免费在线 引言 管道运输是当今五大运输方法之一，已成为油气能源运输工具。现在，世界上石油天然气管道总长约200万km，中国长距离输送管道总长度约2万km。国家关键工程“西气东输”工程，主干线亿元，主管线%长距离运输管道要使用几十年、甚至上百年时间，这些管道大全部埋在地下、海底。因为内外介质腐蚀、重压、地形沉降、塌陷等原因，管道不可避免地会出现损伤。在世界管道运输史上，因为管道泄漏而发生恶性事故触目惊心。据不完全统计，截至1990年，中国输油管道共发生大小事故628次。1986到2b期间美国天然气管道发生事故1184起，造成55人死亡、210人受伤，损失约2. 5亿美元。所以，研究管道无损检测自动化技术，提升检测可靠性和自动化程度，加强在建和在役运输管道检测和监测，对提升管线运输安全性含相关键意义。 1.1管道涂层检测装置发展、现实状况和前景 1.1.1管道涂层检测装置发展 管内作业机器人是一个可沿管道自动行走,携有一个或多个传感器件和作业机构,在遥控操纵或计算机控制下能在极其恶劣环境中进行一系列管道作业机电仪一体化系统.对较长距离管道直接检测、清理技术研究始于本世纪50年代美、英、法、德、日等国,受当初技术水平限制,关键结果是无动力管内检测清理设备——PIG,这类设备依靠首尾两端管内流体压力差产生驱动力,伴随管内流体流动向前移动,并可携带多个传感器.因为PIG本身没有行走能力,其移动速度、检测区域均不易控制,所以不能算作管内机器人.图1所表示为一个经典管内检测PIG[5]. 这种PIG两端各安装一个聚氨脂密封碗,后部密封碗内侧环向排列伞状探头和管壁相接触,测量半径方面变形,并和行走距离仪旋转联动,方便使装在PIG内部统计仪统计数据.它含有沿管线全程测量内径,识别弯头部位,测量凹陷等变形部位及管圆度功效,并能够把测量结果和检测位置一起统计下来. 70年代以来,石油、化工、天然气及核工业发展为管道机器人应用提供了宽广而诱人前景,而机器人学、计算机、传感器等理论和技术发展,也为管内和管外自主移动机器人研究和应用提供了技术确保.日、美、英、法、德等国在此方面做了大量研究工作,其中日本从事管道机器人研究人员最多,结果也最多。 图1管内检测经典PIG样机 在已实现管内作业机器人中,根据其行动方法可分为轮式、履带式、振式、蠕动式等几类： (1) 轮式管内机器人 因为轮式驱动机构含有结构简单,轻易实现,行走效率高等特点,对这类机器人研究比较多.机器人在管内运动,有直进式(即机器人在管内平动)也有螺旋运动式(即机器人在管内一边向前运动,一边绕管道轴线转动);轮部署有平面,也有空间.通常认为,平面结构机器人结构简单,动作灵活,但刚性、稳定性较差,而空间多轮支撑结构机器人稳定性、刚性很好,但对弯管和支岔管经过性不佳.轮式载体关键缺点是牵引力提升受到封闭力限制.图2所表示为日本M.Miura等研制轮式螺旋推进管内移动机器人。 (2) 履带式管内机器人 履带式载体附着性能好,越障能力强,并能输出较大牵引力.为使管内机器人在油污、泥泞、障碍等恶劣条件下达成良好行走状态,大家又研制了履带式管内机器人.但因为结构复杂,不易小型化,转向性能不如轮式载体等原因,这类机器人应用较少.图2所表示为日本学者佐佐木利夫等研制履带式管内移动机器人[13],其驱动轮可变角度以适应管径改变,可经过圆弧过渡90度弯管. 图2轮式螺旋推进管内移动机器人总体结构图 图3 轮式螺旋推进管内移动机器人驱动系统图 (3) 振动式管内机器人 振动能够使物体位置改变,依据这一原理,日本学者森光武则等提出了振动式管内移动机器人。其原理为:在机器人外表面装有若干和机体成一定角度弹性针,靠弹性针变形使其压紧在管壁上.机身内装有偏心重物,由电机驱动.当偏心重物旋转时,离心力使弹性针变形,滑动,从而带动机器人移动.