基于远程控制的水冷壁爬壁机器人DR检测系统的研究与应用.pdf

第 卷 第期 年月P OWE RE QU I PME N TV o l ,N o J u l 收稿日期:;修回日期:作者简介:刘金成(),男,助理工程师,从事电力系统金属技术监督的工作.E m a i l:j c l i u c o m自动控制基于远程控制的水冷壁爬壁机器人D R检测系统的研究与应用刘金成,唐彬,马耀清(上海电力股份有限公司吴泾热电厂,上海 )摘要:针对电站锅炉水冷壁管检查需要搭设满堂脚手架或升降平台,导致安全风险高且成本巨大的问题,研究开发了一种基于远程控制的X射线探伤机、数字X射线摄影(D R)平板探测器与全自动爬壁机器人相配合的水冷壁爬壁机器人D R检测系统,并且对 MW煤电机组水冷壁管进行实地D R检测.试验结果表明:该检测系统稳定可靠、使用便捷、定位准确,可以在线实时观察缺陷,并且大幅度提高检测速度和效率.关键词:锅炉;远程控制;爬壁机器人;水冷壁;X射线;D R检测中图分类号:T P ;TM 文献标志码:A文章编号:X()D O I:/j c n k i f d s b R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fD RD e t e c t i o nS y s t e mf o rW a t e rW a l lC l i m b i n gR o b o tB a s e do nR e m o t eC o n t r o lL i uJ i n c h e ng,T a ngB i n,M aY a oqi ng(W uji ngT h e r m a lP o w e rP l a n to fS h a ngh a iE l e c t r i cP o w e rC o,L t d,S h a ngh a i ,C h i n a)A b s t r a c t:T os o l v et h epr o b l e m t h a tt h e b o i l e r w a t e r w a l lt u b ei n spe c t i o ni npo w e ru n i t s w i t hs c a f f o l d i ngo r l i f t i ngpl a t f o r mh a sah ighs a f e tyr i s ka n dh ugec o s t,ad igi t a lr a d i ogr aphy(DR)d e t e c t i o nsys t e mf o rw a t e rw a l lc l i m b i ngr o b o tb a s e do nr e m o t ec o n t r o lw a sr e s e a r c h e da n dd e v e l ope d w i t ht h ec o m b i n a t i o no fX r ayf l a wd e t e c t i o nm a c h i n e,DRP l a t ed e t e c t o ra n da u t o m a t i cw a l l c l i m b i ngr o b o t,w h i l eaf i e l dDRd e t e c t i o no fw a t e rw a l l t u b ew a sc a r r i e do u ti na MW c o a l f i r e dpo w e ru n i t T e s tr e s u l t ss h o wt h a t t h ed e t e c t i o nsys t e mh a sar e l i a b l es t a b i l i ty,c o n v e n i e n tu s a b i l i tya n da c c u r a t epo s i t i o n i ngT h i sm ayr e a l i z et h er e a l t i m ed e t e c t i o no fd e f e c t so n l i n e,a n di mpr o v et h espe e da n de f f i c i e n cyo fd e t e c t i o ns ign i f i c a n t lyK e y w o r d s:b o i l e r;r e m o t ec o n t r o l;w a l l c l i m b i ngr o b o t;w a t e rw a l l;X r ay;DRd e t e c t i o n工业用数字X射线摄影(D R)检测技术在近几年取得了突破性的发展,具有高质量的图像显示和方便快捷的操作过程,因此被广泛应用于工业过程中 .