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    X射線管道爬行器的研制

    2019-01-12   來源:   點擊數:18次 選擇視力保護色: 杏仁黃 秋葉褐 胭脂紅 芥末綠 天藍 雪青 灰 銀河白(默認色)   合適字體大小:
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       中國鋼管信息港最新消息:大型管道中的流量測量近年來已普遍引起人們的重視,并認真地著手解決。不少企業為節省場地,便于安裝,在管道中流體壓力不大的情況下,常采用矩形管道貼壁安裝,如火電廠進風管道、大型通風系統,采用邊長達2~3m的矩形管道已屢見不鮮。這種管道中的流量測量有一些特殊問題,不能照搬圓管中的測量方法和儀表,而中又少有介紹。前二年,筆者為解決某工程的這個問題,進行了探索,設計、制造了二臺機翼流量計,并一次調試、投運成功。
      
      1流體在矩形管道中的流動特點早在1926年,Nikuradse就對流體在矩形管道中的流動進行了測試,其等速線如所示。它顯示出不同于圓管中的同心圓等速線,并且發現有二次流。
      
      二次流從本質上來看,是在紊流條件下,在管道橫截面上,有垂直于軸向的法向流動,它與軸向流動疊加后形成二次流,也可稱為渦流。由于層流不存在法向流動,所以在層流條件下不可能發生二次流。
      
      (成都科學技術服務中心,成都(Sioooo)后,1964年,Brundrett及Baines又對矩形光滑管及粗糙管中的流動進行了測試。他們認為矩形管道中的二次流是由橫截面上的雷諾力所引起的,而起主要作用的是法向應力強度,這是一種非等熵流動,紊流運動是形成二次流的基礎。1973年Landei和Ying采用分析方法描述了這種復雜的流動。他們論證了二次流有使壁面應力均勻化的趨勢,并指出二次流將改變摩擦因子的大小,其幅度約為±10%.長期以來,人們對這種流動的研究著重在對阻力的影響,很少涉及流量的測量,近年來才有所考慮,有關論述參見。
      
      也曾有人企圖只測矩形管道軸向的壓力梯度dp/d,來解決流量測量問題,其公式為1/2高度;為流體動力粘性系數;dPl/ck為無量綱軸向壓力梯度。
      
      這種方法至今還未聽說應用到實際工程中,問題在于這個計算公式是否確切地描述了實際的流動情況,是否可準確確定邊界條件。這些還有待于實踐證明。
      
      2常用方法下面介紹測量矩形大管道流量的三種常用方法,雖各有所長,但均不盡人意。
      
      2.1速度面積法這是一種經典的測量方法,早已有國際標準可以遵循(IS03966,IS07194)。這種方法的優點是不受管道大小的限制,而且也還準確、可靠;不足之處是確定一個流量值要測20多點的流速,測量十分繁瑣,因此幾乎不太可能應用于工業現場上,但卻可做為一種最基本、最實際的校驗方法。
      
      此處要說明的是,在國際標準中,這種方法推薦的流速計是NPL型皮托管,它雖準確但對流向比較敏感,當流向偏離軸向超過10時,就將引起1%以上的誤差。在圓管中應用多屬位流不成問題,但用于矩形管道則應另當別論。因在矩形管道中不可避免地會存在二次流,流向偏離超過±10則司空見慣,仍用NPL型皮托管,難保必要的準確度。為此,筆者推薦一種帶導流進口的特殊皮托管,它在流向偏離軸線±40.以內時,仍可保持1%的準確度。
      
      2.2插入法2.2.1點速法點速法是通過測量管道中某一點的流速來推算流量的方法。這種方法簡單易行,但準確度很低,在工業現場多用于監測,很少用于計量。
      
      中國鋼管信息港最新消息:原則上,采用這種方法一般流速計均可測流量。
      
      目前所用的有插入式渦輪流量計、插人式渦街流量計、皮托一文丘利管等等。筆者在此特別推薦皮托一文丘利管,它結構簡單,工作可靠,可輸出比皮托管大幾倍的差壓信號,且耐高溫及可工作在較前二者更為惡劣的現場,在火電廠及冶金、鋼鐵行業曾風行一時。要注意的是,其速度-差壓特性重復性差,每支均需在風洞中校驗后才好使用。
      
      2.2.2線速法線速法是指一次測量沿一直線上多點流速的綜合值來確定流量,較點速法準確,且安裝條件也優于點速法,國內外常采用均速管。它的結構簡單,工作可靠,便于安裝,較適用于矩形管道各種情況的風量測量,其安裝位置如所示。
      
