基于电磁超声的天然气管道检测机器人设计与研究.pdf

基于电磁超声的天然气管道检测机器 人设计与研究中国石油大学汇报提纲-研究背景和选题意义二国内外研究现状三学位论文研究方案和技术难点!1!学位论文预期创新点五学位论文工作计划1研究背景2006年到2010年，我国已建成建设天然气管道大约 1.6X104Km,2010年，我国天然气管道总长达到4.4X lOm。初步预 计，2015年中国天然气管道长度将接近10万公里。到2。2。年，将形成全 国天然气基干管道网络，天然气的消费比重将从目前的3%提高到10%左中国近年来天然气需求趋势1研究背景 _长，管魂渐老化，不同程度的腐蚀和泄 漏等现象严重影响了管道运输的正常进行。2004年到2008年我国油气管 道发生事故4起，死亡人数为13人，受伤人数为71人。石油天然气管道安全监督与管理暂行规定规定：新建管道必须在 一年内检测，以后视管道安全状况每一至三年检测一次。天然气管道腐蚀和裂纹缺陷2选题意义 _携带麻检测装置的机器人，它综合了 智能移动载体技术和管道缺陷无损检测技术，对工作中的天然气管道进行 在线检测，及时发现一些严重缺陷以避免事故发生，大大延长了管道使用 寿命。开展管道机器人的研究具有重要的科学意义和明显的社会经济效益,得到了世界各国的高度重视。ROSEN公司多管径在线检测系统二国内外研究现状 1天然气无损检测技术1.1天然气无损检测技术发展历史1.2主要检测技术介绍1.3小结2管道机器人技术2.1管道机器人技术简介2.2主要管道机器人技术介绍2.3小结1.1天然气无损检测技术发展历史1）国外发展所史管道在线检测装置发展至今已经历三代：第一代为普通型检测器;第二代为高精度型检测器；第三代为超高精度型检测器。GE公司40”超高精度型检测器1.1天然气无损检测技举展历史美国处公司大缓上管道机器人发展历史时间（年）产品1975第一代基于漏磁检测技术的MagneScan1993弹性波裂纹检测器Elastic Wave,可以检测长度大于75mm，深 度大于0.2t-0.25t的缺陷，轴向检测精度可以达到2mm1999环向漏磁检测器TranScan,用于轴向狭长腐蚀和严重的直焊 缝裂纹缺陷高分辨率EMAT裂纹检测器EmatScan、检测装置可以检测200210-16mm壁厚，可以检测长度大于30mm，深度大于1mm的管 道缺陷新一代基于三轴高清漏磁检测技术的加如eScan,对缺陷深2006度、长度和宽度测量精度可以达到10%WT、0.394”和 0.59”1.1天然气无损检测技术发展历史(a)第一代基于漏磁检测技术的MagneScan(b)环向漏磁检测器Tran Scan(c)EMAT裂纹检测器EmatScan(d)基于三轴高清漏磁检测技术的MagneScan1.1天然气无损检测技举展历史2）国内天然乞管道机骸人发展玩克时间 发展情况“ccc 四川石油管理局与PIPETRONIX公司共同对佛-两线、佛-萌线等天然气管线7992进行管道智能内检测，这是国内首次开展的管道智能内检测1993 中国石油管道技术公司采用引进国外的智能猪进行管道内检测中国石油天然气管道局管道技术公司联合中科院、天津大学和清华大学成1998 立了专业研究队伍，研制了9377漏磁缺陷检测装置。并在同年成功研制了漏磁腐蚀检测数据分析系统管道技术公司自行研制了？