在电力系统设备的检测应用方面也被加速推广应用.通常,一套完整的检测系统包括:射线源(微型脉冲射线源或X射线机)、D R平板探测器(D X R V)和图像显示系统(含图像处理分析软件)等 .电站锅炉“四管”泄漏事件时有发生,受现场环境和检测技术的制约,防磨防爆工作效率无法得到有效的提升.特别是锅炉水冷壁管的检查和射线检测 ,炉膛空间大,检测数量庞大,检测位置高度最高可达 m,前期需要搭设满堂脚手架或升降平台,安全风险高.目前,国内电站锅炉已有采用磁吸附履带式爬行器配合超声波测厚仪对水冷壁管进行厚度检测,以及采用自动爬行器和远场涡流技术相配合对水冷壁内外壁缺陷进行检测.但是,对于应用远程控制并以水冷壁爬壁机器人为载体的电站锅炉水冷壁D R检测技术鲜有报道.笔者自主研制开发了一种基于远程控制的水冷壁爬壁机器人D R检测系统,检测系统在不第 卷搭设满堂脚手架或升降平台的条件下显示出在线实时观察缺陷的可行性和可靠性.整体架构 D R检测系统D R检测系统由软件系统(含图像处理分析软件)、远程控制X射线探伤机系统和移动式D R平板探测器系统组成,系统组成见图.软件系统为系统的总控制,可以实现全部子系统的远程控制.此检测系统为电站锅炉水冷壁无损检测提供了一种可行性方法.基于炉膛内三维建模,通过视觉图像识别技术可以实现机器人一定程度的智能自主作业.图D R检测系统示意图 工作模式依据电站锅炉水冷壁的基本构造,炉墙外壁存在保温结构(含钩钉、铅丝网、铝皮)和钢结构等其他部件设备,内壁为光管.为了避免工作环境的影响,进一步提高检测效率,基于D R检测系统优选D R平板探测器在外、射线源在内的检测方法,检测编号和像质计沿水冷壁侧布置,工作模式见图.为满足电站锅炉检修安全规程,采用可充电锂电池作为电源并将其布置在炉外,通过炉墙上观火孔与射线源连接.图D R检测系统工作模式D R平板探测器和搭载射线装置的爬壁小车均布置激光雷达和监控相机.在检测过程中,水冷壁炉外管壁贴有铅字编号.采用集成控制保持内外设备移动速度一致,激光雷达和监控相机监测移动位置,实时成像后对设备移动速度和位置微调,在显示屏上判断位置的一致性.移动机构依据搭载在爬壁机器人上的射线机焦点位置和焦距进行同步移动和调整,从而确保待检测部位的定位坐标一致,快速有效地对水冷壁管和焊缝进行检测.远程控制X射线探伤机系统远程控制X射线探伤机系统包括工业X射线机、远 程 控 制 器、锂 电 池、线 缆、无 线 保 真(W i F i)路由器和全自动爬壁机器人载体,并且配备远程控制遥控器进行操作,使全自动爬壁机器人移动到相应检测位置,协同工业X射线机升降机构实现工业X射线机的对焦.X射线探伤爬壁机器人的结构见图.对工业X射线机和远程控制器的外形尺寸进行改良,以使其与全自动爬壁机器人的安装位置相适应.远程控制器安装在爬壁机器人的预留位置,工业X射线机安装在模组升降机构上,两者用短电缆连接,同时均与爬壁机器人间采用刚性连接固定.此外,为防止检测系统在工作中因磁吸力不足导致意外高空坠落,可以对锅炉水冷壁氧化皮进行预清除处理,并且充分利用锅炉吊装孔使用卷扬机进行必要的保护.同时,为应对突然失电造成意外,可采取远程控制和地面控制两种操作模式,此两种模式可以相互切换.图X射线探伤爬壁机器人 远程控制X射线探伤机远程控制X射线探伤机是与全自动爬壁机器人相适应并满足电站锅炉水冷壁现场环境的改良型工业X射线机.X射线探伤机使用锂电池独立供电,适用于没有电源保障的电站设备检修现场.采用小焦点射线管,能得到更高的清晰度.通过远程控制器可以实现远程调节电压、时间、开关高压,出现故障时显示屏会显示故障状态.远程控制器重量轻、体积小,操作简捷方便,第期刘金成,等:基于远程控制的水冷壁爬壁机器人D R检测系统的研究与应用控制回路采用悬浮设置,与高压彻底隔离,从而避免了高压放电冲击控制器产生故障.线路板采用贴片元件,数字化微机控制,免参数调整.回路为模块化结构,采用风道式散热,可以连续工作,可靠性高.