基于機(jī)器人的附塔管線多功能檢測(cè)系統(tǒng)

王 群， 陳興陽(yáng)， 葉宇峰， 宋俊俊

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司， 浙江 寧波 315207；2.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院， 浙江 杭州 310020；3.浙江省特種設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310020)

在石油和化工領(lǐng)域，會(huì)大量使用金屬管道和壓力容器來(lái)輸送和存儲(chǔ)具有高溫、高壓以及腐蝕性的氣體或液體介質(zhì)。磨損和流體加速腐蝕，會(huì)使管道和壓力容器等構(gòu)件的壁厚腐蝕減薄，導(dǎo)致構(gòu)件的承壓性能下降，容易造成介質(zhì)泄漏、爆炸等事故，嚴(yán)重威脅生產(chǎn)和人身安全。需要定期對(duì)這些金屬構(gòu)件的壁厚腐蝕情況實(shí)施無(wú)損檢測(cè)和評(píng)估，確保設(shè)備的安全運(yùn)行。附塔管線具有作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)高、檢修成本高及檢修難度大等特點(diǎn)，所以必須采取合適的技術(shù)手段對(duì)管道運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)，而常規(guī)檢測(cè)方法具有針對(duì)性不強(qiáng)、抽檢覆蓋率低等問(wèn)題[1-4]，因此，有必要引入新的檢測(cè)方法，從而保證檢測(cè)工作的全面性和高效性。

目前能夠?qū)饘俟艿缹?shí)施無(wú)損檢測(cè)的方法主要有超聲法、漏磁法和射線法。實(shí)際應(yīng)用中，管道或容器外通常覆著一定厚度的保溫或防腐層，最外層可能還有鐵皮或鋁皮包裹，這給常規(guī)的管道或容器檢測(cè)帶來(lái)了困難。超聲法要求探頭和被檢管壁之間耦合良好，檢測(cè)時(shí)必須將阻斷超聲波傳播的包覆層剝離，不僅檢測(cè)效率低、而且成本高[5]。漏磁法一般用于管道或容器內(nèi)檢測(cè)，檢測(cè)鐵磁管道或容器表面或近表面的缺陷，對(duì)壁厚檢測(cè)靈敏度不高[6]。射線法雖檢測(cè)結(jié)果直觀，但對(duì)射線的安全防護(hù)措施要求高，檢測(cè)成本高，多用于管道或容器聯(lián)接處的焊縫檢測(cè)[7]。

課題組針對(duì)管道內(nèi)檢測(cè)的現(xiàn)狀，依據(jù)最新理論研究成果，基于重新設(shè)計(jì)的靈巧爬行機(jī)器人，充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境和使用條件，搭載了脈沖渦流和電磁超聲測(cè)厚模塊，集成了高清晰視頻、多通道脈沖渦流測(cè)腐蝕、電磁超聲測(cè)厚、智能運(yùn)動(dòng)定位、圖像展開和拼接、視頻缺陷測(cè)量編輯等功能，實(shí)現(xiàn)在不搭腳手架的情況下對(duì)附塔管線的檢測(cè)。該檢測(cè)系統(tǒng)具有抗干擾性強(qiáng)、精度高、重復(fù)性好和有效性好的特點(diǎn)，具有“功能一體化、操作簡(jiǎn)便化、作業(yè)程控化”的特點(diǎn)，一次檢測(cè)中可同時(shí)使用3種技術(shù)手段進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果相互補(bǔ)充、相互印證，使得附塔管道內(nèi)檢測(cè)的精準(zhǔn)度、置信度以及檢測(cè)效率大大提高。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)分為爬行機(jī)器人主體、高清視頻圖像采集系統(tǒng)、脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)、電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)及電腦處理系統(tǒng)，整體設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)模型Figure 1 Overall design model of detection system

