大型儲(chǔ)罐防腐蝕涂層厚度智能檢測(cè)技術(shù)

樊三新，劉玉玲，樊一蒙，李昊城

(1.大慶油田工程建設(shè)公司天宇設(shè)計(jì)院，黑龍江 大慶 163712;2.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318;3.大慶油田井下作業(yè)分公司，黑龍江 大慶 163453)

大型儲(chǔ)罐防腐蝕技術(shù)是儲(chǔ)罐建設(shè)的一項(xiàng)核心技術(shù)，防腐蝕質(zhì)量的好壞不但影響儲(chǔ)罐的使用壽命和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，而且也是影響儲(chǔ)備物資安全的重要指標(biāo)，因此在儲(chǔ)罐建設(shè)中不但要研究防腐蝕結(jié)構(gòu)，也要對(duì)防腐蝕施工質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制。傳統(tǒng)的儲(chǔ)罐防腐蝕質(zhì)量檢測(cè)是人工檢測(cè)，高處的罐壁必須借助腳手架才能進(jìn)行檢測(cè)，這給涂層檢測(cè)帶來(lái)了很多不便，無(wú)法隨機(jī)檢測(cè)大罐的任意一點(diǎn)的防腐蝕質(zhì)量，研究開發(fā)儲(chǔ)罐自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，可大大拓寬罐體的檢測(cè)范圍，從而有效地控制防腐蝕質(zhì)量，保證儲(chǔ)罐施工質(zhì)量總體水平的提高。罐壁涂層質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)儀的研制，實(shí)現(xiàn)了鋼質(zhì)油水儲(chǔ)罐防腐蝕涂層任意點(diǎn)自動(dòng)測(cè)厚，其數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，自動(dòng)顯示，并能自動(dòng)打印記錄和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，給出測(cè)量結(jié)果的最大值、最小值、平均值和測(cè)量曲線。這在檢測(cè)技術(shù)上是一個(gè)很大的飛躍，對(duì)提高儲(chǔ)罐防腐蝕質(zhì)量具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 儲(chǔ)油罐涂層概況

大慶油田開發(fā)建設(shè)50 a 來(lái)，建設(shè)各種儲(chǔ)罐近7 000 座，其中儲(chǔ)油罐占60%以上。罐的單體容積從早期的幾十立方米到現(xiàn)在的200 dam3超大型儲(chǔ)油罐群遍布油田各個(gè)角落。大慶油田地面上的儲(chǔ)油罐和儲(chǔ)水罐明顯的標(biāo)志是外涂層顏色不同，油罐是灰色的涂層，水罐是綠色的涂層。儲(chǔ)罐的外涂層分底層和面層，底層涂料主要的功能是以防腐蝕為主，其性能不但要阻燃而且要求和鋼材具有很好的黏結(jié)性，與鋼材的黏結(jié)(剝離)強(qiáng)度符合相關(guān)規(guī)范要求，一般以環(huán)氧類涂料為基料。面層主要功能是防老化，其性能要求是阻燃以及美觀，一般以改性調(diào)和類涂料為基料。

2 儲(chǔ)罐防腐蝕工藝及涂層檢測(cè)現(xiàn)狀

儲(chǔ)罐防腐蝕涂層的涂裝工藝分手工涂裝和機(jī)械涂裝，手工涂裝是采用人工毛刷涂刷，機(jī)械涂裝是采用高壓無(wú)氣噴涂，大慶油田目前絕大多數(shù)儲(chǔ)罐都采用高壓無(wú)氣噴涂技術(shù)，該技術(shù)噴涂效率高，涂層質(zhì)量容易控制。

油田儲(chǔ)罐防腐蝕涂層檢測(cè)是按照相關(guān)規(guī)范要求，根據(jù)防腐蝕層面積和儲(chǔ)罐內(nèi)存介質(zhì)的性質(zhì)抽查點(diǎn)數(shù)，檢測(cè)的項(xiàng)目主要是涂層厚度和擊穿電壓，目前采用的儀器是超聲波測(cè)厚儀和電火花檢漏儀，檢測(cè)的方式是人工檢測(cè)，檢測(cè)的精度受人為因素影響不穩(wěn)定。研制的儲(chǔ)罐涂層自動(dòng)檢測(cè)儀，可對(duì)儲(chǔ)罐任何一點(diǎn)的涂層厚度和擊穿電壓進(jìn)行檢測(cè)并可實(shí)時(shí)顯示、儲(chǔ)存和打印結(jié)果，科學(xué)性和精度大大提高，對(duì)油田儲(chǔ)罐防腐蝕涂層檢測(cè)的技術(shù)進(jìn)步起到推動(dòng)作用。

