一种管道封堵机器人卡瓦与胶筒性能分析试验系统及方法

本发明设计用于油气管道封堵性能检测技术领域，具体涉及一种管道封堵机器人卡瓦与胶筒性能分析试验系统及方法。

背景技术：

目前我国管道里程数逐年增加，随着管道服役时间增长，其自身安全问题将越来越突出，导致管道泄漏事故呈逐年增加趋势，因此，管道后期运维作业技术及装置对于保障其持续安全可靠运行至关重要。

在油气管道维抢修及改线作业中，管道智能封堵机器人装置相比于其他的传统技术及装置有着显著的优势。目前，管道智能封堵机器人装置相关研究在国内刚刚起步，相关产品较少，但随着管道运输的发展，管道智能封堵机器人装置作为管道维修、改线等作业中的关键工具，将具有很大市场。目前与之对应的管道锚定封堵性能试验系统很匮乏，尤其是可用于管道智能封堵机器人装置中卡瓦锚定和橡胶筒封堵等关键技术研究的试验系统较少，并且试验对象单一，无法做到通用性，设备过于昂贵，费用过高，数据采集与处理不够完善等问题。

所提出的管道封堵机器人卡瓦与胶筒性能分析试验系统及方法需满足以下需求：

1.卡瓦与胶筒性能分析试验系统应能够对不同结构类型的卡瓦做锚定性能试验。

2.受管道智能封堵机器人工作环境的影响，卡瓦与胶筒性能分析试验系统需要对管道内的工况进行真实的模拟。

3.卡瓦与胶筒性能分析试验系统应能够对不同结构类型的橡胶筒做密封性能试验。

4.试验系统应能对试验过程实时的监控反馈，并对需要采集的数据快速准确的采集与分析。

技术实现要素：

本发明的目的在于：为管道智能封堵机器人中卡瓦锚定和胶筒封堵等核心技术研究提供一种管道封堵机器人卡瓦与胶筒性能分析试验系统及方法，实现了对不同结构类型的卡瓦锚定和胶筒封堵的可靠性试验，气路模拟模块和液路模拟模块在地面上有效地对管道内的工况进行了真实的模拟，从而为管道智能封堵机器人样机设计及优化提供试验平台，保证了新产品可行性和实用性，有效地提高了整体研发效率。

本发明采用如下技术方案：

1.一种管道封堵机器人卡瓦与胶筒性能分析试验系统及方法，其特征在于，包括：电信号控制模块、三级调压模块、锚定力测试模块、正压力输出模块、锚定封堵性能测试模块、气路模拟模块和液路模拟模块。

所述的电信号控制模块包括控制器、控制线路和人机交互界面，其中人机交互界面能够实时显示压力、温度、管道应力、管道应变、试验系统工作状态等数据。

所述的三级调压模块包括油位传感器、油箱、过滤器ⅰ、直动溢流阀ⅰ、直动溢流阀ⅱ、三位四通电磁换向阀ⅰ、电动柱塞泵ⅰ和直动溢流阀ⅲ，其中油位传感器设置在油箱中，控制器可根据油位传感器的数据控制电动柱塞泵ⅰ的连锁紧急关断。

所述的锚定力测试模块包括三位四通电磁换向阀ⅱ、双向液压锁ⅰ、压力传感器ⅰ、拉力液压缸、基座ⅰ和连接杆，其中压力传感器ⅰ能够测量到卡瓦锚定力。

所述的正压力输出模块包括三位四通电磁换向阀ⅲ、双向液压锁ⅱ、基座ⅱ、推力液压缸、压力传感器ⅱ和夹具，其中夹具与推力液压缸活塞缸连接，夹具为通用夹具，能够夹取不同结构类型的推力块。