      均速管在矩形管道中使用時,其流量計算公式與圓管類似,不同之處是在計算橫截面積及便于選用流量系數K時引用了當量直徑與矩形橫截面寬6與高/1的關系為這樣處理僅為權宜之計,特別是當矩形截面的寬6與高h相差較大時,會有較大的誤差。
      
      2.3彎管流計(見這種方法已應用了幾十年,是一種較成熟的測量方法,只是輸出差壓太小,測量精度也不高。在采用矩形管道時,由于工藝布局的需要,可常見有矩形彎頭,如果因勢利導加以利用,倒也是一種可考慮的方法。
      
      否則,在直管道中刻意加入一個90彎管流量計則就大可不必了。
      
      3機翼流量計3.1原理測量矩形管道中的流量,早期曾采用過矩形文丘利管。為防止氣流在擴張段分離,增大壓損,后擴張角一般不得超過1p~12,因此文丘利管很長,給安裝與運輸帶來不便。如果在矩形通道中安裝一至數個機翼(見),則既可能將每個分離角控制在10~12°,又縮短了整個長度,使結構緊湊,便于安裝、運輸。
      
      從原理上來看,機翼流量計采用的還是節流,使氣流加速、降壓,通過測差壓來確定流量的大小,因此,它仍是一種節流裝置。但機翼流量進口部分有導流作用,在氣體加速的過程中,可緩解氣流的橫向流動,減小渦流的尺寸,所以它對進口直管道的長度要求不象機翼流量計原理圖一般節流裝置那么苛刻,約僅需3倍當量直徑的長度,這一點對矩形大管道特別具有實用價值。
      
      3.2計算公式一般流經機翼流量計的氣流速度不會超過30m/s,故可按不可壓流處理,流體的密度p可視為常數,公工推導以柏努利方程及連續方程為基礎(推導從略),計算公式為輸出差壓,pa;yv為常數,取決式(2)各參數的單位,此處為5.09x103;K為流量系數,一般在0.95~0.99之間;a為阻塞比,定義為m =42/禹;七為流量計喉部最小通道面積,m2;山為流量計進口截面積,m2.在設計機翼流量計時,往往是已知流量9及進口截面積木,由此來選定差壓Ap及阻塞比a二個參數。計算時要先給定其中一個參數來求另一個參數。筆者建議選定阻塞比a時以0.3~0.5之間為宜;a值選得太小,過于閉塞則壓力損失太大,影響管道中的正常流動;選得太大,節流效果不明顯,輸出差壓又太小,難以選用差壓變送器。差壓Ap值建議不要小于400Pa,上限則無限制。
      
      3.3結構機翼流量計的結構如所示。
      
      機翼型面型面的曲線由三段組成:前緣為一個曲率半徑為25的圓弧(或直接采用一根衫0的圓管);中段曲線為二次方程y2=c(c為常數)所描述;后緣為便于加工采用直線,三段平滑相接,不允許有拐點。
      
      總、靜壓孔位置在每個機翼前緣正對流向有一組總壓孔,各孔相距0.2~0.3m,將所測得的總壓匯集在位于前緣的總壓匯管中,再將每個匯管中的總壓均值接至位于機翼流量計外殼上的總壓集氣管,通過儀表閥門,接至差壓變送器篼壓端。
      
      在機翼最高點,也就是通道最窄處的機翼表面有一組靜壓孔(如考慮到流體的運動慣性,對流體而言,最窄通道應處于結構最窄處下游約1公分處)。各靜壓孔的間距為0.1~02m,將所測得的靜壓匯集在由截面50mmx60mm的方槽靜壓匯管中(見)。每個靜壓匯管采集的靜壓再接到位于流量計外殼上的靜壓集氣管,通過儀表閥門接到差壓變送器低壓端。
      
      總、靜壓孔徑總壓孔徑為2~3mm;靜壓孔徑為1~2mm.一般來說,靜壓孔應為機翼板厚的1/2.靜壓孔不允許有倒角,邊緣光滑不得有毛刺、焊渣。而總壓孔前緣可允許有90>~120P內倒角,甚至為加強導流作用,安裝導流套管。
      