660高清晰度漏磁检测器，首次对陕京线输气管2002 道进行检测，这是国产内腐蚀检测设备首次应用于天然气管线中国管道局管道检测技术公司研究出24英寸、32英寸高清晰度管道漏磁检 测器中油管道检测技术公司研制出输油气管道电磁超声裂纹检测设备，可以有2009 效检测应力腐蚀裂纹1.2主要检测技术介绍 1）天然乞管道检测技术关健问题 管道检测技术的可靠性、精度和灵敏度问题 对于多种缺陷的识别能力问题 管道检测技术的整体检测效率问题 对于不同类型管道和外界因素的适用性问题 数据的采集、保存及后期处理能力问题1.2主要检测技术介绍2）漏磁检测技术（M30漏磁检测技术是使用永磁铁产生强磁场并通过导磁介质使铁磁性 管道的管壁磁化到饱和程度，在管壁圆周产生一个磁回路场，当管壁上存 在异常时，磁力线发生变形，部分磁力线将穿出管壁产生漏磁，通过磁敏 探头检测漏磁场就可以发现管道缺陷。MFL检测原理1.2主要检测技术介绍 主要MFL检测装置产品技术特点Rosen 公司 RoCorr-CMFL周向漏磁检测装置）可以精确的检测出长裂缝和狭长轴向缺陷，可以检 测4-25mm壁厚,对缺陷深度、长度和宽度的精度可达到0.lt、15mm 和 15mmRosen公司RoCori 可以有效的检测腐蚀、侵蚀、划伤和其它金属损失缺陷，缺陷深度、MFL 长度和宽度的精度可达到0.lt、15mm20mmRosen 公司 RoCorr-MFL/SIC采用MFL与涡流检测技术结合，对缺陷深度、长度和宽度的精度可达到 0.5 5mm和 6mm中国管道局管道检测 技术公司1016毫米 高清晰度管道无损检 测器能针对951种不同深度、不同大小、不同界面的模拟缺陷进行检测，最 小探测缺陷深度不超过壁厚的5%至10%Intratech公司CFT 采用高精度的环向和轴向漏磁检测，可以检测机械损伤、金属损失和裂ACD 纹等缺陷。轴向拥有144-192个传感器，环向拥有288-360个传感器RHouldey等人研发 检测系统由传感器模块、机身和支撑轮组成。磁场由在机身上的磁铁产 的管道检测系统 生，磁铁通过钢与管道相连组成一个完整的磁路1.2主要检测技术介绍(b)Rosen公司RoCorrEIMFL(a)RHouldey等人研发的管道检测系统(c)RosenRoCorrOM FL/SIC(d)Intratech公司CFTACD1.2主要检测技术介绍 3）运场涡流检测技术限FE0远场涡流是是一种能穿透管壁的低频涡流，其检测探头主要由两个 与管道同轴的螺线管线圈组成，其中一个为激励线圈,另一个是检测线圈。检测线圈通常在距激励线圈大概管道内径2倍及以上的远场区。激励线图一检测线图)/h近场区 过渡区 远场区RFEC检测原理1.2主要检测技术介绍 主要RFEC检测装置产品技术特点Russell 公司 See Snake对于缺陷深度检测精度可达到5%DJ Brown 等人 研发的RFT管道 检测系统此系统包括一个牵引单元，一个RFT发射单元,一个马 达单元和一个RFT接受单元，励磁线圈来在管道中产 生磁场,接受线圈检测磁场G.L.Burkhardt等人研发的管道 检测机器人检测系统由传感器模块、辅助模块和励磁机模块组成,通过励磁机制造交变磁场来产生远场涡流1.2主要检测技术介绍(b)口上。川11等人研发的11管道检测系统(c)GL.Burkhardt等人研发的管道检测机器人1.2主要检测技术介绍4）电磁超声检测技术（底阴勾电磁超声激励超声方法也称之为“涡流一声”法。将通有高频脉冲电流的 激励线圈置于导电金属表面上，产生交变磁场作用于金属并在金属表面层内感应出 涡流，涡流与另一外加恒定磁场相互作用，从而激发出于涡流频率相同的超声波。接受超声波是上述过程的逆过程，即工件中的超声发射回波导致质点在恒 定磁场中振动，就会产生感应电流，使检测线圈中有感应电动势存在，即可作为接 受信号。超声波发射过程超声波接受过程1.2主要检测技术介绍 主要EMAT检测装置产品技术特点清华大学天然气管裂纹 电磁超声检测器可以有效检测应力腐蚀裂纹和表面裂纹，有效 发现长度大于20mm、深度大于1mm的裂纹，且 对裂纹簇有一定的分辨能力GE 公司 EmatScan可以检测壁厚）长度大于30mm，深度 大于1mm的管道缺陷。