摘要：文章围绕长距离天然气输送管道的在线内检测器速度控制方面开展相关的技术研究，课题组在大量研究基础上提出一种具有调速响应迅速、无能耗、可靠性高、速度波动范围小等特点的机器人，具有很好的实用推广应用价值。
关键词：速度自控；输气管道内检测器；移动载体
前言
目前，世界上针对管道检测的方法主要有管道外检测和管道内检测两类，管道外检测只能通过对管道外部防腐层损伤、人为破坏、管道埋深等相关数据分析评价管道的状况，无法检测管道自身的腐蚀状况；管道内检测是通过将管道内检测器放置在管道内部，同时检测器随着输送介质在管道内运动，通过相关技术采集管道内部的有效信息并存储，通过后期对检测器所获取的数据进行分析来确定管道内、外的缺陷部位进行定位，从而有效保障了管道的使用安全。
1 管道内检测器实施检测影响因素
管道内检测器在实施检测作业时，由于受到输送介质速度变化、埋地管道随地势高低起伏变化、管道内部光洁度的变化、焊缝等因素的影响，检测器在管道内的行进速度波动性较大，因此，必须对内检测器的移动速度进行控制，目前，常采用节流装置通过旁通方式实现速度控制。此方法已被很多国家成功应用于原油管道工程的检测，并且取得了显著的经济效益和成果。由于输油管道中的油液可近似归为不可压缩一类形态，其在管道内部的输送速度较缓慢（一般不大于3m/s），且其速度变化比较小，因此可通过改变旁通阀门的开度从而实现对液体的输送速度。而另一方面，由于气体具有高压缩比这一特性，其压力升降较快，且其输送速度远快于液体的输送速度，因此在气体输送管道内，很难单纯通过改变旁通阀门的开度来实现对内检测器运行速度的控制。与此同时，在针对气体输送管道方面，国内外更是朝着大口径、高压力以及高流速方向在大力发展气体输送，以西气东送管道工程为例，管道直径为1016mm、设计压力10MPa，气体流速达到20m/s，实施检测作业的内检测器重量达1t左右，都给管道检测器的速度控制增加了难度。
2 国外发展现状与趋势
目前，在国外比较成熟的在线测试管道实验和理论研究的控制主要有：（1）韩国学者Nguyen T T，他假设了一种不可压缩气体——天然气，推导出的计算公式关于带旁通阀的旁通孔局部流体阻力的，采用了数值分析的理论研究了清管器前后压差与动力学方程关于带清管器旁通孔的，应用速度、清管器位置和旁通孔流速3个参数推导了速度控制的方法；（2）伊朗学者Hosseinalipour SM等研究了一种动力学方程动力学方程关于带旁通孔清管器的天然气管道的，并研究气体输送速度机器人运行和距离，结果压力变化之间的关系相比运行9兆帕测量数据管道的压力数值模拟；（3）巴西学者Nieckele A O以及Tolmasquim S T利用有限差分方程推导清管器的运行方程，以收发球站场阀门的PID控制器调整清管器的运行速度，以适于两相流管道；（4）俄罗斯学者Podgorbunskikh A M等研究了内检测器调速技术的进展、设计方法、旁通阀调速机理和旁通阀控制电路等，以提高内检测设备的精度和可靠性；德国ROSEN公司的Rahe F博士为优化内检测器的速度控制效果、降低其耗电量，简化了内检测器的动力学方程，用优化控制策略进行速度控制数值模拟，ROSEN公司研制的内检测器要运行50m才能调速至稳定值，这将导致肘部检测精度下降，完全打开旁通阀需要13秒，在检测数据中存在相当大的误差。
3 国内发展现状与趋势