振动式管内机器人结构简单,轻易小型化,但行走速度难以控制,而且振动使机器人沿圆周方向自转,姿态不稳定,另外,振动对传感器工作和寿命均会产生影响. (4) 蠕动式管内机器人 参考蚯蚓、毛虫等动物运动,大家研制了蠕动式管内机器人。其运动是经过身体伸缩(蠕动)实现:首先,尾部支承,身体伸长带动头部向前运动,然后,头部支承,身体收缩带动尾部向前运动,如此循环实现机器人行走.图3所表示为日本日历制作所研制蠕动式管内机器人,其前后两部分各有8条气缸驱动可伸缩支撑足,中部有一气缸作为蠕动源。 中国在管道机器人方面研究起步较晚，而且多数停留在试验室阶段。哈尔滨工业大学邓宗全教授在国家863”计划课题“X射线检测实时成像管道机器人研制”支持下，开展了轮式行走方法管道机器人研制，图3所表示。该机器人含有以下特点: (1)适应大管径(大于或等于900mm)管道焊缝X射线)一次作业距离长,可达2km。(3)焊缝寻址定位精度高为±5mm。(4)检测工效高,每道焊缝(900mm为例)检测时间小于3min;实现了管内外机构同时运动作业无缆操作技术, 并研制了链式和钢带式两种新型管外旋转机构,课题研究结果关键用于大口径管道自动化无损检测[8]。上海大学研制了“细小工业管道机器人移动探测器集成系统”。其关键包含20mm内径垂直排列工业管道中机器人机构和控制技术(包含螺旋轮移动机构、行星轮移动机构和压电片驱动移动机构等)、机器人管内位置检测技术、涡流检测和视频检测应用技术,在此基础上组成管内自动探测机器人系统。该系统可实现20mm管道内裂纹和缺点移动探测[9]。 图4 蠕动式管内移动机器人 图4 蠕动式管内移动机器人 1.1.2测量方法研究进展 按有没有破坏性,表面涂镀层厚度测试方法可分为有损检测和无损检测。有损检测方法关键有计时液流测厚法、溶解法、电解测厚法等,这种方法通常比较繁琐,关键用于试验室。现在也有便携式测厚仪,适合在现场使用。常见无损检测方法有库仑-电荷法、磁性测厚法、涡流测厚法、测厚法和放射测厚法等，多种无损测厚法全部有成型仪器设备,使用起来方便简单,且无需对表面涂镀层进行破坏[1] 。所以,该类方法在管道涂层测量中已得到了广泛应用。 常见无损涂层测量方法有磁性测厚﹑电涡流测厚﹑磁性/涡流测厚﹑测厚等 （1）磁性测厚 磁性测厚法可分为2 种:磁吸力测厚法和磁感应测厚法。磁吸力测厚法测厚原理: 永久磁铁(测头)和导磁钢材之间吸力大小和处于这二者之间距离成一定百分比关系,这个距离就是覆层厚度。利用这一原理制成测厚仪,只要覆层和基材导磁率之差足够大,就可进行测量。测厚仪基础结构由磁钢、接力簧、标尺及自停机构组成。磁钢和被测物吸合后,将测量簧在其后逐步拉长,拉力逐步增大。当拉力刚好大于吸力,磁钢脱离一瞬间统计下拉力大小即可取得覆层厚度[2]。新型产品能够自动完成这一统计过程。 磁感应测厚法基础原理:利用基体上非铁磁性涂覆层在测量磁回路中形成非铁磁间隙,使线圈磁感应强度减弱;当测量是非铁磁性基体上磁性涂镀层厚度时,则伴随涂镀层厚度增加,其磁感应强度也会增加。利用磁感应原理测厚仪,标准上能够测量导磁基体上非导磁覆层厚度,通常要求基材导磁率在500 H /m以上。假如覆层材 料也有磁性,则要求和基材导磁率之差足够大(如钢上镀镍) 。 磁性原理测厚仪可用来正确测量钢铁表面油漆层,瓷、搪瓷防护层,塑料、橡胶覆层,包含镍铬在内多种有色金属电镀层和化工石油行业多种防腐蚀涂层。其特点是操作简便、坚固耐用、不用电源、测量前无须校准、价格较低,适合车间做现场质量控制。 （2）电涡流测厚 涡流测厚仪是依据涂镀层和基体材料导电性有足够差异来进行金属基材上涂覆层物性膜厚来测量。该方法实质上也属于电磁感应原理,但能否采取该方法进行厚度测定,和基体及涂镀层材料导电性相关,而和其是否为磁性材料无关。其工作原理为:高频交流信号会在测头线圈中产生电磁场,当测头靠近导体时,就在其中形成涡流。测头离导电基体愈近,则涡流愈大,反射阻抗也愈大。这个反馈作用量表征了测头和导电基体之间距离大小,也就是导电基体上非导电覆层厚度大小。