      試驗研究X射線管道爬行器的研制張歷成華博張宏亮(中國石油天然氣管道一公司,盤錦應用效果及其具體的研制過程,包括硬件和軟件設計過程中應該考慮的-些關鍵問題,并將輻射場反饋、內定時等新方法應用于管道爬行器。通過大量的實踐檢驗和技術數據對比,證明此爬行器具有經濟、高效的特點主題詞射線照相爬行裝置管道硬件軟件DEVELOPMENTOFX-RADIOGRAPHICCRAWLER隨著我國石油工業的全面發展,對外承攬石油基建工程多,由我國承建的第一條國外大型輸油管道一一蘇丹輸油管道工程于1998年開始建設,這條管道全長1500km,直徑711mm(28in),工期1a(年),要求管道對接焊縫100%射線檢測,總檢測量將達15萬道口以上這是一項國際投標工程,如果仍然采用國內常用的檢測手段,即定向X射線機雙壁單影法檢測,無論從施工速度、人員數量還是造價上,都完全不具備競爭能力唯一可行的辦法就是采用射線管道爬行器拍片,由于壁厚及標準的原因,Y射線管道爬行器在此難以適用,只有采用X射線管道爬行器,它采用內曝光,具有底片質量好、速度快等優點,但需要進口,價格昂貴,日常維護工作量大且維修困難在這種情況下,我們研制出了X射線管道爬行器,并成功地大范圍地在蘇丹輸油管道建設中投入了試運行,實踐證明,該爬行器操作維護簡單,工作穩定可靠,定位精度滿足使用要求,照相質量符合美1104-94標準,完全達到進口產品的使用水平,取代了進口產品1國內外技術概況根據資料調查,國外對X射線管道爬行器己研究了多年,技術相對較成熟,并己經有系列產品出售,主要國家有法國、英國、美國及比利時等。而國內基本處于研制階段,未見大范圍推廣應用及產品出售。
      
      在國內,射線照相檢測目前仍然主要依靠X射線探傷機與Y射線源在管道外面通過雙壁透射進行,因雙壁單影透照,厚度加必需大管電壓,焦距長又必需加曝光時間,所以不但底片靈敏度欠佳,而且檢測效率與內曝光相比也十分低下。
      
      目前,一臺進口X射線管道爬行器的價格約100萬元人民幣,一般無現貨,訂貨期最少3個月,不但價格昂貴,售后服務問題也難以得到及時有效的解決我們己于1997年研制成功了首臺Y射線管道爬行器,并己通過局級鑒定此外,公司還有10a以上應用進口X射線管道爬行器的經驗,在此基礎上開發研制X射線管道爬行器己不存在技術障礙在國外,長距離輸油管道早已普遍采用10(%射線檢測,國內正在向這個方向發展,因此,用目前的管外透照已難以滿足檢測工作量迅速遞增的現狀,尤其是參加國外工程施工,就更有必要改進現有的檢測手段2總體設計2.1總體方案在為期3個月的調研過程中,查閱了近期國外爬行器廠家的有關技術資料,對現有的進口X射線管道爬行器的性能、控制方法、適用范圍及工作條件等進行了對比分析,并到國內有關探傷設備的生產廠家進行了調查,確定了如下方案:21.1主體部分主體分為電動車(含控制)X射線機和充電電源車(專為射線機供電)三部分。整機電路方框圖見產生裝置,由機械行走部分帶動射線發生裝置在管道內部行走,在管道外對接焊縫處貼X射線專用膠片和標記,通過管道外部遙控裝置的配合,可在管道內定位及曝光,從而對管道對接環焊縫進行X射線透照,實現管道對接環焊縫的無損檢測,另外,還可遙控爬行器的前進、后退和停機等動作。
      
      2.22硬件設計硬件設計包括機械行走部分、射線發生部分、定位傳感器、控制器(電路)部分、電源部分和自動救護車部分。
      
      機械部分由電動車、充電電源車24V直流電動機、減速器膠輪、輪軸及連接附件組成。
      
      充電電源車選用1mm厚不銹鋼板,經沖壓焊接而成,要求本身有一定剛性不易變形,安裝耐磨材料車輪,整體長度根據電池體積決定,不能過長,以免增大轉彎半徑和增加運輸難度。電池接線方這種分體式設計有利于搬運及多功能的實現當需要改為Y射線爬行器時,可以用具有電動開源收源機構的Y射線源取代X射線機和充電電源車部分。
      