國(guó)外對(duì)爬壁機(jī)器人的研究很早，應(yīng)用主要集中于對(duì)核廢液罐進(jìn)行裂縫檢查，測(cè)厚及焊縫探傷等;用于對(duì)巨型壁面的噴涂，玻璃壁面的清洗，橋梁探傷等。

國(guó)內(nèi)有自動(dòng)掃查爬壁機(jī)器人，利用在罐壁外鋪設(shè)的磁帶導(dǎo)航，采用光纖傳感器進(jìn)行檢測(cè)和油罐檢測(cè)爬壁機(jī)器人裝有傾斜計(jì)能監(jiān)測(cè)機(jī)器人姿態(tài)偏角，攜帶光電接近開關(guān)能判斷本體是否到達(dá)罐頂或罐底以及爬壁機(jī)器人借助了慣性導(dǎo)航單元及航位推算輪來(lái)定位機(jī)器人，這種方法智能化水平高，但設(shè)備成本大。

3 主要技術(shù)原理及指標(biāo)

3.1 技術(shù)原理

罐壁涂層質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)儀由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)及軟件部分、人-機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)組成。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力的，而控制系統(tǒng)是檢測(cè)儀的指揮系統(tǒng)，可以讓執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定的時(shí)序和要求進(jìn)行工作?？刂葡到y(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)檢測(cè)儀的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)，支配檢測(cè)儀的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。感知系統(tǒng)是檢測(cè)儀感知自身工作狀態(tài)和作業(yè)環(huán)境狀態(tài)信息的系統(tǒng)。決策系統(tǒng)是檢測(cè)儀根據(jù)感知信息，通過學(xué)習(xí)和推理，自動(dòng)調(diào)整控制算法的軟硬件支持部分。軟件部分是指檢測(cè)儀系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和編程語(yǔ)言。人-機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)則是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀與人，以及與外部環(huán)境相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。它包括指令給定裝置和信息顯示裝置，如計(jì)算機(jī)終端、指令控制臺(tái)、報(bào)警器等。

檢測(cè)儀控制系統(tǒng)包括高性能的計(jì)算機(jī)、相應(yīng)的系統(tǒng)硬件、控制算法及軟件?？刂葡到y(tǒng)分為上位機(jī)、下位機(jī)兩層結(jié)構(gòu)。上位機(jī)作為主控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)的功能主要是對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置、對(duì)檢測(cè)儀的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控等;下位機(jī)采用運(yùn)動(dòng)控制卡、單片機(jī)、微處理器等，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、處理，也可以直接對(duì)電機(jī)等進(jìn)行控制等。上位機(jī)、下位機(jī)系統(tǒng)共同構(gòu)成爬壁機(jī)器人的軟件控制系統(tǒng)，二者之間通過某種特定的通信協(xié)議進(jìn)行命令信號(hào)傳輸和反饋，兩者共同合作來(lái)完成整個(gè)機(jī)器人的軟件控制系統(tǒng)。根據(jù)檢測(cè)儀功能和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，機(jī)械本體結(jié)構(gòu)會(huì)有很大差異，因此控制系統(tǒng)也各不相同。上位機(jī)控制系統(tǒng)方案的確定，下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制方案的選擇，以及上位機(jī)、下位機(jī)之間通信方式的選擇，都可以有很大的創(chuàng)新，但共同的目標(biāo)是更好地完成對(duì)檢測(cè)儀的控制，使其能安全、可靠地完成各項(xiàng)預(yù)定的任務(wù)作業(yè)。

3.2 技術(shù)指標(biāo)

涂層質(zhì)量檢測(cè)機(jī)器人主要技術(shù)指標(biāo):

(1)測(cè)厚范圍:0～500 μm;

(2)測(cè)厚誤差:1μm±測(cè)量值的3%;

(3)測(cè)厚步距:1，2 和3 m;

(4)行走速度:2～5 m/min;

(5)檢測(cè)處理:測(cè)量時(shí)適時(shí)顯示，并可打印檢測(cè)結(jié)果給出統(tǒng)計(jì)參數(shù)及厚度曲線;

(6)質(zhì)量:13 kg;

(7)磁輪吸力:40 kg;

(8)越障能力:大于5 mm。

3.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)示意圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

