輔助定位技術(shù)在?；穬?chǔ)罐漏磁檢測(cè)中的應(yīng)用研究*

朱君君，胡華勝，肖 黎

（1.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東佛山 528251；2.武漢工程大學(xué)，武漢 430205）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，?；穬?chǔ)罐得到廣泛應(yīng)用。?；穬?chǔ)罐壁板受環(huán)境因素及介質(zhì)腐蝕影響，腐蝕減薄時(shí)常發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)腐蝕穿孔、裂紋擴(kuò)展甚至破裂，以致介質(zhì)泄漏，影響安全生產(chǎn)。為使?；穬?chǔ)罐安全運(yùn)行，降低危險(xiǎn)事故，國(guó)家制定了相關(guān)的檢測(cè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)石油天然氣管道局發(fā)布了《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)程》（SY/T 5921-2011）和《油罐的檢驗(yàn)、修理、改建及翻建》（SY/T 6620-2014）。在這兩個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，明確指出儲(chǔ)罐壁板的檢測(cè)是儲(chǔ)罐檢測(cè)的一項(xiàng)必需內(nèi)容[1-2]。位于儲(chǔ)罐最底層的罐底板一般由中幅板和極邊板按一定的排板形式焊接而成，其上表面接觸含水的存儲(chǔ)介質(zhì)，下表面與儲(chǔ)罐的支撐物接觸，是儲(chǔ)罐最容易發(fā)生腐蝕的區(qū)域[3-7]。因此，在儲(chǔ)罐實(shí)際檢測(cè)中，底板是最關(guān)鍵的檢測(cè)對(duì)象，也是最容易出現(xiàn)問題、導(dǎo)致事故的部件。

漏磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)底板鋼板上下表面體積型缺陷（包括穿孔）具有優(yōu)良的檢測(cè)能力，尤其是對(duì)底板下表面點(diǎn)狀腐蝕的檢測(cè)能力突出[8-10]，其結(jié)論對(duì)于做出不修、修補(bǔ)和更換底板的決定起著重要作用，使維修保養(yǎng)更具針對(duì)性，客觀降低維修保養(yǎng)費(fèi)用，廣泛運(yùn)用于危化品儲(chǔ)罐底板可靠性檢測(cè)。但傳統(tǒng)的漏磁檢測(cè)實(shí)際操作時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度高、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，而且儲(chǔ)罐的受限空間不允許工作人員長(zhǎng)時(shí)間工作。近年來隨著我國(guó)新建大型儲(chǔ)罐增多，檢測(cè)任務(wù)加劇，傳統(tǒng)的手工漏磁檢測(cè)方法已不適應(yīng)新的環(huán)境和發(fā)展客觀要求[11]。

本文開展定位裝置相關(guān)研究，通過定位樁輔助定位技術(shù)使漏磁檢測(cè)設(shè)備在儲(chǔ)罐內(nèi)能夠精確定位和檢測(cè)全覆蓋，同時(shí)具有路徑偏移糾正、翻越一般焊縫等障礙物功能，將漏磁技術(shù)和智能技術(shù)較好結(jié)合，自動(dòng)進(jìn)行漏磁檢測(cè)，提高儲(chǔ)罐底板的檢測(cè)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 漏磁檢測(cè)原理及智能系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 漏磁檢測(cè)原理

漏磁檢測(cè)原理是利用磁敏元件對(duì)空氣中的漏磁信息進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)鐵磁性板材被外加磁化裝置磁化后，在板材內(nèi)可產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，若板材上存在腐蝕或機(jī)械損傷等體積性缺陷，則磁力線會(huì)泄漏到板材外部，從而在其表面形成漏磁場(chǎng)。在磁化裝置中部放置一個(gè)磁場(chǎng)傳感器（通常采用霍爾元件或線圈等磁場(chǎng)傳感器），磁場(chǎng)傳感器將底板上由缺陷產(chǎn)生的（漏磁場(chǎng)）漏磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過放大、濾波和信號(hào)處理，對(duì)于儲(chǔ)罐底板壁厚減薄缺陷，可給出缺陷深度的當(dāng)量，對(duì)于裂紋性質(zhì)的缺陷，可以通過漏磁信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)《無損檢測(cè)常壓金屬儲(chǔ)罐漏磁檢測(cè)方法》（JB/T 10765-2007）進(jìn)行分析[12]。