爬行機(jī)器人本體由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、變徑機(jī)構(gòu)和扶正機(jī)構(gòu)等組成運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。其中轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)主要適應(yīng)管線的彎頭結(jié)構(gòu)；變徑結(jié)構(gòu)主要匹配不同管徑(一定范圍內(nèi))管道及適應(yīng)管道內(nèi)焊縫余高帶來(lái)的管徑變化；扶正機(jī)構(gòu)主要是通過(guò)控制爬行器使整個(gè)系統(tǒng)始終保持沿管道中心行進(jìn)。爬行機(jī)器人最前端裝載高清視頻圖像采集系統(tǒng)，中間搭載脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)和電磁超聲系統(tǒng)，所有信號(hào)采集后通過(guò)中間信號(hào)線傳輸?shù)诫娔X。為了工程使用方便，將供電線、信號(hào)線和控制線等包覆電磁屏蔽層后形成一條電纜，并分別接入電腦。為了操作和檢測(cè)方便，爬行機(jī)器人控制軟件、高清視頻圖像采集系統(tǒng)、脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)和電磁超聲系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理軟件均集成到一個(gè)軟件中。

1.2 爬行器和高清視頻圖像采集系統(tǒng)

高清視頻圖像采集系統(tǒng)由爬行器和圖像采集模塊組成，如圖2所示為結(jié)構(gòu)示意圖。

1—固定管軸；2—螺桿軸；3—手柄螺母；4—鉸鏈盤；5—傳動(dòng)殼體；6—電機(jī)；7—中心外前軸；8—電機(jī)管穿線塊；9—內(nèi)窺鏡頭組；10—下動(dòng)力支腿管；11—上動(dòng)力支腿管；12—驅(qū)動(dòng)輪；13—支腿。圖2 高清視頻圖像采集系統(tǒng)和爬行器結(jié)構(gòu)示意Figure 2 Schematic diagram of structure of high- definition video image acquisition system and crawler

爬行器在管道內(nèi)前進(jìn)并實(shí)施檢測(cè)是依靠爬行器的支腿組件擠壓管壁產(chǎn)生較大的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了適應(yīng)檢測(cè)時(shí)管徑的變化，課題組通過(guò)控制電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)支腿組件的伸展或收縮。支腿組件包括上動(dòng)力支腿管及其下端的驅(qū)動(dòng)輪和下動(dòng)力支腿管及其下端的驅(qū)動(dòng)輪。上動(dòng)力支腿管與下動(dòng)力支腿管與鉸鏈盤可伸縮連接，并通過(guò)控制各驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)爬行器的行進(jìn)及對(duì)中操作，防止視頻采集時(shí)由于爬行器不對(duì)中導(dǎo)致圖像過(guò)渡畸變問(wèn)題?？偠灾佬衅鞯霓D(zhuǎn)向、變徑和扶正動(dòng)作均通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪和支腿管的伸縮控制。

針對(duì)管道的檢測(cè)現(xiàn)狀，充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境和使用條件等實(shí)際需求，高清視頻圖像采集軟件系統(tǒng)集成了高速高清視頻、智能運(yùn)動(dòng)定位、缺陷測(cè)量編輯、圖像展開和拼接、遠(yuǎn)程圖傳診斷等功能。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)視頻像素達(dá)500～1 200萬(wàn)、周向傾角精度±1°、距離定位精度±3%、缺陷尺寸測(cè)量精度±5%。為提高工作效率，高清成像并行同步處理可在3 m/min的行進(jìn)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)高清視頻成像、錄像、展開和遠(yuǎn)程數(shù)傳等功能。系統(tǒng)采用特殊光學(xué)處理的高速全景單像機(jī)，配合多角度可調(diào)光源，保證在行進(jìn)中全周向一次性快速清晰成像，提高了檢測(cè)效率并徹底杜絕了多鏡頭或旋轉(zhuǎn)式鏡頭的漏檢和視角盲區(qū)。

