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摘要: 针对大容量计量光学垂准线法存在的人工劳动强度大、危险系数高、准确度低等缺陷，结合爬壁机器人的研究现状，从机械结构、控制机构与软件设计3方面开展了大容量径向偏差测量机器人装置的研究。在机械结构方面着重开展了吸附机构、驱动机构、传动机构、跨越机构、传感机构的设计研究。研制出的大容量径向偏差测量机器人装置样机已应用于立式金属罐容量的计量工作，测量结果表明：该装置在保证测量准确度的同时，提高了工作的安全性，降低了人工劳动强度。Abstract: Since optical reference line method for high-capacity metrology are characterized by high work intensity, significant risk factors, low accuracies and other drawbacks, and with consideration to currently available technologies related to wall-climbing robots, researches include compositions of mechanical structure, control mechanism and software design are conducted for development of high-capacity radial deviation metering robot. As far as mechanical structures are concerned, researches are performed for design of absorption, driving, transmission, spanning and sensing mechanisms. The developed prototype of the high-capacity radial deviation metering robot has been applied in the capacity metrology of vertical metal tanks. On-site applications show that this new device can effectively enhance operation safety, minimize work intensity of relevant operators without sacrificing metering accuracy.
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某输油管道设计总长超过140 km, 年设计输油能力为100×104 t, 管道设计压力为6.4 MPa, 强度试验压力为8.0 MPa, 严密性试验压力为6.4 MPa。管道为ϕ273×6 mm的直缝电阻焊管，钢级为X52。该管道在试压过程中，由于钢管焊接质量问题发生了12次爆管事故，经换管处理后，管道最后试验压力达到8.0 MPa。为了保证管道的安全运行，经过管道承压能力评价，决定降低压力，在4.0 MPa下运行。为了制订投运后管道维修和更换方案，对管道进行了寿命预测。
一. 管道寿命预测方法
油气输送管道的寿命预测是管道安全评价的重要组成部分，它直接关系到管道检测、维修、更换周期的确定。然而，由于寿命预测工作中存在着许多不确定因素，例如环境、力学和材质状况等，尤其是很难确定在实际工况条件下缺陷发展的规律，使得寿命预测工作难度加大。在现行适用性评价标准中，如CEGB R6、PD6493以及最新发布的API 579草案，对寿命预测方法仅提供了简单的指导性作法，可操作性差，因此，寿命预测一直是困扰管道评价人员的一大难题。
1 基本思路
一般情况下，对于油气管道寿命的预测，主要考虑腐蚀和疲劳两个方面的因素。由于该管道属于新建管道，对未来的腐蚀情况不可预知，发现的缺陷均为未熔合缺陷，所以主要对疲劳寿命进行预测。在油气管道运行过程中，由于压力波动和油气间歇输送，因此存在着发生疲劳损伤、疲劳破坏的的可能性。在对该管道进行寿命预测时，利用了失效评估图技术（FAD）和缺陷扩展的双参数法（考虑了缺陷在长度和深度两个方向的扩展），并根据已建立的缺陷（裂纹）扩展规律进行预测，基本思路见图1。
图 1中的ΔK表示应力强度因子幅，ΔKth表示疲劳门槛值，a表示缺陷深度，a0表示缺陷初始深度，Δa表示缺陷深度增加量，c表示缺陷长度，c0表示缺陷初始长度，ΔN表示循环周次增加量。
2 失效评估图技术〔1~3〕
将未熔合缺陷看成平面型缺陷，对这类缺陷的评价，国际上普遍采用英国中央电力局CEGB R6 (1988年)和英国标准协会BSI PD6493(1991年)中提出的双判据法〔1, 2〕。通过弹塑性断裂力学分析，采用失效评估图(FAD)进行评定(如图 2所示)。FAD考虑了从脆性断裂到塑性失稳所有可能的破坏行为，被认为是最有效、最可靠的含平面型缺陷结构完整性评价方法。
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2015/9/href="yqcy-20-6-48-FE1.png")
式中 Kr——材料载荷比;
Lr——材料韧性比。
Lr max的取值与钢管材料有关。Lr和Kr按下式计算：
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2015/9/href="yqcy-20-6-48-FE2.png")
式中 σref——参考应力；
σys——材料屈服强度；
K1——应力强度因子；
K1P、K1S——根据一次应力和二次应力计算得到的应力强度因子；
Kmat——焊缝断裂韧性；
ρ——塑性修正因子。
二. 管道疲劳寿命预测
1 确定预测参数
(1) 载荷 一次应力主要为管道内压。根据承压能力评价结果，管道内压为4.0 MPa, 载荷比为0.6, 即管道压力在2.4~4.0 MPa之间波动。利用切环法测得二次应力为131 MPa。
(2) 疲劳参数 利用MTS 880材料试验机测试疲劳性能，分别测试了5个试样的疲劳门槛值ΔKth和疲劳裂纹扩展曲线，结果见表 1和图 3。寿命预测时ΔKth取最小值
表 1 焊缝疲劳门槛值ΔKth测试结果
(3) 材料性能 材料屈服强度为360 MPa, 抗拉强度为540 MPa, 焊缝断裂韧性为
(4) 初始缺陷尺寸 根据室内和现场探测结果, 初始缺陷尺寸取管道中可能存在的最大值对应的不同缺陷深度和长度比。分为两种情况，2c0为35 mm, a0为3.5 mm（缺陷Ⅰ）和2c0为210 mm, a0为2.1 mm（缺陷Ⅱ），分别对应的深长比为0.1和0.01（根据缺陷探测结果确定）。
2 预测结果
采用西安石油管材研究所开发的TGRC-AFSP软件对疲劳寿命进行计算。裂纹的扩展过程见图 4。对应于缺陷Ⅰ和缺陷Ⅱ, 管道可安全运行的循环周次分别为22.2×104周次和1.3×104周次。管道投入运行后，可以通过统计管道压力的波动频度，利用计算出的安全运行循环周次，考虑适当的安全系数, 推算出管道检测和维修周期。
三. 结论
假设输油管道运行压力在2.4~4.0 MPa之间波动，利用失效评估图技术（FAD）和缺陷扩展的双参数法，预测管道的疲劳寿命，结果表明，管道可安全运行的循环周次为1.3×104周次，这可为管道检测和维修周期的确定提供科学依据。
寿命预测时只考虑了压力波动的影响，没有考虑管道的腐蚀寿命。管道的腐蚀寿命需要通过管道实际运行时的腐蚀速率进行预测。
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