism after adding rotating speed differential negative feedback |
加入微分负反馈后的响应曲线如图 17所示。从图 17可知，转速超调量明显减小，系统动态特性显著提升。
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| 图 17 加入微分负反馈后的响应曲线 Fig.17 Response curve after adding differential negative feedback |
综上所述，针对清蜡清管器执行机构的控制希望与清蜡时恶劣工况设计的串联校正转速、电流双闭环调速系统，不仅具有较好的动态特性，同时具有一定的抗扰能力，这对于后期清蜡清管器样机的清蜡执行机构调试具有一定的参考价值。
4 结论(1) 针对服役年限较长的ø377 mm原油管道设计的新型清蜡清管器主要由调速单元和清蜡单元组成。调速单元主要通过旁通阀改变清管器前后压差，降低清管器在原油管道内的运行速度，从而增强清蜡效果；清蜡单元通过执行机构带动清蜡刀头旋转清蜡，被清除的蜡沉积物通过清蜡单元前端旁通孔喷出的油流冲散并携带至下游，防止清蜡过程中形成蜡塞造成卡堵事故。
(2) 通过Abaqus软件研究了清蜡过程中蜡切削力的波动情况，选择相对最优的清管器运行速度，同时可以将仿真结果中最大切削力作为清蜡执行机构的电机与减速机的选型标准。
(3) 针对清蜡清管器的控制希望与清蜡执行机构运行时的恶劣工况，设计了转速、电流双闭环调速系统，通过Simulink仿真结果可以看出：该系统不仅具有较好的动态特性，同时具有一定的抗扰能力。这对于后期清蜡清管器样机的清蜡执行机构调试具有一定的参考价值。
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