其轴向长度的检测精度可达到 10mmRosen 公司 RoCD?可以精确检测see、疲劳裂纹、涂层剥落等缺 陷。检测壁厚可达到20mm,可检测长度大于 20mm，深度大于1mm的管道缺陷美国橡树岭国家实验室研发的的PIG可以有效检测应力腐蚀裂纹1.2主要检测技术介绍_(a)Rosen公司RoCD2(b)美国橡树岭国家实验室研发的的PIG1.3小结5)前国内检测技术所存在的问题 检测的可靠性问题（检测的成功率和数据丢失问题）后期的数据处理和分析问题 漏检和错检较多 检测手段的多样性问题2.1管道机器人技术简介1）管道机骸人技术介绍总体来说，管道机器人由驱动模块、控制模块、供能模 块和辅助模块等组成。其中，运动方式是整个管道机器人的核 心，它决定了管道机器人整体的性能。按照管道机器人在管道内运动的动力源及运动可控性,可将这些机器人管内运动方式分为被动运动方式和主动运动方 式两大类。其中，主动运动方式主要有仿生运动式、滞式、螺旋驱动式、车型式和支撑轮式;被动运动方式是以管道介质 压差为驱动的PIG。2.1管道机器人技术简介2）管道机器人技术关虢问题 驱动能力和能源供给问题 复杂弯道通过性和管径变化适应问题 机器人运动状态参数及管道环境的自主识别问题 在复杂管道环境下的运动导航及定位问题 通信及远程控制问题 发射回收问题2.2主要管道机器人技因介绍1）仿生式:管道机骸人仿生式管道机器人就是运用仿生学原理工作，一种是模仿昆虫运 动方式研制出来的蠕动式。此种机器人管道内移动速度慢且波动大，平稳 性差，实际应用非常少。日本中央大学仿蚯蚓式管道机器人2.2主要管道机器人技因介绍构造和屈原理设计的蛇形式，机器人可 以实现管内运动，并顺利通过各种管道和接头，但机器人的驱动能力十分 有限，移动速度有限，运动效率不易提高。日本东京工业大学仿蛇式管道机器人2.2主要管道机器人技因介绍日本学者Shuichi研制的采用正弦函数多关节蛇形机器人，德国 GMD国家实验室开发的蛇形机器人GMD-Snake和GMD-Snake2可以翻 越简单障碍，具有一定的自主反应能力。(a)日本学者Shuichi研制的多关节蛇形机器人(b)德国GMD国家实验室GMD-Snake22.2主要管道机器人技去介绍2)螺旋驱动式:管道机骸人螺旋驱动式管道机器人通常由静止部分和旋转部分组成，两部分 之间由万向节连接，静止部分装有一组导向轮，只能沿着管道轴线运动。旋转部分装有一组滚轮，各滚轮轴线与管道轴线形成一个夹角。定干式(b)转子式(c)独立式螺旋驱动式管道机器人几种形式2.2主要管道机器人技术介绍当旋转部分在电机的驱动下相对于静止部分转动时，旋转部分的 各滚轮将沿着管壁上的一条螺旋线轨迹运动，从而带动静止部分沿着管道 轴线运动。螺旋驱动方式越障能力差，机器人很难具备主动转向能力，不 能通过“T”型和“L”型管道接头。螺旋驱动式管道机器人旋转部分2.2主要管道机器人技去介绍3）履带式:管道机骸人履带是一种柔性链环。可以发挥较大的牵引力。履带式管道机器 人是靠履带卷绕时管道内壁对履带产生的反作用力推动机器人载体在管道 内运动的。但履带结构复杂，加工成本高且转弯性能差。履带式机构支重轮2.2主要管道机器人技去介绍主要履带式管道机器人产品东华大学自主变位履带足管道 机器人塔比阿特莫达勒斯大学履带式 管道检测机器人Young-Sik Kwon.Hoon Lim和 Eui-Jung Jung研发了 一种履带式检测机器人技术特点能够调整自身的高度，适应不同能够适应不同口 径的管道，可进入最小直径为350 mm的圆管，最小 高度为150mm的矩形管 三个行走机构并以120度角均匀布置）行走机构 采用四连杆机构，可以检测10-20英寸的管道，能在管道水平或垂直移动 整体呈三角形布置，直流马达驱动，可以用于 80-100mm的管道检测，通过控制每个履带的速 度实现差速控制，这样机器人可以通过弯道和T 形管道2.2主要管道机器人技术介绍(a)Young-Sik Kwon等人研发的履带式检测机器人(b)塔比阿特莫达勒斯大学履带式管道检测机器人2.2主要管道机器人技因介绍4）车型式:管道机骸人车型式管道机器人模仿普通汽车机构和工作原理。