升降机构D R检测设备在拍摄时,通过使用步进电机调节丝杆装置来调校支架和对焦调节装置,从而实现聚焦调整,在丝杆上安装位置传感器以避免射线机超出范围移动.通过主控制器输入/输出接口(I/O接口)与步进电机驱动器连接进行升降控制,位置传感器使用的是N P N型,需要经过单路继电器转为高低电平输入主控制器I/O接口进行位置判断,电路原理见图.图D R检测设备升降机构原理图X射线探伤机的升降机构主要用于射线焦距的调节,由爬壁机器人集中控制,升降载荷 k g(工业X射线机和控制器质量);模组行走轨迹步调一致,方向一致.优化前升降机构示意图见图.图优化前升降机构示意图该机构由R X P L 直线双模组、步进电机、D M驱动、减速器()、三角连接板、限位器、光纤及联轴器组成,利用爬壁机器人现有的 V供电电源,直接安装固定于主控盒面板上.为满足高空作业的条件,对升降机构设计进行优化,具体如下:()考虑升降时的同步性,将滚轴丝杆模组改为同步带方式;()为保证设备工作的重心,防止其倾覆,将电机和减速器的安装位置改为更贴近爬壁机器人主控盒的位置;()对顶部模组进行刚性连接固定,保证升降机构的稳定性,防止其卡涩;()模组左右两侧亦与爬壁机器人进行刚性连接固定,以提高升降机构的可靠性和稳定性.升降机构设计进行优化后,限位开关原理见图,其由入光指示灯、直流(D C)电源、负载和控制输出组成.图限位开关原理图第 卷在此基础上对限位开关进行改造,将电源正极输入V与常开输出通过 k 的电阻串联,使常开有V的高电平输出,当X射线探伤机到达设定限位时,使常开有V的低电平输出.通过高低电平的输出来判断X射线探伤机是否到达设定位置.限位开关流程图见图.使用遥控器通道代码(CH)通道对丝杆的上升/下降进行控制:当CH 为 时,丝杆处于停止状态,不向脉冲信号正标志位(P U L)发送脉冲;当CH 为 时,如果没有到达上限限位位置,限位开关输出高电平,向P U L发送脉冲,向方向信号正标志位(D I R)发送高电平信号,丝杆向上运动,若到达限位则限位开关输出低电平,丝杆停止运动;当CH 为 时,如果没有到达下限限位位置,限位开关输出高电平,向P U L发送脉冲,向方向信号负标志位(D I R)发送低电平信号,丝杆向下运动,若到达限位则限位开关输出低电平,丝杆停止运动.通过修改延时时间来改变脉冲发送速度,对步进电机进行速度变换.图限位开关流程图移动式D R平板探测器系统移动式D R平板探测器系统见图,该系统包括无线便携式D R平板探测器和移动机构,移动机构配备远程控制遥控器以操作D R平板探测器移动到相应的检测位置,D R平板探测器搭载摄像监控确保其到达指定位置,检测拍摄的图像实时传回软件系统并自动保存.探测器采用尺寸为 mm mm的移动式非晶硅D R平板探测器,该探测器坚固耐用,能满足工业需求.数据和信号通信可通过有线或无线来实现.采用X射线数字成像技术,可以在 s内完成一处锅炉炉管焊缝的检测,在 s内完成一处管道焊缝和腐蚀状况的检测.该系统检测影像具有真实可靠、效率高、定位准确、移动灵活、拆装便捷、维护简单等优点.图移动式D R平板探测器系统 D R平板探测器D R平板探测器采用耐辐射非晶硅传感器设计,设备特性包括:最高照射电压可达 k V;m像素尺寸,mm mm成像区域(该 成 像 区 域 能 适 应 常 见 的 焊 缝 检 测),小 于mm窄边能有效检测狭窄处的边角;高 达 位的模拟数字转换器(A/D转换器),灰度等级能达到 ;s的可调曝光窗口,能满足不同材料的曝光条件;配套铝合金和碳纤维的外壳,坚固耐用,加装防护铠甲,可承受m的跌落高度;配备 V同步微型电机,具备前进、后退、停止功能;电 机 工 作 无 线 控 制 距 离 超 过 m,移动续航能力超过h;加装了定位监控相机,通过电脑或 手 机 软 件 控 制,可 在 线 实 时监控.该D R平板探测器具有高耐辐射性、广泛的环境适应性、高可靠性、检测灵敏度高、分辨率高、动态范围大和检测图像实时显示等特点.移动机构D R平板探测器移动机构见图,该机构由微型卷扬 机、钢 索(直 径 为 mm,长 度 为 第期刘金成,等:基于远程控制的水冷壁爬壁机器人D R检测系统的研究与应用m)、限位器、现场固定和滑轮装置、监控摄像头等组成.卷扬机采用无线遥控控制,电机配备过载保护,工作状态下禁止拖曳.D R平板探测器和钢索之间加装双限位装置,防止钢索脱钩.D R平板 探 测 器 距 离 锅 炉 水 冷 壁 外 壁 间 距 为 mm,防止外墙保温钩钉碰撞,采用上挂下收方式布置,采用轴承移动滑轮,保证移动的顺畅和平稳.