自驱动小口径管道内检测机器人

 

胡建国 张志浩 解奋

(西安长庆科技工程有限责任公司,陕西西安) 

 

   管道机器人的出现,在管道内腐蚀直接检测技术上实现了突破。然而,对于小口径管道的内壁探测,由于机器人在管道内工作空间受限,内壁作业的可操作性一直是行业的难题。本文在对现有管道机器人结构对比分析的基础上,以小口径管道内窥及防腐涂层厚度检测为目标,通过对螺旋式管道机器人的过弯道能力和越障能力的理论分析及结构尺寸参数优化,设计了一种能够顺利通过2倍D弯头和5mm高度焊瘤,可实现管道内500m无线控制与信号传输,满足DN80~DN130管道的内窥与涂层厚度探测要求的管道机器人检测系统。目前已经成功应用于长庆油田新建管道的防腐涂层厚度检测,为管道工程的施工建设和验收提供了技术支持。

关键词  管道探测   管道机器人  涂层厚度检测   管壁图像检测

 

Self-driving robot for internal detection of small bore pipelines

Hu Jianguo  Zhang Zhihao  Xie Fen

(Xi’an Changqing Science & Technology Engineering LLC, Xi’an, Shaanxi)

Abstract  It is a challenge for the operability of internal detection by robot in the small bore pipelines as the restricted space inside the pipelines. By comparison between the available pipeline robots, the paper analyzes the robot capability in bends passing and obstacle crossing in the spiral-weld pipelines. For the purpose of internal detection and coating thickness measurement, the paper describes a self-driving robot, which could smoothly pass through 2D bends and raised 5 mm high weld beading during the internal detection and coating thickness measurement of DN 80 – DN 130 pipelines. The wireless control and signal transmission within 500 m inside the pipeline is achievable. Currently, the self-driving robot has been used in the internal coating thickness measurement of the newly constructed pipelines in Changqing oilfield to support the construction and commissioning of the oilfield pipelines.   

Key words  pipeline detection, pipeline robot, coating thickness measurement, pipe wall image survey  

0  引言

管道作为一种经济、高效而安全的物料输送方式,成为石油与天然气行业的生命线,然而管道在长期运输使用过程中,管壁受到流体冲刷、电化学腐蚀容易出现裂纹、腐蚀穿孔等,引起输送介质的泄漏,严重影响了管道的正常运行,还可能造成严重的安全事故[1]。管道大部分深埋于地下,管线结构复杂,使得实现管道内的探测极其困难。国外的管道机器人在无损探伤与检测领域已经进入实际应用阶段,在管道工程中发挥着日益重要的作用[2,3]。而国内关于管道探测机器人起步较晚,主要以大口径管道的探测为主,且过弯头与爬坡能力一般,而对于小口径管道探测则是行业难题[3,4]。管道内壁涂敷的防腐涂层能有效减缓管道腐蚀速度,提高管道使用寿命,而管道涂敷防腐涂层施工的重要评价指标就是涂层厚度及均匀程度[5]。因此,研发出一种能完成小口径复杂管道的内窥及防腐涂层厚度检测机器人系统迫在眉睫。

1  管道检测机器人结构的对比分析

国内外的现有的管道探测机器人多种多样,按照驱动方式及结构不同,可分为:活塞式、支撑轮式、履带式、蠕动式、螺旋式,它们的主要特点如下:

(1) 活塞式:活塞式管道机器人利用管道作为缸体,管道机器人作为活塞,通过活塞在缸体内两侧的压力差提供动力,把管道机器人向压力小的一侧推动,为了保证加压侧介质的密封性,管道机器人只能单向推动,长距离管线探测时,缸体体积过大,速度控制困难。

(2) 支撑轮式:又称平板车式,依靠电机驱动车轮,利用车轮与管壁的反向摩擦力来提供动力,牵驱动力小,爬坡能力较差,可携带传感器的性较差,但动作灵活,运行速度可控制性强,结构较为简单。常用于大管径管道的检测。

(3) 蠕动式:通过类比于昆虫与动物爬行方式,蠕动式管道机器人通过不断伸缩交叉变换自身的支点向前移动,移动的速度缓慢,工作效率低,其优点是具有结构小,密封性好,能够实现微小化,医疗行业应用较多[4]