      當需要作為救護車使用時,可以用救護車部分取代X射線機和充電電源車部分。其中電動車部分采用電池驅動的直流電動機帶動減速機構制作,X射線機部分采用專門研制的直流供電型周向X射線機,充電電源車部分采用閥控密封免維護蓄電池串聯組成21.2爬行器設計的主要技術指標爬行距離〉8km,爬坡坡度10,定位精度<25cm,工作溫度-10°C~+ 3mA,累計曝光時間〉80min 2.2設計22.1設計原理射線管道爬行器主要由機械行走部分、射線發生部分、定位傳感器、邏輯控制器電源及管道外部的遙控定位用指令源等組成,它是一種自動化射線射線機部分具體要求是直流高壓直接供電,固定管電壓160kV,管電流3mA,取消AC/DC部分,改變高壓包參數,提供故障反饋信號,散熱風扇按需自動打開及自動延時關閉,以節省電力。控制臺體積要小且與射線機頭一體化安裝,結構上采取防塵設計。
      
      定位傳感器部分對于其中的抖動、誤動問題可以在程序設計中進行容錯處理,從而降低其設計復雜性因運輸途中振動很大,所以制作工藝要求較高,元器件嚴格篩選,并采取防振措施。
      
      中國鋼管信息港最新消息:控制器(電路)部分根據研制Y射線爬行器的經驗,繼續采用原可編程控制器(FXO系列20點繼電器輸出型),它具有體積小供電方便可靠性高的特點。電路布線盡量簡單化,以方便維護,就近安排強電部件,將強電與弱電分離,以免造成對控制系統的干擾電動車供電考慮到控制器供電方便和電動機供電時間的要求,電動車電源采用24V直流電源,行走速度可達18m/min,以平均工作電流為4A計算,可以連續爬行約7. 6h(以8(%放電容量計算),爬行距離8208m爬行距離遠是一項重要特色,這樣可以適應一臺爬行器在幾個工作面輪流工作和“二接一”間隔檢測的施工技術要求射線機供電X射線管道爬行器供電方式有四種:①燃油發電機供電②直流逆變器供電③有線電纜供電④純直流高壓供電目前的發展趨勢是純直流高壓供電方式,這種供電方式具有效率高、無噪音、重量輕使用靈活方便等優點。所以,從技術進步角度出發,選用純直流高壓供電為好,經綜合考慮,直流電壓選擇120V,這樣便于X射線機和充電電源車的設計自動救護車部分利用12V直流電動機通過渦輪渦桿傳動帶動提升臂動作,要求升降到位,能夠自停。此部分作為一個單獨部分,當需要時再與任意一臺普通爬行器的電動車相連接而組成自動救護車,并采用了唧插即用“的控制方式,在轉換為救護車時無需另外的轉換開關加以控制用于因電源供給問題或驅動電機故障而不能運動的爬行器的救護,可以自動將故障爬行器拖出管道此外,在充電電源車一射線機一電動車之間的掛接環節上了國外的設計,做到了既方便掛接、運行靈活,又不影響定位精度22.3軟件設計軟件設計主要包括運行過程程序化描述和PLC程序編制。
      
      運行過程程序化描述,就是根據實際工作要求和現場積累的工作經驗,作出用戶需求分析,在控制器內部通過編程對外設進行時間上的操作安排,外設包括定位傳感器、按鍵、指示燈、警報器、定時器電動機(繼電器組)、射線機和自動救護車等。
      
      中國鋼管信息港最新消息:程序設計采用梯形圖語言編制流程圖,利用手持式編程器調試(具體程序略)在軟件方面設計了定位傳感器故障定時器故障、射線機故障等容錯能力,可在一定程度上自動修復或保護退出管道,最大限度地防止了割管的發生同時,我們還設計了一種新技術,使爬行器在工作過程中的曝光時間可以通過管道外部遙控調整,為壁厚變化的管道檢測提供了方便此外,還預先設計了管內積水傳感器和電流過流傳感器等1配套程序,以利于以后的功能擴展3性能試驗經實測其數據如下所述,適用管道直徑400~ 1200mm,運行速度可達18m/min,最大爬行距離10.8km,最大爬坡坡度15,定位精度<±最小轉彎半徑10D(D為管道直徑),工作溫度72°C(蘇丹輸油管道施工現場管道內部氣溫),X射線機參數160kV/3mA,累計曝光時間82min,電動車電壓DC24V,射線機工作電壓DC120V,射線機工作電流6A 4結論長達1a時間的試驗運行實踐證明,各項技術性能指標己經達到了原設計的要求成功地實現了以國產取代進口,節約了大量的外匯效率與雙壁單影透照相比至少提高8倍以上,表1為對711mm管線進行實測的數據。
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