所述的锚定封堵性能测试模块包括推力块、卡瓦、应变片、挤压碗、橡胶筒、可更换外套管、可更换内套管、中心支撑管、外连接套管、进口孔和出口孔。

所述的气路模拟模块包括压力表ⅰ、增压机、泄压阀ⅰ、启闭阀和储气瓶，其中增压机能够对储气瓶输出的气体进行增压，使试验系统能够对橡胶筒输出不同的测试压力。

所述的液路模拟模块包括水箱、液位传感器、过滤器ⅱ、电动柱塞泵ⅱ、泄压阀ⅱ、电动调压阀、截止阀、压力表ⅱ和压力表ⅲ。

所述的气路模拟模块和液路模拟模块均设置有泄压管，泄压管上设置有泄压阀。

2.进一步地，所述的一种管道封堵机器人卡瓦与胶筒性能分析试验系统及方法，其特征在于：所述的电信号控制模块中的控制器通过控制线路和三级调压模块、锚定力测试模块、正压力输出模块、锚定封堵性能测试模块、气路模拟模块和液路模拟模块连接，所述的三级调压模块通过液压管线与锚定力测试模块、正压力输出模块连接，所述的锚定力测试模块通过连接杆与锚定封堵性能测试模块中的卡瓦连接，所述的正压力输出模块通过夹具夹取推力块作用在锚定封堵性能测试模块上，所述的气路模拟模块和液路模拟模块为单独控制操作系统，所述的气路模拟模块和液路模拟模块均设置有泄压管，泄压管上分别安装有泄压阀ⅰ、泄压阀ⅱ。

进一步地，所述的一种管道封堵机器人卡瓦与胶筒性能分析试验系统及方法，其特征在于：所述的锚定封堵性能测试模块的外连接套管外设有圆形支撑架，并通过螺栓与试验台架相连，所述的锚定封堵性能测试模块能够对不同结构类型的卡瓦和橡胶筒做锚定和封堵试验，所述的夹具为通用夹具，能够夹取可跟不同结构卡瓦配合的推力块，所述的可更换外套管与外连接套管通过螺栓连接，外径可变，所述的可更换内套管与中心支撑管螺栓连接，内径可变，以适应不同结构类型的卡瓦和橡胶筒，所述的基座ⅰ、基座ⅱ与试验台架通过螺栓连接，所述的拉力液压缸的初始位置为伸出位置。

进一步地，所述的一种管道封堵机器人卡瓦与胶筒性能分析试验系统及方法，其特征在于：所述的气路模拟模块、液路模拟模块和锚定封堵性能测试模块在地面上实现了对卡瓦锚定及胶筒封堵作业时的高压工况模拟，在可更换外套管上开设有进口孔和出口孔，气路模拟模块上设置有增压机，液路模拟模块上设置有电动调节阀，给系统供给不同的试压压力。

进一步地，所述的一种管道封堵机器人卡瓦与胶筒性能分析试验系统及方法，其特征在于：所述的控制器通过控制线路对三级调压模块、压力传感器ⅰ、压力传感器ⅱ、应变片、液位传感器、压力表ⅰ、增压机、电动调压阀、压力表ⅱ和压力表ⅲ等数据采集单元所采集的数据进行传输，能够实时调节液压管线的流量和压力，监测试验系统的工作情况及试验数据，反馈在人机交互界面上显示。

进一步地，所述的一种管道封堵机器人卡瓦与胶筒性能分析试验系统及方法，其特征在于：它包括以下步骤：

s1：调试安装过程，具体包括以下步骤：

准备好待试验的管道封堵机器人卡瓦和橡胶筒，并将与之对应的推力块、可更换外套管和可更换内套管安装好，调试好电信号控制模块，并进行必要的参数设置，开始试验；

s2：正压力施加过程，具体包括以下步骤：

s21：控制器控制电动柱塞泵运转，电磁阀ya1得电，系统压力由直动溢流阀ⅰ调定，电磁阀ya5得电，推力液压缸伸出，通过挤压推力块挤压卡瓦伸出锚定后，再通过挤压碗挤压橡胶筒进行封堵；

s22：卡瓦完成锚定、橡胶筒完成封堵后，电磁阀ya6得电，推力液压缸收回，卡瓦保持锚定，橡胶筒保持封堵；

s23：正压力施加过程中，压力传感器能实时监测推力液压缸输出压力，并反馈给控制器，再根据需要调定系统压力，电磁阀ya1得电，系统压力由直动溢流阀调定，电磁阀ya2得电，系统压力由直动溢流阀调定，三位四通电磁换向阀处于中位，系统压力由直动溢流阀调定。