其结构简单，尺寸较小，但这种机器人只靠机器人自身的重量提供封闭力，其牵引力小,爬坡能力非常有限。车型式管道机器人2.2主要管道机器人技术介绍主要车型式管道机器人产品KARO管道机器人TVS-1500管道机器人技术特点四轮独立伺服驱动，可以对200mm的地下输水管 道的检测，一次检测作业距离超过400m,系统采用 拖缆控制方式 适用于管径为300mm-1500mm的管道)采用双90W 直流电机、六轮驱动LD300+管道内窥摄像检测系 采用双90W直流电机，六轮驱动，适用于300-统 1500mm的各类管道的检测与抢险救援伊派克(iPEK)管道内窥检测系 统适用于150/500mm口径管道的检测，用坚固的齿轮 驱动爬行器，可以轻易地穿越障碍物，自如地转弯,两个40W直流电机,六轮驱动2.2主要管道机器人技术介绍(a)TVS-1500管道机器人(b)LD300+管道内窥摄像检测系统2.2主要管道机器人技主介绍5）支撑轮式:管道机器人支撑轮式管道机器人在周向布置若干组支撑机构支撑在管壁上，整体称对称分布，能在管内沿轴向行走。由于对称支撑，机器人的中心轴 线能自动与管道中心轴线保持一致。所以机器人运动稳定性好。通过支撑 机构张开可以产生较大的封闭力，牵引能力强。支海仑式 管道机器人支撑机构部分驱动式行走机构全驱动式支撑轮式管道机器人结构示意图2.2主要管道机器人技因介绍据支撑轮的布置形式，可以分为三支撑轮式和多支撑轮式。多支 撑轮式加强了管道内的支撑和牵引能力，提高了运行的稳定性，但随着轮数 的增多，容易造成运动干涉加大了转向的难度，也使结构变得更加复杂。它由行走机构和支撑机构组成。N多支撑轮式和三支撑轮式管道机器人2.2主要管道机器人技术介绍几款主要支撑轮式管道机器人产品M RINSPECT系列管道机器人EXPLORER2管道检测机器人上海交通大学张云伟，颜国正研发的 煤气管道检测机器人哈尔滨工业大学唐德威，邓宗权设计 的三轴差动式管道机器人DJ.Brown等人研发的RFT管道检测系统技术特点MRINSPECTIV采用单节独立驱动，配置有三组驱动电机，重量0.7kg,最大运行速度9m/min,牵引力lOkgf,采用差速 驱动控制，能通过Elbow 型管道接头采用多节结构，能通过90弯管接头，工作速度在0.lm/s 以及750m的检测距离-基于平行四边形轮腿机构、采用丝杠螺母调节方式，适应 400650mm的煤气管道,在管道检测中，能提供超过 1.4kN的输出牵引力，管道内检测移动距离达1km采用具有机械差速功能的驱动系统三轴差速器，六个驱动 轮分别安装在三个平行四边形支架的两端）三个平行四边 形支架呈周向120分布此系统如图所示由多个单元组成，各个单元通过柔性连接 器进行连接，通过马达驱动多组履带，通过电机反转，可 以后退2.2主要管道机器人技去介绍(a)DJ.Brown等人研发的RFT管道检测系统(b)EXPLORER2管道检测机器人2.2主要管道机器人技术介绍(a)六轮独立驱动式管内移动机器人(b)三轴差动式管道机器人2.2主要管道机器人技在介绍6)Tig被动运动方式管道机器人利用流体能量实现无缆自驱动。PIG的外 径略大于管道直径，作业时机器人利用管道内流动介质的压力差驱动，克 服与管壁之间的摩擦力而向前运动。