上个世界80年代末，由于我国不断发生燃气和汽油泄事件，造成了非常严重的后果。也因此让我国相应的研究机构发现了问题的严重性，也有一些机构开始研究了，其中沈阳工业大学杨理践课题组在国家4项自然基金的支持下研发的在线内检测系统，实现了管道特征辨别、管道腐蚀及管道缺陷的在线内检测，已经完成2000多公里的输油管道检测，取得检测成果非常显著，但未见国内输气管道内检测器进行工业检测的报导。国内针对于输气管道内检测器泄流调速理论方面均有比较典型的研究，如杨理践等利用标准孔板流量计构造出内检测器泄流孔模型，通过流体流经标准孔板时的流场对管道内检测器的泄流状态进行了流场模拟，从而得到前后压力场和速度场的数值。
孟浩龙等人分析了不同介质对机器人运动产生的各种影响并对此进行了理论分析和仿真实验，采用了以牛顿第一力学为基础，借助于CFD软件的方法对流场的数值计算进行了详细计算，对水平直管内的内检测器周围的流场进行了相关分析，得到了内检测器受到的驱动力，流体的摩擦力和周围流场的基本情况。
现如今，国内各高校以及科研机构等针对油气管道内清管设备的调速装置方面都进行了大量的研究，如广州工业大学杨宜民等在国家自然基金（项目批准号：60375035）的支持下设计的伞状调速翼，根据行进速度的要求，在电机的驱动下，实时调整驱动皮碗与管壁的环形缝隙来调节泄流量与摩擦负载，该方法只适用于液体低压小管道的调速控制；中国石油大学张仕民在综述了天然气管道清管器的动力学问题、旁通调速装置的国内外研究现状基础上，设计了加装在清管器的泄流通由直流电机驱动的旁通转阀和旁通蝶阀调速装置，通过改变泄流孔泄流的有效开度改变清管器前后压差，进而实现对清管器速度的调控，由于长距离管道检测器每次行进距离一般在350km左右，需要单独携带大量的蓄电池为电机提供电能，且当电能不足时，需要及时关闭转阀，以防止检测器因过量泄流而失去前进动力出现堵管的事故；限于检测器功耗要求，清华大学黄松岭在国家自然基金（项目批准号：10974115）的支持下，研究设计了天然气管道缺陷内检测器泄流装置，该装置利用管道内检测器前后天然气的压力差作为驱动力，根据检测器速度要求，用一个3位2通电磁阀实现了气缸前后腔与检测器前后端天然气管路的通断，并对决定泻流量大小的关键影响尺寸进行了结构优化，实验室条件下的性能测试表明该装置驱动电磁阀所需功耗为10W，泄流阀门启动的最小压力0.04MPa，泻流通道开关时间为3-6秒，由于该装置采用间歇泄流方式，势必导致检测器运行速度波动，而运行在高压大口径天然气管道检测器本体质量就在1t左右，要想控制如此大的质量块在管道内有限速度区间内（0.5m/s-4m/s）低速运行，还存在着很多未解决的问题。
4 结束语
综上所述，对输气管道内检测器的速度控制是该领域的研究热点和难点，还未见有实际应用的相关实例报道。国内外围绕检测器的速度控制问题进行了大量的理论分析与实验验证，探索了管道内检测器的动力学模型和管道内流场的分布规律，在理论上探讨其可能性与可行性，清管作业实践经验也证明了旁通泄流降速的可行性。但对管道内检测器在速度失稳后至重新恢复稳速行进的流场变化规律、调节泄流量对恢复稳速行进作用机理缺少系统的研究与分析；国内部分学者设计并研制出以电机或电磁换向阀控制压差气缸为动力元件，以管道内检测器运行速度检测为目标，采用智能控制系统对泄流口的开度大小或通断时间实现对泄流量的调节与控制，并在实验室条件下进行了测试，取得了阶段性研究成果，但受到电能供给、开启响应速度、高压密封、系统可靠性等因素的制约，还未达到工业化应用阶段。
因此，研制出一种具有完全自主知识产权，并且具有速度调控功能的管道在线内检测器是当下的研究重点，为我国输气管道内检测器的产业化和能源输送提供安全保障。