s3：锚定力测试过程，具体包括以下步骤：

s31：正压力施加完成后，应变片可将可更换外套管上的应力应变反馈到人机交互界面显示

s32：控制器再控制电动柱塞泵运转，电磁阀ya3得电，拉力液压缸呈收回状态，可肉眼观测锚定住的卡瓦是否有松动的迹象，压力传感器能监测拉力液压缸的压力数据，并反馈给控制器显示到人机交互界面上。

s4：封堵性能试验过程，具体包括以下步骤：

s41：气路模拟试验，起始状态所有阀门关闭，控制器控制启闭阀、增压机、截止阀开启，通过对比压力表和压力表反馈的压力数据，判断橡胶筒封堵是否可靠，系统压力可由增压机调定；

s42：液压模拟试验，起始状态所有阀门关闭，控制器控制电动柱塞泵、电动调压阀和截止阀开启，通过对比压力表和压力表反馈的压力数据，判断橡胶筒封堵是否可靠，系统压力可由电动调压阀调定。

s5：试验完成，关闭试验系统电源及阀门，生成试验结果报告。

采用上述技术方案后，本发明具有如下有益效果：

1.使卡瓦径向伸出的推力块通过夹具与推力液压缸连接，推力块可以快速拆换，有效地实现了对管道中不同型号及结构的锚定机构的性能检测。

2.与橡胶筒配合的外管道及支撑内管道可以快速拆换，实现了对管道中不同型号及结构的橡胶筒的密封性能检测。

3.在地面上实现了对卡瓦锚定及橡胶筒封堵作业时的高压工况模拟及性能测试。

4.实现了对试验过程的实时监控，可控制调压回路使液压缸输出不同的测试力，并能有效地将微观的锚定与封堵性能试验转化为宏观的数据输出显示。

附图说明

图1为本发明试验系统结构示意图；

图2为本发明数据采集控制原理图；

图3为本发明提供的一种管道锚定封堵性能试验方法流程图；

图中，0-1为电信号控制模，0-2为三级调压模块，0-3为锚定力测试模块，0-4为正压力输出模块，0-5为锚定封堵性能测试模块，0-6为气路模拟模块，0-7为液路模拟模块；11为控制器，12为控制线路，13为人机交互界面，21为油位传感器，22为油箱，23为过滤器，24为直动溢流阀ⅰ，25为直动溢流阀ⅱ，26为三位四通电磁阀ⅰ，27为电动柱塞泵ⅰ，28为直动溢流阀ⅲ，31为三位四通电磁换向阀ⅱ，32为双向液压锁ⅰ，33为压力传感器，34为拉力液压缸，35为基座ⅰ，41为三位四通电磁换向阀ⅲ，42为双向液压锁ⅱ，43为基座ⅱ，44为推力液压缸，45为压力传感器，46为夹具，51为推力块，52为卡瓦，53为应变片，54为挤压碗，55为橡胶筒，56为可更换外套管，57为中心支撑管，58为可更换内套管，59为外连接套管，60-1为进口孔，60-2为出口孔，61为压力表ⅰ，62为增压机，63为泄压阀，64为启闭阀，65为储气瓶，71为液位传感器，72为水箱，73为过滤器，74电动柱塞泵ⅱ，75为泄压阀，76为电动调压阀，77截止阀，78压力表ⅱ，79为压力表ⅲ。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明做进一步的描述，在本发明的描述中，需要理解的是，使用“ⅰ”、“ⅱ”、“ⅲ”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1、图2所示，一种管道封堵机器人卡瓦与胶筒性能分析试验系统及方法，包括：电信号控制模块(0-1)、三级调压模块(0-2)、锚定力测试模块(0-3)、正压力输出模块(0-4)、锚定封堵性能测试模块(0-5)、气路模拟模块(0-6)和液路模拟模块(0-7)。

所述的电信号控制模块(0-1)包括控制器(11)、控制线路(12)和人机交互界面(13),其中人机交互界面(13)能够实时显示压力、温度、管道应力、管道应变、试验系统工作状态等数据。