(4) 履带式:又称坦克式,利用电机驱动履带轮,再带动履带转动,结构复杂。与支撑轮式相比,履带与管壁接触面积大,驱动力大,越障能力强,对管道环境的适应性好,但是弯头通过性差。

(5) 螺旋式:螺旋式管道机器人利用管道作为载体,驱动轮在驱动支架的作用下,被迫在孔壁上呈螺旋线式转动,带动管道机器人沿管道轴线移动,驱动力大,结构简单可靠。

按照驱动力、弯道通过性、可靠性、运动的稳定性、环境适应性、管径适应性、可携带检测仪器能力、传动效率、结构的简易程度对五种常见的管道机器人进行了对比评价分析,结果如表1所示。

 

 

表-1 不同类型管道机器人的性能比较

管道机器人 驱动力 弯道通过性 可靠性 运动稳定性 环境适应性 管径适应性 携带检测仪器能力 传动效率 结构简易程度
活塞式 ★★★ ★★ ★★★ ★★ ★★ ★★ ★★
支撑轮式 ★★ ★★★ ★★ ★★ ★★
蠕动式 ★★★ ★★ ★★ ★★★
履带式 ★★ ★★ ★★★ ★★ ★★
螺旋式 ★★★ ★★★ ★★ ★★★ ★★ ★★ ★★★ ★★★ ★★★

注:★★★—强,★★—般,★—差

 

2  管道内窥及防腐涂层厚度检测机器人系统的设计

2.1  驱动结构

通过对管道机器人结构对比分析,小口径管道探测机器人采用螺旋式驱动方式更加合理,其驱动原理如图1所示,通过在管壁圆周均布三个与管道端面呈θ角的驱动轮,驱动轮采用压缩弹簧预紧,使驱动头张紧于管道内壁,驱动头在减速电机驱动下作旋转运动,通过驱动轮与管壁之间的摩擦传动转化为沿管道内壁的螺旋运动,从而实现管道机器人的轴向移动,而且该结构还具有良好定心作用,保证管道机器人在移动过程中不会发生偏斜。

机器人沿管道轴线方向移动的速度为:

                                    (1)

式中:n——驱动头的转速;D——管道内壁直径;d——驱动轮直径;θ——驱动轮的螺旋升角。

通过改变驱动轮的螺旋升角θ的大小,可方便实现移动速度的调整,通过改变驱动电机的转动方向,可改变机器人的前后移动方向。

在驱动电机带动下,含有三个驱动轮的驱动头产生沿管道轴线方向牵引力[6]

                             (2)

式中:Nd——驱动轮预紧力;dz——驱动轮轴的直径;μ1——驱动轮与管壁的滑动摩擦系数;μ2——驱动轮与管壁的滚动摩擦系数;μ3——驱动轮与轮轴的滚动摩擦系数。 

 

图1 螺旋式管道机器人驱动原理图

 

2.2 结构尺寸及弯道通过性

在小口径管道由于管道内空间狭小,管道机器人在的设计必须考虑它的过弯道能力,因此,管道机器人采用单元模块化设计。管道机器人单元模块过直角弯头的模型如图2所示,将其抽象成一个长度为L,直径为dr的圆柱体。要满足管道机器人通过直角时不发生干涉,需要满足:

                            (3)

 

式中:R——直角弯头的中心轴线半径。管道机器人功能单元体的最大长度随着管道弯曲半径的增大而增大,随着机器人最大径向尺寸的增加而减小。

 

 

 

图2 管道机器人单元模块过弯道的尺寸约束

 

2.3  管径自适应与越障能力

管道焊接后会存在的焊瘤、弯头与直管连接由于接口尺寸差异引起的台阶,都成为管道探测机器人通过性障碍,因此驱动轮与支撑轮都采用刚度合适的弹簧预紧,具有伸缩自适应性,来应对管道内壁的变化。驱动轮遇到障碍物时,可将障碍视为一个高度为h的凸台,要通过障碍物,则必须满足驱动轮与凸台的接触点合力矩大于零,即:

                           (4)

2.4  螺旋式管道机器人的整体方案(涉及保密,建议具体数据不提,或者只写个别)

为了让螺旋式管道机器人获得更大的牵引力、良好的弯道通过性与越障能力,通过式(1)(2)(3)和(4)对螺旋式管道机器人的相关结构参数进行设计优化。DN80型螺旋式管道机器人参数优化结果是驱动轮直径d为18mm,驱动轮轴的直径dz为4mm,单元模块的长度L为80mm、直径dr为60mm。