通过泄流阀等装置使机器人保持合适Bypass Vortex flowSupporting wheels Brushes and magnetsRosen公司活动式清管器泄流装置2.2主要管道机器人技&介绍主要PIG产品技术特点GE公司SmartScan智能清管器SmartScan具有加强的弯道穿越能力，可以从旁通路进入，适 应不同管径，小弯头，T型接头Rosen公司开发的多管径检测机器人可以适应从32到42的多口径的管道，速度稳定，可以大多数 收发装置使用Rosen公司活动式清管器可以对管道清洁、脱蜡，并能消除黑色粉末北华大学管道机器人作业距离长、结构简单、控制容易、可靠性高、扩展性好机 动性强、性价比高等优点Rosen公司RoCorrEICMFL漏磁检测型号从6“到56”，可以适应15Mpa的压力，运行速度可达到3m/s,机器人可以运行400小时，最大检测距离可达到800kmRosen公司的RoCD2管道机器人型号从14”到36”,检测速度为0.3-2m/s,可持续运行50小时，最大检测距离可达到330km拥有一个搭载传感器模块的机身和可以支撑在管壁上的支撑RHouldey等人研发的管道检测系统轮组，弹密封与管道内壁紧靠，在管道猪爬行时起到承压面 作用B.D.WILLLAMS等人研发的管道检有两个密封皮碗，前密封皮碗为检测机器人提供足够的驱动测系统力;后密封皮碗有一些开槽以便压力均衡的通过2.2主要管道机器人技术介绍(a)RHouldey等人研发的管道检测系统(b)B.D.WILLLAMS等人研发的管道检测系统(c)Rosen公司开发的多管径检测机器人(d)Rosen公司活动式清管器2.3小结 1）各种管道检测机器人综合对比注：A-性能好；B-性能较好；C-性能一般；D-性能不好运动方 式驱动能 力携带检 测仪器越障性弯道通 过性主动转 向能力运动效 率运动可 靠性管径适 应能力结构仿生式BccBBccBc螺旋驱 动式ABcBCcBCB履带式AAABCAACC车型式CBCBBBBBA支撑轮 式AABAAAAABPIGAACBCAAAA2.3小结2）管道机器人发展趋势弯道通过性对于“L”、“T”和垂直型复杂弯道，管道机器人往往很难顺利 通过，使其实用性大大降低。目前，管道机器人管内运动学分析及驱动方 式是国内外研究的重点，并提出了多种改进方案，如国内邓宗权和姜生元 等人提出的三轴差速控制。弯道通过性分析2.3小结 _供能多数管道机器人采用电缆供能方式，由于缆线与管壁之间存在较 大摩擦，导致机器人损耗较大，限制了其运行距离。目前，一些公司和机 构大力发展自供能式管道机器人，即配备一个或多个蓄电池。如卡内基梅 隆学院的Explored配备两个锂电池供能。Central coniroller Power supply Driving controller Driving vehicleLltrasonic inspection Tracing and localization Power manager六轮独立驱动式自供能管道机器人2.3小结远程控制及通信目前随着通信技术的发展，光缆逐渐取代电缆，光缆的通讯质量 好，而且其性能指标能满足要求。此外，目前比较现实的方案是尽量减少 拖野的线数，以减少线缆的重量，从而有利于提高机器人的一次作业行走 距离。4=远程无线控制2.3小结发射与回收管道机器人作业前，需要通过特殊装置将其发射到管道内，同样，作业后需要将其收回。目前，收发装置需要花费大量时间和金钱设计。在 使用时也需要大量时间安装和测试。目前，GE公司开发了一种创新的热 开孔(hot-tap)收发系统，热开口发射系统只需要几天进行安装和压力 测试，大大缩减了作业时间。