另外，圖像處理端可實(shí)時(shí)對(duì)全景視圖展開并拼接為2D剖開圖，由于管道內(nèi)全景視角采集的圖像為扇形圖，不利于觀察和發(fā)現(xiàn)缺陷，因此圖像處理采用插值算法對(duì)圖像像素進(jìn)行插值，使得采集的圖像展開為長(zhǎng)方形，如圖3所示為管道內(nèi)高清視頻圖像采集示意圖。

圖3 管道內(nèi)視頻采集檢測(cè)對(duì)比與檢測(cè)圖像處理示意Figure 3 In-pipe video collection and detection comparison and image processing schematic diagram

1.3 脈沖渦流和電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)

針對(duì)附塔管線管道內(nèi)檢測(cè)問(wèn)題，脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成4～6只探頭環(huán)形分布，當(dāng)爬行機(jī)器人在管道內(nèi)行進(jìn)時(shí)，脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量速度為0.5～15.0次/s(隨被測(cè)壁厚降低而增加)，適用管道最大檢測(cè)壁厚為3～100 mm，管道直徑≥50 mm，重復(fù)檢測(cè)精度為2%，分辨力/腐蝕缺陷檢測(cè)靈敏度為5%(體積比)。脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)可展開2D平面圖，方便對(duì)有懷疑的部位進(jìn)行定位和測(cè)量，并可協(xié)同管道高清視頻展開圖對(duì)比研究。

與脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)類似，電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成4～6只探頭環(huán)形分布，可對(duì)厚度1.5～200.0 mm的鋼管進(jìn)行測(cè)厚，該厚度范圍測(cè)量精度可達(dá)0.04 mm；厚度100～200 mm時(shí)精度可達(dá)0.1 mm，其激發(fā)頻率為3.0～3.9 MHz。同樣的，電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)可展開2D平面圖，方便與其它檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析及驗(yàn)證。

通過(guò)串聯(lián)方式將高清圖像采集系統(tǒng)、脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)、電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)和爬行器依據(jù)檢測(cè)要求進(jìn)行連接，由此組成了整個(gè)管線多功能檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)示意圖如圖4所示。系統(tǒng)可控制爬行器進(jìn)入管道內(nèi)部或退出，同時(shí)開啟高清圖像采集系統(tǒng)、脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)和電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，多個(gè)系統(tǒng)集成到一個(gè)信號(hào)控制和軟件內(nèi)進(jìn)行處理。

圖4 管線多功能檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Figure 4 Schematic diagram of pipeline multifunctional inspection system

2 樣機(jī)測(cè)試與結(jié)果

2.1 樣機(jī)測(cè)試

為了驗(yàn)證該附塔管線多功能檢測(cè)系統(tǒng)的適應(yīng)性和檢測(cè)能力，試驗(yàn)采用一段公稱直徑為DN250 mm，壁厚為10 mm的樣管進(jìn)行測(cè)試。樣管內(nèi)已預(yù)粘貼一張帶尺寸的模擬缺陷紙，在不同位置預(yù)制了多處已知尺寸的減薄區(qū)域和圓形孔。將載有高清視頻檢測(cè)系統(tǒng)、脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)和電磁超聲測(cè)厚的爬行機(jī)器人放入樣管內(nèi)，通過(guò)電腦端控制爬行機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)程序，調(diào)節(jié)其直徑以適應(yīng)管道的內(nèi)徑，并調(diào)節(jié)機(jī)器與管道進(jìn)行對(duì)中；同時(shí)打開各檢測(cè)系統(tǒng)查看各檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)。如圖5所示為爬行機(jī)器人進(jìn)入管道內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)的實(shí)物圖。

圖5 爬行機(jī)器人檢測(cè)實(shí)物圖Figure 5 Picture of crawling robot detection

2.2 高清視頻檢測(cè)