1.2 智能系統(tǒng)構(gòu)成

漏磁檢測(cè)儀主要基于漏磁檢測(cè)的原理，一般系統(tǒng)包含3個(gè)部分：檢測(cè)部分、驅(qū)動(dòng)部分和控制顯示部分。本文討論的危化品儲(chǔ)罐底板漏磁智能檢測(cè)系統(tǒng)，具體包括兩方面功能模塊研究以及整機(jī)應(yīng)用：（1）選擇合適的漏磁檢測(cè)儀，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，搭建移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊、攝像模塊、通信模塊、打標(biāo)模塊；（2）設(shè)計(jì)移動(dòng)控制終端，包括系統(tǒng)操作平臺(tái)、通訊模塊、實(shí)時(shí)成像及檢測(cè)數(shù)據(jù)分析模塊、控制模塊、智能輔助定位裝置（路徑規(guī)劃）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等。整個(gè)檢測(cè)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，存儲(chǔ)超出閾值顯示區(qū)域位置對(duì)應(yīng)的圖像信息。其中漏磁檢測(cè)儀移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊，擬采用單車雙履帶結(jié)構(gòu)的車體結(jié)構(gòu)，內(nèi)置輔助定位裝置（路徑規(guī)劃），能夠攜帶檢測(cè)儀在儲(chǔ)罐表面平穩(wěn)可靠地運(yùn)動(dòng)以及糾正路徑偏移、定位、翻越一般障礙物，并完成檢測(cè)任務(wù)，具有一定的穩(wěn)定性和靈活性。而定位裝置是實(shí)現(xiàn)底板漏磁智能檢測(cè)的關(guān)鍵部分之一。本文研究的定位樁輔助定位技術(shù)使裝備通過傳感器感知環(huán)境信息和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在儲(chǔ)罐內(nèi)沿規(guī)劃路徑自主運(yùn)動(dòng)，并能夠保證一定的行走精度，最終確定缺陷在儲(chǔ)罐底板上的準(zhǔn)確位置，對(duì)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備自動(dòng)化功能具有非常重要的作用。

2 定位樁輔助定位分析

底板間焊縫的余高一般為10～20 mm左右，粗細(xì)大概是10 mm左右，目前未見比較合適的物理外設(shè)或者傳感器可以感知、識(shí)別出儲(chǔ)罐內(nèi)的焊縫。利用高精度攝像頭的圖像識(shí)別技術(shù)，在儲(chǔ)罐內(nèi)光線極暗的條件下無法準(zhǔn)確清晰地識(shí)別如此小的焊縫。利用紅外技術(shù)，由于儲(chǔ)罐底板材質(zhì)一致，無法區(qū)分焊縫。利用多線激光雷達(dá)，無法保證激光掃描到焊縫區(qū)域的地面，而且焊縫尺寸較小，目前360°多線激光雷達(dá)也難以進(jìn)行識(shí)別。

針對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)焊縫的智能識(shí)別，本文提出一種多線激光雷達(dá)配合輔助定位樁識(shí)別焊縫的獨(dú)特方法，利用樁子擺放在一條焊縫兩側(cè)，通過多線激光雷達(dá)識(shí)別兩個(gè)樁子的位置確定這條焊縫的所在位置，這里的樁子稱為定位樁。定位樁的選取要滿足識(shí)別的便利性，本文主要針對(duì)這種定位樁的選擇進(jìn)行相關(guān)分析。

通過激光雷達(dá)以及輔助定位樁計(jì)算確定小車（即漏磁檢測(cè)儀）位置的方法主要步驟如下。

第一步：通過雷達(dá)掃描小車周邊物體，根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)計(jì)算小車周邊物體相對(duì)小車自身的位置信息，距離信息k1、k2、k3，以及k1、k2、k3出現(xiàn)位置相對(duì)小車的角度，如圖1所示。

圖1 小車定位示意圖Fig.1 trolley positioning diagram

第二步：將小車周邊物體位置信息每3個(gè)一組進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)小車距離物體的3個(gè)距離k1、k2、k3，計(jì)算得到物體之間的長(zhǎng)度和寬度以及垂直角度，然后與已知定位樁之間的長(zhǎng)度和寬度進(jìn)行比較，進(jìn)而確定哪3個(gè)物體是已知的3個(gè)定位樁，最終確定小車周邊定位柱的位置。