所述的三级调压模块(0-2)包括油位传感器(21)、油箱(22)、过滤器ⅰ(23)、直动溢流阀ⅰ(24)、直动溢流阀ⅱ(25)、三位四通电磁换向阀ⅰ(26)、电动柱塞泵ⅰ(27)和直动溢流阀ⅲ(28)，其中油位传感器(21)设置在油箱(22)中，控制器(11)可根据油位传感器(21)的数据控制电动柱塞泵ⅰ(27)的连锁紧急关断。

所述的锚定力测试模块(0-3)包括三位四通电磁换向阀ⅱ(31)、双向液压锁ⅰ(32)、压力传感器ⅰ(33)、拉力液压缸(34)、基座ⅰ(35)和连接杆(36)，其中压力传感器ⅰ(33)能够测量到卡瓦(52)锚定力。

所述的正压力输出模块(0-4)包括三位四通电磁换向阀ⅲ(41)、双向液压锁ⅱ(42)、基座ⅱ(43)、推力液压缸(44)、压力传感器ⅱ(45)和夹具(46)，其中夹具(46)与推力液压缸(44)活塞缸连接，夹具(46)为通用夹具，能够夹取不同结构类型的推力块(51)。

所述的锚定封堵性能测试模块(0-5)包括推力块(51)、卡瓦(52)、应变片(53)、挤压碗(54)、橡胶筒(55)、可更换外套管(56)、可更换内套管(57)、中心支撑管(58)、外连接套管(59)进口孔(60-1)和出口孔(60-2)。

所述的气路模拟模块(0-6)包括压力表ⅰ(61)、增压机(62)、泄压阀ⅰ(63)、启闭阀(64)和储气瓶(65)，其中增压机(62)能够对储气瓶(65)输出的气体进行增压，使试验系统能够对橡胶筒(55)输出不同的测试力。

所述的液路模拟模块(0-7)包括水箱(71)、液位传感器(72)、过滤器ⅱ(73)、电动柱塞泵ⅱ(74)、泄压阀ⅱ(75)、电动调压阀(76)、截止阀(77)、压力表ⅱ(78)和压力表ⅲ(79)。

所述的气路模拟模块(0-6)和液路模拟模块(0-7)均设置有泄压管，泄压管上设置有泄压阀ⅰ(63)和泄压阀ⅱ(75)。

所述的电信号控制模块(0-1)中的控制器(11)通过控制线路(12)和三级调压模块(0-2)、锚定力测试模块(0-3)、正压力输出模块(0-4)、锚定封堵性能测试模块(0-5)、气路模拟模块(0-6)和液路模拟模块(0-7)连接，所述的三级调压模块(0-2)通过液压管线与锚定力测试模块(0-3)、正压力输出模块(0-4)连接，所述的锚定力测试模块(0-3)通过连接杆(36)与锚定封堵性能测试模块(0-5)中的卡瓦(52)连接，所述的正压力输出模块(0-4)通过夹具(46)夹取推力块作用在锚定封堵性能测试模块(0-5)上，所述的气路模拟模块(0-6)和液路模拟模块(0-7)为单独控制操作系统，所述的气路模拟模块(0-6)和液路模拟模块(0-7)均设置有泄压管，泄压管上分别安装有泄压阀ⅰ(63)、泄压阀ⅱ(75)。

所述的锚定封堵性能测试模块(0-5)的外连接套管(5)外设有支撑架，并通过螺栓与试验台架相连，所述的锚定封堵性能测试模块(0-5)能够对不同结构类型的卡瓦(52)和橡胶筒(55)做锚定和封堵试验；所述的夹具(46)为通用夹具能够夹取可跟不同结构卡瓦(52)配合的推力块(51)，所述的可更换外套管(56)与外连接套管(59)通过螺栓连接，外径可变，所述的可更换内套管(57)与中心支撑管(58)螺栓连接，内径可变，以适应不同结构类型的卡瓦(52)和橡胶筒(55)，所述的液压缸基座ⅰ(35)、液压缸基座ⅱ

