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工程设计学报
工程设计学报  2024, Vol. 31 Issue (3): 348-356    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.170
可靠性与保质设计     
基于振动响应分析的海底管道悬空内检测研究
马文滨1,2(),段志文1,2,3,李想1,2,张行1,2()
1.中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院，北京 102249
2.中国石油大学（北京） 高端油气装备智能设计与制造研究中心，北京 102249
3.国家管网集团北方管道有限责任公司 秦皇岛输油气分公司，河北 秦皇岛 066001
Study on submarine pipeline suspension internal detection based on vibration response analysis
Wenbin MA1,2(),Zhiwen DUAN1,2,3,Xiang LI1,2,Hang ZHANG1,2()
1.College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China
2.Center of Advanced Oil and Gas Equipment, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China
3.Qinhuangdao Oil and Gas Transportation Branch, National Pipe Network Group North Pipeline Co. , Ltd. , Qinhuangdao 066001, China
 全文: PDF(4384 KB)   HTML
摘要：

铺设于海床中的海底管道常因洋流冲刷、船舶锚拽等自然或人为因素而处于悬空状态，易造成管道变形、腐蚀、损伤和开裂泄漏等问题，严重影响管线安全。针对DN200海底管道的悬空内检测，设计了一种内检测机器人并对其进行了动力学分析。同时，联合ANSYS与ADAMS软件建立了柔性管道-土耦合模型，开展了悬空管道内检测仿真分析。采用快速傅里叶变换和短时傅里叶变换方法对内检测机器人在复杂激励耦合条件下的振动响应信号进行处理，通过分析机器人的振动加速度实现了对悬空管段的有效识别。研究结果为油气管道悬空内检测提供了新思路。
关键词： 海底管道;  悬空;  内检测机器人;  动力学分析;  振动响应    
Abstract:

Submarine pipelines laid in the seabed are often suspended due to natural or man-made factors such as ocean current erosion and ship anchoring, which can easily cause pipeline deformation, corrosion, damage, cracking and leakage, seriously affecting the safety of pipelines. Aiming at the suspension internal detection for DN200 submarine pipelines, an internal detection robot was designed, and its dynamics analysis was conducted. Meanwhile, a flexible pipeline-soil coupling model was established by combining ANSYS and ADAMS software, and the internal detection simulation analysis for suspended pipelines was carried out. The fast Fourier transform and the short-time Fourier transform were used to process the vibration response signal of the internal detection robot under complex excitation coupling conditions, and the effective identification of the suspended pipeline section was realized by analyzing the vibration acceleration of the robot. The research results provide a new idea for the internal detection of oil and gas pipelines in suspension.
Key words: submarine pipeline    suspension    internal detection robot    dynamics analysis    vibration response
收稿日期: 2023-05-23 出版日期: 2024-06-27
CLC:  TE 978  
基金资助: 国家自然科学基金青年基金资助项目(51805542);国家自然科学基金面上项目(52275141);中国石油大学（北京）科研基金资助项目(2462023QNXZ012)
通讯作者: 张行     E-mail: 18883487151@163.com;zhanghang@cup.edu.cn
作者简介: 马文滨（2001—），男，重庆人，硕士生，从事悬空检测技术与装备研究，E-mail: 18883487151@163.com，https://orcid.org/0009-0007-0627-7456
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马文滨
段志文
李想
张行

引用本文:

马文滨,段志文,李想,张行. 基于振动响应分析的海底管道悬空内检测研究[J]. 工程设计学报, 2024, 31(3): 348-356.

Wenbin MA,Zhiwen DUAN,Xiang LI,Hang ZHANG. Study on submarine pipeline suspension internal detection based on vibration response analysis[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(3): 348-356.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.170    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I3/348

图1  海底管道悬空内检测机器人的整体结构和工作原理
图2  海底管道悬空内检测机器人受激后的动力学分析示意
图3  刚体碰撞模型
参数数值
综合曲率半径/m6.872×10-3
综合弹性模量/(N/m2）1.139×1011
接触刚度系数/(N/m)398.2
阻尼系数/(N·s/m)0.4
力指数1.5
法向穿透深度/m1×10-4
静摩擦系数0.3
动摩擦系数0.1
静平移速度/(m/s)1×10-4
摩擦平移速度/(m/s)1×10-3
表1  碰撞仿真模型参数设置
图4  海底管道有限元模型
图5  柔性管道-土耦合仿真模型
图6  正常管段内机器人的振动加速度幅值
图7  正常管段和悬空管段内机器人的振动加速度幅值
图8  机器人在不同管段内的振动加速度时域特性
图9  机器人在不同管段内的振动加速度幅频特性
图10  机器人振动加速度的时频功率幅值谱
图11  机器人在不同长度悬空管段内的振动加速度幅值
图12  悬空管段长度不同时机器人振动加速度的时频功率幅值谱
图13  悬空管段长度不同时机器人振动加速度的功率幅值时域图（0~ 30 Hz频段）
图14  悬空管段长度不同时机器人振动加速度的功率幅值时域图（50~80 Hz频段）
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