图移动式D R平板探测器移动装置移动机构工作前首先利用卷扬机和固定滑轮装置将钢索绷直,挂上D R平板探测器,锁紧上下钢索,测试所有相关的无线通信信号,打开监控摄像头,远程控制D R平板探测器移动机构,对射线检测部位进行定位或调整.检测试验 操作软件D R检测系统配备的操作软件支持W i n d o w s操作系统,方便对探测器进行参数配置、校正、采集和观察图像.W i n d o w s操作软件界面见图.图 操作软件界面采集图像的相关信息可通过图像处理软件浏览和查找.拍摄完成后原图自动保存(通常采用r a w/d c n/j p g/p n g等格式),一般原图自动保存为d c n无损格式,该模式可以调节灰度;图像编辑后可另存为多种格式,一般另存为p n g格式,可以用手机和电脑打开.操作软件的主要功能有:可切换正、负片,能在正片(或负片)缺陷不明显时切换成另一种方式来获得最佳效果;一键得到自动对比度,或手动选择观察局部对比度,还可以通过调节窗宽和窗位来调节宽容度(即高亮和高黑处的差距);测量归一化信噪比、灰度、双丝分辨率等;对图像进行标注、标记、裁剪、旋转、水平和垂直镜像;图像手动增强功能和多种预设模式(线夹、焊缝、线缆、陶瓷、铸件、电子器件等);进行缺陷标记、缺陷尺寸测量和尺寸标定.试验过程试验针对 MW火电机组锅炉水冷壁实地进行D R检 测,水 冷 壁 材 料 为 G,外 径 为 mm,壁厚为 mm.搭载射线机和控制器的爬壁机器人在炉膛内爬行至指定检测高度和部位(见图).移动式锂电池在相同高度炉外部位通过观火孔连接控制器并进行供电,操作人员处于锅炉底部冷灰斗人孔门进口处进行操作和控制(人机距离 m).D R平板探测器(含移动机构)和W i F i路由器布置于检测部位相对应的炉外,利用锅炉钢结构和相关空间合理定位(见图).检测系统实地检测防护措施基本与常规R T检测防护措施一致.图 X射线探伤爬壁机器人就位图 无线D R平板探测器就位检测电压为 k V,焦距为 mm,曝光时间分别为 s和 s,透照方式为双壁单影,采用满足G B/T 无损检测射线照相检测图像质量第部分:双丝型像质计图像不清晰度的测定 标准的双丝型像质计布置,分别对锅炉水冷壁管排直段和弯段进行拍片检测,检测结果见图.第 卷图 水冷壁拍片检测结果 检测方法比对常规R T检测和爬壁机器人D R检测对比结果见表.由表可以看出:与常规R T检测相比,基于远程控制的水冷壁爬壁机器人D R检测系统在操作方式、设备就位、焦距调整方式、焦距调整时间、曝光时间、位置移动方式、位置移动速度和显像等方面都具有明显优势,检测效率是常规R T检测的 倍以上.表检测方法对比检测方法常规R T爬壁机器人D R射线类型X射线X射线操作方式人工集成控制设备就位脚手架登高机器人爬壁焦距调整方式手动集成控制焦距调整时间m i nm i n曝光时间m i n m i n位置移动方式人工搬运爬壁机器人行走位置移动速度 m i n/次m/m i n显像暗室操作实时成像 试验结果分析通过以上试验,在不搭设满堂脚手架或锅炉升降平台的条件下,基于远程控制的水冷壁爬壁机器人D R检测系统不仅可以满足电站水冷壁的检测质量要求,而且检测效率亦是常规R T检测的 倍以上.通过远程控制,可以有效提升防磨防爆检查的工作效率,大幅度缩短电站锅炉检修周期,节约检修成本,降低安全风险.结语自主研发了一种基于远程控制的水冷壁爬壁机器人D R检测系统,并且进行了现场锅炉水冷壁的D R检测试验.检测系统由软件系统控制,可以实现对全部子系统的远程控制,并且实现X射线探伤机、D R平板探测器与全自动爬壁机器人之间的配合.该系统定位准确,可以在线实时观察缺陷.与常规R T检测方法相比,D R检测系统可以大幅度提高检测速度和效率.参考文献:郭涛涛,王达达,于虹,等变电站X射线检测的防护措施J无损检测,():王俊龙,朱序东,周杰小径管对接焊缝的冷阴极数字X射线检测J无损检测,():,黄有用无损检测方法在锅炉检验中的应用J锅炉制造,():窦永兵电站锅炉无损检测技术分析J化工管理,():许锦水无损检测技术应用于锅炉压力容器检验的技术J锅炉制造,():,巨西民,蒋中印,兰川,等埋弧焊钢管焊缝D R检测机理及应用J无损检测,():,陆树华,唐夏焘,叶宇峰,等基于X射线数字成像检测技术的高温导热油管 道焊缝缺陷研究J中国化工装 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