因为这类测头专门测量非铁磁金属基材上覆层厚度,所以通常称之为非磁性测头。非磁性测头采取高频材料做线圈铁芯,比如铂镍合金或新材料。和磁感应原理比较,关键区分是不一样测头、不一样信号频率和大小及不一样标度关系。 采取电涡流原理测厚仪,关键是对导电体上非导电体覆层厚度测量,但当覆层材料有一定导电性时,经过校准也一样能够测量,只是要求二者导电率之比最少相差3～5倍(如铜上镀铬) 。 （3）磁性/涡流测厚 磁性测厚和涡流测厚全部有缺点,为此,很多厂家将二者综合在一起进行测定,采取探头有3种: F型、N型和FN型。其中F型探头采取磁感应原理,可用于钢铁上非磁性涂镀层,如油漆、塑料、搪瓷、铬和锌等; N型探头采取涡流原理,用于有色金属(如铜、铝、奥氏体不锈钢)上绝缘层,如阳极氧化膜、油漆和涂料等;而FN型探头同时含有F和N型探头功效,利用两用型探头,可实现在磁性和非磁性基体上自动转换测量[3] 。现在开发比较成熟磁性测厚仪有时代企业TT220, 德国EPK 企业开发M IN ITEST4100 /3100 /2100 /1100系列测厚仪和PHYN IX企业Surfix/Pocket2Surfix便携式涂镀层测厚仪,能够方便地实现多种条件下无损测厚。 测厚 测厚仪是利用脉冲反射原理,经过发射脉冲至涂层/ 基材, 计算脉冲经过涂层/ 基材界面反射回发射器所花时间来计算涂层厚度。仪器经过一个发射器发射高频进入涂层,振动波会穿透涂层,遇上不一样力学性能材料(如基材) 时,振动波会在不一样材料界面部分反射和传输。反射部分会被感应器接收,传输振动波继续传输到底材,一样经历着全部材料界面间反射、传输过程。传感器将反射波转换成电信号,这些信号会被仪器数码化,数码化反射波被分析后,便得到振荡波所花确实切传输时间[5]。从而计算出涂层厚度。 测厚仪可用于测量多个材料厚度,如钢、铁、塑料和玻璃等。新型测厚仪能够一次测量即可测定多层涂层总厚度及指定各层厚度,且精度很高。 1.1.3管内作业机器人发展前景 为了使管内作业机器人能够立即地走出试验室,进入实用化阶段,必需在以下多个方面有所突破。 （1） 灵活可靠行走机构 前面已经提到,管内作业机器人在弯管、支岔管中经过性问题仍未处理。而要处理这一问题，首先要在机构上确保机器人能够在这些特殊环境中顺利行走.怎样寻求一个融合多种机构优点,既能够提供较大牵引力，又快速灵活，可靠性高驱动方案是值得研究问题.另外，还尤其要在动力系统、传动机构小型化方面下工夫。应该指出是，要处理管内机器人经过性问题,除了要在机械结构方面推陈出新之外,还应该结合控制方案来考虑。比如前述日本于1994年推出BEAGLE200管内探伤系统,采取3台电机分别驱动空间均布3个主动轮，即使机构较复杂，但因为3个驱动轮可分别控制，从而为提升其在弯管段经过性提供了可能。 （2） 智能化传感器系统 对管道内部这类非结构化环境，现有管内作业机器人中传感器或无法正常发挥作用,或过多地依靠人介入，已经不能满足其发展需要。经过多年实践，大家已经认识到传感器集成,即多个传感器(光,机,电,仪)综合利用是处理上述问题有效手段。尤其是以摄像机为基础视觉传感器，因为其直观性，应引发足够重视。同时，优异感知算法研究是必需，只有将感知算法和传感器硬件结合起来，形成智能化传感器，才能为提升管内作业机器人控制水平打下良好基础。 （3） 高度自治控制系统 在管道内部复杂环境中，为减轻操作人员负担，机器人含有自主能力是必需。但这有赖于优异传感器技术，尤其是管内环境识别技术作确保。比如，现在已经有些人在机械手控制中引入视觉伺服技术，即利用视觉传感器来实现机械手位置闭环控制。视觉对管内机器人含相关键意义，利用视觉,能够： ①确定作业位置； ②识别管内环境(是否拐弯,是否有枝杈等)； ③识别机器人姿态(是否有转体,相对于作业位置距离等)。 在管内作业机器人中采取视觉伺服技术,能够有效地克服现有传感器不。