(43)与试验台架通过螺栓连接，所述的拉力液压缸(34)的初始位置为伸出位置。

所述的气路模拟模块(0-6)、液路模拟模块(0-7)和锚定封堵性能测试模块(0-5)在地面上实现了对卡瓦锚定及胶筒封堵作业时的高压工况模拟，在可更换外套管(56)上开设有进口孔(60-1)和出口孔(60-2)，气路模拟模块(0-6)上设置有增压机(62)，液路模拟模块(0-7)上设置有电动调压阀(76)，给系统供给不同的试压压力。

所述的控制器(11)通过控制线路(12)对三级调压模块(0-2)、压力传感器ⅰ(33)、压力传感器ⅱ(45)、应变片(53)、液位传感器(72)压力表ⅰ(61)、增压机(62)、电动调压阀(76)、压力表ⅱ(78)和压力表ⅲ(79)等数据采集单元所采集的数据进行传输，能够实时调节液压管线的流量和压力，监测试验系统的工作情况及试验数据，反馈在人机交互界面(13)上显示。

如图3所示，本申请基于上述一种管道封堵机器人卡瓦与胶筒性能分析试验系统，还提供了一种管道封堵机器人卡瓦与胶筒性能分析试验系统的试验方法，该方法包括如下步骤：

s1：调试安装过程，具体包括以下步骤：

准备好待试验的管道封堵机器人卡瓦(52)和橡胶筒(55)，并将与之对应的推力块(51)、可更换外套管(56)和可更换内套管(57)安装好，调试好电信号控制模块(0-1)，并进行必要的参数设置，开始试验；

s2：正压力施加过程，具体包括以下步骤：

s21：控制器(11)控制电动柱塞泵ⅰ(27)运转，电磁阀ya1得电，系统压力由直动溢流阀ⅰ(24)调定，电磁阀ya5得电，推力液压缸(44)伸出，通过挤压推力块(51)挤压卡瓦(52)伸出锚定后，再通过挤压碗(54)挤压橡胶筒(55)进行封堵；

s22：卡瓦(52)完成锚定、橡胶筒(55)完成封堵后，电磁阀ya6得电，推力液压缸(44)收回，卡瓦(52)保持锚定，橡胶筒(55)保持封堵；

s23：正压力施加过程中，压力传感器ⅱ(45)能实时监测推力液压缸(44)输出压力，并反馈给控制器(11)，再根据需要调定系统压力，电磁阀ya1得电，系统压力由直动溢流阀ⅰ(24)调定，电磁阀ya2得电，系统压力由直动溢流阀ⅱ(25)调定，三位四通电磁换向阀ⅰ(26)处于中位，系统压力由直动溢流阀ⅲ(28)调定。

s3：锚定力测试过程，具体包括以下步骤：

s31：正压力施加完成后，应变片(53)可将可更换外套管(56)上的应力应变反馈到人机交互界面(13)显示

s32：控制器(11)再控制电动柱塞泵ⅰ(27)运转，电磁阀ya3得电，拉力液压缸(34)呈收回状态，可肉眼观测锚定住的卡瓦(52)是否有松动的迹象，压力传感器ⅰ(33)能监测拉力液压缸(34)的压力数据，并反馈给控制器(11)显示到人机交互界面(13)上。

s4：封堵性能试验过程，具体包括以下步骤：

s41：气路模拟试验，起始状态所有阀门关闭，控制器(11)控制启闭阀(64)、增压机(62、截止阀(77)开启，通过对比压力表ⅰ(61)和压力表ⅲ(79)反馈的压力数据，判断橡胶筒(55)封堵是否可靠，系统压力可由增压机(62调定；

s42：液压模拟试验，起始状态所有阀门关闭，控制器(11)控制电动柱塞泵ⅱ(74)、电动调压阀(76)和截止阀(77)开启，通过对比压力表ⅱ(78)和压力表ⅲ(79)反馈的压力数据，判断橡胶筒(55)封堵是否可靠，系统压力可由电动调压阀76)调定。

s5：试验完成，关闭试验系统电源及阀门，生成试验结果报告。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本专利进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。