螺旋式管道内窥及防腐涂层厚度检测机器人如图3所示,采用单元模块化设计,通过中空的柔性软轴将各个模块串联起来,机器人移动时起到推拉其它模块的作用,柔性软轴内可实现各个模块的信息互联。该管道机器人由相应模块小车组成,分别是动力车、电子定位车、能源车、涂层测厚车、数据传输车等。采用高能量密度锂电池供电,并融合了电池容量检测系统与电池快换系统。控制信号和采集数据信号的采用无线传输,让管道机器人在管道内完成长距离探测。

 

 

(a)三维模型

 

(b)样机

图3 螺旋式管道内窥及防腐涂层厚度检测机器人

 

2.5  管壁内窥、涂层厚度检测及机器人定位

探测时需要获取管道圆周内壁高清的内窥图像,而管道机器人移动速度较快,拍摄时的帧数就要多,广角要大,清晰度要高。因此,在管道机器人的的头部集成一个120帧(720P)135°的广角高速摄像机,并在摄像头外围均布数颗LED光源,提高拍摄图像的质量。拍摄的图像可通过网络传输,还可以存储到自身SD卡。

管道机器人的涂层厚度检测车如图4所示,涂层厚度检测利用磁性测量铁基型基体上的非金属涂层厚度法,厚度测量范围为0~1500um,分辨率为0.1um,示值误差≤1%。由于涂层测厚探头测量时必须与管壁垂直,测量时伸出探头,测量完成后收回,所以在探头伸缩结构上集成压力传感器,保证测量过程的稳定性。探头的旁边集成了一个微型短焦红外夜视摄像头,为测头定位并观察测量过程。为了检测圆周方向涂层厚度的均匀程度,采用探头与摄像头支架可绕涂层测厚车轴线周向旋转结构,可旋转角度为300°,转角分辨率为0.1°。

为了获得准确实管道机器人时检测位置,电子定位车支撑轮上集成了编码器获取管道机器人的实时速度和行走的距离。并搭载了定位发射机,对里程轮记录的行走的距离进行修正,来提高定位精度,还可以防止管道机器人失联。

 

图4 涂层测厚车三维模型

2.6  管道内无线控制与信号传输系统

管道机器人的动作控制与检测信息都采用无线传输,满足信号检测的实时性。管道内窥及防腐涂层厚度检测机器人与外部通信,有三个动作控制信号分别是动力车的前进后退控制、涂层厚度检测探头的伸缩控制、涂层厚度检测探头的旋转控制;五个采集数据信号分别是管壁内窥检测图像、管道涂层厚度检测图像、管道机器人的速度位置信息、能源车电池容量信息、厚度测量数据信息。这些信号都由信息传输车编码通过5.8G 300M千兆无线网桥发射,利用在管口的信号接收设备将信号解码后传输到PC控制平台,管道内可控通讯距离为500m。

管道内窥及防腐涂层厚度检测机器人控制系统结构如图5所示。管道探测时将螺旋式管道机器人放入管道中启动通讯连接,通过PC机发送指令到管道口的外部信号收发器,利用无线网将控制信号传至信号车收发器,信号车收发器与控制芯片通讯,启动动力车电机并打开LED光源、内窥摄像头、电子定位发发射器,并回传检测的孔壁图像、电池电量、移动速度和位移信号到PC机检测显示系统。当采集到的管壁图像出现缺陷时,机器人测厚单元行走到缺陷大概位置后,启动测厚摄像头,通过移动管道机器人与旋转测厚摄像头相结合,寻找缺陷的精确位置。启动探头的伸缩电机,打开测量功能,测量完成后将涂层厚度值返回到PC机检测系统,当厚度值小于国家防腐涂层厚度的标准1000um时,系统给出警告提示。

 

图5 管道内窥及防腐涂层厚度检测机器人控制系统结构图

 

4  内窥及防腐涂层测厚机器人技术参数与工程应用

4.1  技术参数

螺旋式管道机器人经过不断的的试验与改进优化,提高了过弯道与越障能力,还做了防水防尘设计来增强了对管道内环境的适应性。而且形成了系列化产品,可满足DN80~DN130管道的探测的需要。管道内窥及防腐涂层厚度检测机器人达到的技术参数如表2所示。该管道机器人采用单元模块化设计,还可以作为载体,搭载更多的管道检测仪器和传感器,满足小口径管道的探测需求。 