GE公司热开孔技术2.3小结目前，国内外管道机器人均处在发展阶段，主动运动方 式管道机器人仍处于实验室研究阶段，实际检测和维护作业多 采用结构简单且无需动力源的PIG。大部分机器人可以顺利运 行在直管道中，对复杂弯道通过能力较差。此外，管道机器人 作业时需要消耗大量的人力和物力资源，机器人需要有良好的 可靠性和稳定性以便能连续作业。随着我国管道事业迅速的发 展，研究管道机器人有着极高的战略意义和经济价值，是未来 管道建设的关键环节。三学位论文研究方案不缪术难点I学伍论文研究内容 1）设计可以在天然气管道中自主运行，并完成在线无损检测 的管道机器人本体结构数字模型2）搭建管道机器人实验和测试平台3）设计基于FPGA+PowerPC模式的控制系统4）开展基于电磁超声检测技术的天然气管道裂纹检测研究2 研究方案_术，使寂熊人具有自主转向和管径变化适 应能力，并能够长时间、长距离的作业唐1=_ Ina-Hi-三轴差动式管道机器人结构2研究方案 _2）采用模块化的结构设计概念，卷个模块都具有自身的功能,并可以根据实际需要方便的增加或减少模块。基本方案采用二 个牵引模块、一个检测模块、一个辅助模块和两个转向模块牵引模块口检测模块 昌辅助模块 一模块天然气管道检测机器人整体草图2研究方案3）搭建管道机器人实验和测试平台，对电机，传动装置和支撑机构等设 备进行测试和实验，为后续设计提供足够的实验数据并检验设备的可靠性 和稳定性直线运动单元测试平台2研究方案4）牵引模块由行走机构和支撑机构组成支撑机构由主动支撑机构和被动支撑机构组成，主动支撑机构由 步进电机、滚珠丝杠、轮毂等组成，可以主动张开；被动支撑机构采用弹 簧等组成的柔性机构。支撑机构2研究方案行走机构采用单电机全驱动方式，采用六个驱动轮;瑞 士Maxon公司直流无刷伺服电机作为驱动电机；蜗轮蜗杆和 皮带传动组成传动机构;伺机行走机构2研究方案 _5）控制系统采用最新的FPGA+PowerPC技术,所有接口逻辑均可以在 FPGA上构建，PowerPC计算出来的数字量送D/A转换，再送伺服电机 的驱动器，完成电路的控制FPGA+PowerPC 设备2研究方案6）转向模块采用电机、齿轮和万向节组成，由电机通过齿轮 驱动万向节转动，从而引导机器人转向转向模块2研究方条 _7）辅助模块由电池组和定位熟向成，电池组为电机、电子 元件和检测装置供电；定位系统包括里程轮、GPS系统，为 管道作业和后期数据处理提供位置信息缺陷的精确定位2研究方案8）开展基于电磁超声检测技术的天然气管道裂纹检测研究;建立裂纹-电磁超声声场关系模型并进行有限元仿真分析0 79126 158251 237377 31650339563 118689 197814 276940 356066EMAT激励线圈与磁场垂直产生的涡流3技术难点和解决方法1）复杂弯道的主动转向问题：虚驱动电机的差速控制配 合下，采用由电机、齿轮和万向节组成转向模块进行主 动转向2）管径变化适应问题：采用主动支撑机构和被动支撑机 构组成的支撑机构3）能源供给问题：采用自供电和缆线供电混合供电模式4）裂纹-电磁超声声场关系模型求解问题：对电磁场进 行有限元仿真研究学位论文预期创新点1）采用模块化的结构设计概念，具有高通用性、适应性和 独立性2）设计新型的支撑轮式天然气管道检测的机器人本体结构3）建立裂纹-电磁超声声场关系模型，并通过有限元分析 软件进行仿真研究五学位论文工作计划 1)2011.9-2011.11查阅文献资料、完成开题工作2)2011.11-2012.9 机器人机械结构数字模型设计并进行仿真分析 控制系统设计 搭建机器人测试和实验平台并进行实验研究和牵引力测试3)2012.11-2012.3电磁超声的仿真分析与模型研究4)2012.3-2012.6撰写论文，准备答辩