3.4 檢測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.4.1 厚度測(cè)量

保證涂層厚度檢測(cè)機(jī)器人檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵設(shè)備是內(nèi)置的涂層測(cè)厚儀，為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確，要在每次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試之前都需要按照《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50341—2003 對(duì)涂層測(cè)厚儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

(1)涂層測(cè)厚儀的校準(zhǔn)

①零點(diǎn)校準(zhǔn)

先校對(duì)涂層測(cè)厚儀的零點(diǎn)位置。在實(shí)驗(yàn)室鋼板的任意位置上進(jìn)行一次測(cè)量，測(cè)厚儀屏幕顯示＜312.12 μm ＞。然后按zero 復(fù)位鍵，屏幕如果顯示＜0.0 ＞表示正確復(fù)位，如顯示數(shù)值需要按“↓”或“↑”鍵來(lái)修正度數(shù)，直到屏幕顯示＜0.0 ＞。重復(fù)上述過程，次數(shù)越多，得到的最終結(jié)果越準(zhǔn)確。

②試片

準(zhǔn)備4 張厚度分別為50，100，300 和500 μm 的標(biāo)準(zhǔn)片，分別在4 張膜片上進(jìn)行一次測(cè)量，如屏幕顯示的值與標(biāo)準(zhǔn)厚度不一致，則需要按“↓”或“↑”鍵，來(lái)修正度數(shù)。直到顯示的值和標(biāo)準(zhǔn)值一致，則表示校準(zhǔn)已完成，可以開始測(cè)量數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

表1 校準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù) μm

(2)涂層測(cè)厚儀數(shù)據(jù)采集

把通過校準(zhǔn)之后的測(cè)厚儀，安裝到機(jī)器人上，連接好電路，打開電源開關(guān)。

進(jìn)入軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊，選擇所使用無(wú)線模塊的端口號(hào)，選定機(jī)器人移動(dòng)的速度，點(diǎn)擊“上”“左轉(zhuǎn)”“右轉(zhuǎn)”“后退”按鈕，通過無(wú)線模塊向機(jī)器人發(fā)送控制指令，控制機(jī)器人的移動(dòng)軌跡，同時(shí)開始采集數(shù)據(jù)。

采集數(shù)據(jù)的測(cè)試將分為兩種場(chǎng)景。

①水平測(cè)量

把鋼板放置在與地面平行的臺(tái)面上，控制機(jī)器人在鋼板上直線移動(dòng)，接收機(jī)器人的返回?cái)?shù)據(jù)，水平測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。從表2 可以得知平均厚度為481.1 μm。

表2 水平測(cè)量數(shù)據(jù)

②垂直測(cè)量

把鋼板放置于垂直于地面的架臺(tái)上，控制機(jī)器人在鋼板上移動(dòng)，得到返回?cái)?shù)據(jù)見表3。從表3可知平均厚度為479.6 μm。兩種測(cè)量方式得到平均值都在允許的誤差±25 μm 之內(nèi)。測(cè)量精確度完全符合要求。

表3 垂直測(cè)量數(shù)據(jù)

(2)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2013 年8 月在采油六廠喇600 聯(lián)合站7 000 m3污水沉降罐進(jìn)行罐壁涂層質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，經(jīng)試驗(yàn)罐壁爬行機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)罐壁的任意位置的涂層厚度測(cè)量。該檢測(cè)儀具有操作靈活方便，體積小，重量輕，無(wú)線控制等優(yōu)點(diǎn)，能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

大罐涂層厚度智能檢測(cè)儀是從設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、處理、保存為主線展開的研究。在檢測(cè)儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的探討。

大罐涂層厚度智能檢測(cè)儀主要進(jìn)行了3 部分設(shè)計(jì):機(jī)械設(shè)計(jì)部分、硬件設(shè)計(jì)部分和軟件設(shè)計(jì)。每一個(gè)部分并不是獨(dú)立的，3 個(gè)主要部分的設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)相扣。硬件設(shè)計(jì)部分中的檢測(cè)儀控制模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)采集模塊安裝在檢測(cè)儀機(jī)身中，硬件部分使用無(wú)線接收模塊接收到軟件模塊發(fā)出的指令，通過匹配軟件部分和硬件部分之間的通信協(xié)議，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械部分的動(dòng)作。對(duì)每一個(gè)部分都提出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)這一方案進(jìn)行分析和拆解。

該檢測(cè)儀在大慶油田大型儲(chǔ)罐涂層檢測(cè)上得到應(yīng)用，受到用戶和質(zhì)量監(jiān)測(cè)部門的一致好評(píng)。