 

表2  内窥及防腐涂层测厚机器人技术参数

检测项目 参数 检测项目 参数
最大行走速度 250m/h 涂层厚度测量范围 0~1500um
单次带电工作时长 4h 涂层厚度测量分辨率 0.1um
单次带电工作里程 400m 涂层厚度测量精度 ±(1%H+1)
最小过弯半径 2倍D弯头 工作环境温度 -10°~45°
最大爬坡角度 90° 定位精度误差 <0.5%
过焊瘤最大高度 5mm 管道内信号可控距离 500m

 

4.2  工程应用

管道内窥及防腐涂层厚度检测机器人成功应用于长庆油田公司第一采油厂某增压点。由于生产需要,新增三条长度为5km含防腐涂层的DN80管道。防腐涂层涂敷工作采用单次涂敷整条管道,多次涂敷的工艺路线。在涂层厚度检测时,受限于管道机器人在钢管内信号传输和续航里程的限制,对三条管道分别从涂敷起点和终点的管口向内探测深度180m后退出,涂层测厚间隔为30m,沿管壁圆周60°测量一次。

管壁图像检测结果如图6所示,图6(b)为内窥广角摄像头实时记录的管道内壁,由于防腐涂层原料的颜色为蓝色,在LED光源照明后,色彩还原度好,图像清晰。图6(c)为测厚摄像头记录的测厚瞬间,红外夜视摄像头拍摄的管壁涂层为紫色,但管壁细节可见,涂层表面光洁度很高。第二条管道涂层厚度测量的部分结果如表3所示。探测结果为管道建设单位提供了技术支持,为管道验收单位提供数字依据,为工程的顺利验收提供了技术保障,受到管道施工单位和验收单位的青睐。

 

 

(a)管道机器人放入管道

     (b)管壁内窥图像               (c)涂层厚度检测时的管壁图像

 

图6 内窥及防腐涂层测厚过程

5  结束语

小口径管道内窥及防腐涂层厚度检测机器人系统,充分考虑了小口径管道涂层厚度检测过程中遇到的诸多难点,并在设计过程中予以有效的解决。该机器人采用螺旋驱动方式、单元模块化设计,具有驱动力大、结构简单、可靠性高等特点。能够顺利通过2倍D弯头和5mm高度焊瘤,可实现管道内500m无线控制与信号传输,满足DN80~DN130系列管道的探测需求。在工程应用中获取的管壁检测图像和涂层厚度,为管道工程的施工建设和验收提供了技术支持,成功解决了我国小口径管道涂层厚度探测无仪器可用的难题。该管道机器人还可以作为载体,搭载更多的管道检测仪器和传感器,满足小口径管道更为复杂的探测需求,应用前景广阔。

 

表3 不同探测距离不同转角的管壁防腐涂层厚度

编号 移动距离/m 角度/° 涂层厚度/um 编号 移动距离/m 角度/° 涂层厚度/um
1 29.73 0 1001.8 10 120.51 0 1113.8
2 29.73 60 984.5 11 120.51 60 1080.8
3 29.73 120 1022.2 12 120.51 120 1079.6
4 29.73 180 1019.7 13 120.51 180 1105.1
5 29.73 240 1015.3 14 120.51 240 1101.6
6 29.73 300 1009.7 15 120.51 300 1093.2
7 58.96 0 1214.6 16 181.36 0 1111.5
8 58.96 120 1214.6 17 181.36 120 1096.2
9 58.96 240 1219.5 18 181.36 240 1119.4

 

 

参考文献

[1] 刘欣,刘红伟.长输管道检测技术发展现状[J].石油工程建设,2013,(3):4-6.

[2] Nayak A, Pradhan S K. Design of a New In-Pipe Inspection Robot [J]. Procedia Engineering, 2014, 97: 2081-2091.

[3]陈奕颖.管道机器人的发展现状及其趋势[J].科技创新与应用,2015(36):76-76.

[4] 乔晋崴,尚建忠,陈循,等.小口径管内机器人技术的研究进展[J].中国机械工程,2010,21(10):1254-1259.

[5] 李东,王劲.管道内防腐涂层厚度检测系统[J].机械工程师,2013,(8):25-26.

[6] 郭瑜.微小型螺旋推进管道机器人设计与分析[D].长沙:国防科技大学,2006.