機(jī)器人進(jìn)入樣管后實(shí)時(shí)查看視頻圖像，由視頻圖像可以看到管道內(nèi)的實(shí)時(shí)全景圖像和管道平面展開圖形，如圖6所示。測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)樣管內(nèi)模擬缺陷清晰可辨，管道展開圖無(wú)畸變，通過(guò)對(duì)比測(cè)試得到高清視頻檢測(cè)的距離定位精度約為±3%，缺陷尺寸測(cè)量精度約為±5%。當(dāng)爬行機(jī)器人走完檢測(cè)管道后，可獲得管道展開圖，并可拼接成管道2D展開圖像，如圖7所示。由測(cè)試結(jié)果可以看出，該管道的內(nèi)部全景圖、展開圖和管道2D展開圖清晰，測(cè)量精度滿足要求，可以用來(lái)發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)部的宏觀缺陷。

圖6 管道全景圖和展開圖Figure 6 Pipeline panorama and expansion dwg

圖7 管道拼接圖Figure 7 Pipeline splicing diagram

2.3 脈沖渦流檢測(cè)

操作爬行機(jī)器人對(duì)管道進(jìn)行測(cè)試并啟動(dòng)脈沖渦流檢測(cè)[8-10]，在樣管不同位置預(yù)設(shè)了多處已知尺寸的減薄區(qū)域，通過(guò)脈沖渦流模塊對(duì)樣管實(shí)施檢測(cè)，并將對(duì)應(yīng)管道檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)圖進(jìn)行展開，形成C掃描圖像，機(jī)器人脈沖渦流檢測(cè)結(jié)果如表1所示。通過(guò)檢測(cè)結(jié)果可知，軸向相對(duì)位置20，100和110 mm處存在壁厚減薄，減薄量約為校準(zhǔn)壁厚的20%，19%和15%(校準(zhǔn)壁厚為10 mm)，該結(jié)果與實(shí)際相符，通過(guò)重復(fù)測(cè)試得出其腐蝕缺陷檢測(cè)靈敏度約為5%，可以看出該檢測(cè)結(jié)果滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求。

表1 管道脈沖渦流檢測(cè)相對(duì)壁厚值Table 1 Pulse eddy current test results of relative wall thickness

2.4 電磁超聲檢測(cè)

在樣管不同位置預(yù)設(shè)了多處已知尺寸的圓形缺陷，通過(guò)電磁超聲模塊對(duì)樣管實(shí)施檢測(cè)，并將對(duì)應(yīng)管道檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)圖進(jìn)行展開，形成C掃描圖像，機(jī)器人電磁超聲檢測(cè)結(jié)果如表2所示。通過(guò)檢測(cè)結(jié)果可知，軸向相對(duì)位置50 mm(4)和50 mm(10)處存在壁厚減薄，厚度約為8.0 mm和6.1 mm，該結(jié)果與實(shí)際相符，通過(guò)重復(fù)測(cè)試得出厚度精度約為0.05 mm，可以看出該檢測(cè)結(jié)果滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求。

表2 電磁超聲檢測(cè)結(jié)果Table 2 Test results of electromagnetic ultrasonic

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)附塔管線存在作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)高、檢修成本高及檢修難度大等問(wèn)題，課題組設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器人的附塔管線多功能檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括爬行機(jī)器人、高清視頻檢測(cè)系統(tǒng)、脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)、電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)和集成的控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)，結(jié)果表明該檢測(cè)系統(tǒng)具有滿足工程應(yīng)用的變徑、對(duì)中等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)管道內(nèi)部圖像高清視頻采集，其缺陷尺寸測(cè)量精度約為±5%；系統(tǒng)搭載的脈沖渦流檢測(cè)和電磁超聲測(cè)厚能夠檢測(cè)出管道內(nèi)部腐蝕減薄情況，其中脈沖渦流檢測(cè)腐蝕缺陷檢測(cè)靈敏度約為5%，電磁超聲檢測(cè)厚度精度約為0.05 mm。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)附塔管線多種檢測(cè)方式一體化作業(yè)，并通過(guò)機(jī)器人改善作業(yè)條件，提高檢測(cè)自動(dòng)化水平。綜上所述，該基于機(jī)器人的管線多功能檢測(cè)系統(tǒng)適宜應(yīng)用于附塔管線的檢驗(yàn)檢測(cè)。