第三步：如圖1所示，在確定3個(gè)定位樁以及3條邊的位置關(guān)系后，可以結(jié)合長(zhǎng)寬信息算出小車坐標(biāo)（x，y），例如，如圖1所示，x可由k1以及k1出現(xiàn)位置的夾角r計(jì)算得到x=sinr×k1。

第四步：小車角度校準(zhǔn)，計(jì)算小車朝向角度與水平兩個(gè)定位樁連線之間夾角，調(diào)整小車使其與水平兩個(gè)定位樁連線保持平行。

2.1 定位樁的直徑選取

定位樁的直徑尺寸不宜過大。儲(chǔ)罐內(nèi)的障礙物一般較多，無法確保焊縫附近都能擺放一個(gè)大直徑的定位樁。同時(shí)，直徑過大的定位樁本身容易帶來定位誤差，并且也不方便攜帶，因此定位樁的直徑選取要盡量小。

儲(chǔ)罐內(nèi)的鋼板的長(zhǎng)度一般在1～20 m范圍內(nèi)。這里選取市面上較為主流的鐳神16線激光雷達(dá)進(jìn)行測(cè)試。鐳神16線激光雷達(dá)以10 Hz掃描頻率工作時(shí)，其角度精度是0.18°。一塊鋼板一般要掃描的最遠(yuǎn)端是10 m左右。要準(zhǔn)確地在10 m遠(yuǎn)的地方識(shí)別出輔助定位樁，需要保證至少有一個(gè)掃描點(diǎn)落在定位樁上，因此定位樁的直徑至少要10×sin(0.18°/2)×2≈0.016 m。綜合考慮，本文選定的定位樁直徑建議為0.05 m。

2.2 定位樁的材質(zhì)選取

為了更快速、準(zhǔn)確地與儲(chǔ)罐內(nèi)的其他障礙物進(jìn)行區(qū)分，利用多線激光雷達(dá)對(duì)不同透明度的物體可以識(shí)別出不同反射激光強(qiáng)度信息的原理，本文對(duì)實(shí)心透明亞克力材質(zhì)、空心透明PVC塑料材質(zhì)和完全不透明PVC塑料材質(zhì)等3種材質(zhì)定位樁進(jìn)行測(cè)試。為了保證輔助定位樁被激光雷達(dá)掃描到，定位樁到激光雷達(dá)的距離設(shè)置為0.32 m，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 激光雷達(dá)測(cè)試不同材料的定位樁數(shù)據(jù)Tab.1 Data of positioning piles of different materials tested by radar

從表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著激光光線角度增大，激光雷達(dá)到達(dá)透明材料輔助定位樁的測(cè)量數(shù)據(jù)偏差越大，而激光雷達(dá)對(duì)實(shí)心不透明材料定位樁測(cè)量數(shù)據(jù)偏差在±2 mm范圍以內(nèi)，另外幾乎不受激光光線角度變化的影響。

圖2所示為完全不透明輔助定位樁的3D圖顯示，紅色方框中為空心透明定位樁掃描圖，可以看到3D圖中的空心透明定位樁強(qiáng)度信息是橘紅色，而且多線雷達(dá)所得的多根線條都在同一豎直平面內(nèi)，相對(duì)更平整。這說明，通過激光雷達(dá)的內(nèi)部數(shù)據(jù)校正，其不同角度的光線所得的測(cè)試距離數(shù)據(jù)是一致的。對(duì)于透明材料的定位樁，其點(diǎn)云圖的線條是比較扭曲的。造成這種扭曲的原因，是由于激光光線的在透明定位樁表面折射等原因造成的，其結(jié)果就是所得的距離等信息不準(zhǔn)確。

圖2 完全不透明定位樁雷達(dá)3D圖Fig.2 Radar 3D diagram of completely opaque positioning pile

分析上述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，針對(duì)透明材質(zhì)定位樁，雖然通過多線激光雷達(dá)的強(qiáng)度信息確實(shí)能準(zhǔn)確分辨定位樁和儲(chǔ)罐內(nèi)其他物體，但是透明物體會(huì)對(duì)光線進(jìn)行折射，導(dǎo)致最后雷達(dá)測(cè)量的距離不準(zhǔn)確，無法準(zhǔn)確確定焊縫位置。相比之下，采用完全不透明材質(zhì)的定位樁，其所得的距離數(shù)據(jù)和角度數(shù)據(jù)都比較準(zhǔn)確，因此確定采用完全不透明定位樁。

2.3 定位樁高度確定

由于采用的是非透明材質(zhì)，為了區(qū)別現(xiàn)場(chǎng)的浮頂柱和定位樁，可以通過多線雷達(dá)計(jì)算定位樁的高度，利用高度的區(qū)別識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)的浮頂柱和定位樁。為了更方便區(qū)分，需要為定位樁設(shè)計(jì)合適的高度。雷達(dá)光線散射的效果如圖3所示，雷達(dá)散射的光線條數(shù)為16條，向上向下各8條，每?jī)蓷l之間相差2°，光線角度最大是15°。

圖3 雷達(dá)光線散射Fig.3 Radar light scattering diagram

雷達(dá)識(shí)別出定位樁需要確保幾點(diǎn)：（1）至少要有兩根光線打到定位樁上，確定定位樁是一個(gè)豎直的圓柱體；（2）要確保20 m左右雷達(dá)至少有兩個(gè)點(diǎn)掃描到定位樁上，如圖4所示。因此，定位樁的高度至少10×tan(1)×2≈0.0349 m。為使用方便，本文確定的定位樁高度為0.5 m。

圖4 雷達(dá)兩根光線掃描定位樁Fig.4 Schematic diagram of two light scanning positioning piles of radar

2.4 定位樁形狀的選取

雷達(dá)光線只能探射到定位樁表面，為了雷達(dá)從各個(gè)方向掃描到定位樁，確保定位樁的中心到雷達(dá)的距離都是可以通過計(jì)算得到，圓形定位樁的形狀可以滿足要求。即實(shí)際雷達(dá)到定位樁中心的距離L等于雷達(dá)光線測(cè)量的定位樁表面最短距離L1加上定位樁半徑R。同時(shí)雷達(dá)在儲(chǔ)罐內(nèi)配合智能設(shè)備運(yùn)動(dòng)的過程中，雷達(dá)的垂直高度無法一直保持固定，因此定位樁從下到上的圓形半徑要保持一致。

綜上所述，定位樁的形狀只能是圓柱體形，而不能是圓錐體形，更不能是長(zhǎng)方體形。

2.5 定位樁的擺放改進(jìn)方案

為了更好地配合雷達(dá)確定焊縫的所在位置，定位樁的擺放必須要垂直于地面，而儲(chǔ)罐底板上會(huì)存在很多因素影響到定位樁的擺放，例如焊縫焊接的不平整、底板上有很大焊瘤、底板凹凸不平等。針對(duì)這個(gè)問題，對(duì)上述定位樁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種可以移動(dòng)的懸掛式定位樁結(jié)構(gòu)，如圖5所示。這種定位樁可以改變接觸地面的位置，但是保持定位樁的實(shí)際位置保持不變，而且定位樁始終垂直于地面。

圖5 輔助定位樁改進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)Fig.5 Structural diagram of the improvement device for positioning pile

3 結(jié)束語

本文研究了用于漏磁智能檢測(cè)導(dǎo)航的多線激光雷達(dá)輔助定位技術(shù)，給出了定位樁的直徑、材質(zhì)、高度以及其放置方式等選取范圍，使測(cè)量的距離和角度數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。在惠州某煉油廠10000 m3儲(chǔ)罐進(jìn)行整體功能測(cè)試，漏磁檢測(cè)儀通過傳感器感知環(huán)境信息和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在儲(chǔ)罐內(nèi)沿規(guī)劃路徑自主運(yùn)動(dòng)及開展檢測(cè)，能夠平穩(wěn)可靠地運(yùn)動(dòng)，掃描速率為0～10 m/min，移動(dòng)精度為運(yùn)動(dòng)1 m的偏移量不超過10 mm。對(duì)8 mm厚度試板檢出直徑1.6 mm通孔和直徑10 mm深1.6 mm孔，檢出率95%以上，能夠在儲(chǔ)罐底板上對(duì)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位，達(dá)到精準(zhǔn)的漏磁檢測(cè)的目的，同時(shí)可以提高檢測(cè)工作效率、降低檢測(cè)成本、改善作業(yè)條件。