油氣管道檢測(cè)及清潔機(jī)器人的可靠性分析

劉杰，張曉龍，羅贏，黃曠，宋進(jìn)，武龍飛

（1.650093 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院；2.中國(guó)人民解放軍31638 部隊(duì)）

0 引言

隨著能源消耗增加迅速，我國(guó)的管道運(yùn)輸技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，在石油和天然氣領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。油氣管道是石油、天然氣等能源的最重要的傳輸手段之一，國(guó)內(nèi)油氣管道總里程規(guī)模巨大，受內(nèi)部介質(zhì)腐蝕和潮濕、炎熱氣候等因素影響，管道內(nèi)部情況十分復(fù)雜，進(jìn)行相應(yīng)的清潔和檢測(cè)十分必要[2-3]。受管道直徑限制，使用人工對(duì)管道內(nèi)部進(jìn)行清理、檢查十分困難，目前常用管道機(jī)器人完成相應(yīng)工作[4]。為了更快更好地完成相應(yīng)的檢測(cè)、清洗、攝像等工作，一系列管道機(jī)器人被研發(fā)、生產(chǎn)出來。有關(guān)研究中，鄧宗全[5]等人提出一種管道內(nèi)壁攝像裝置；曾樹杰[6]等人提出的管道內(nèi)部焊接焊縫視覺檢查機(jī)器人；林鐘衛(wèi)[7]等人提出針對(duì)LNG 管道的機(jī)器人，具有行走、檢查、噴涂等多種功能；美國(guó)通用公司研制出用于管道清洗的管道豬[8]。

管道機(jī)器人主要應(yīng)用于無人、高溫、高濕等極端惡劣情況，因此機(jī)器人的安全性、可靠性顯得尤為重要。管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，自由度較多，運(yùn)動(dòng)精度不穩(wěn)定，這些都給管道機(jī)器人的應(yīng)用帶來效率和安全性問題。一旦發(fā)生故障，修復(fù)困難且修復(fù)成本較高，并且運(yùn)動(dòng)問題導(dǎo)致的碰撞也容易引發(fā)火災(zāi)，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。但是目前針對(duì)整體管道機(jī)器人的故障分析較少，因此本文以昆明理工大學(xué)功能流體應(yīng)用與礦山機(jī)電工程研究所研制的多功能管道機(jī)器人為研究對(duì)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行相應(yīng)危害度分析（FMECA）和故障樹分析（FTA），明確薄弱環(huán)節(jié)，并給出改善措施。

1 結(jié)構(gòu)功能介紹

多功能管道機(jī)器人主要用于油氣管道的檢測(cè)、清洗、攝像，為油氣管道安全、高效的運(yùn)行提供相應(yīng)的支持。本文以多功能管道機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)為研究對(duì)象，其主要由清洗裝置、行走裝置、攝像裝置和檢裝置4 大部分組成，如圖1 所示。

管道機(jī)器人行走裝置采用6 個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶，可實(shí)行差速運(yùn)動(dòng)，履帶可以由連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行支撐，實(shí)現(xiàn)變徑操作和保證管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性與通過性；攝相裝置通過探射燈照明，前置 360 °旋轉(zhuǎn)攝像頭進(jìn)行拍攝，對(duì)管道內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)的觀察；檢測(cè)裝置通過對(duì)稱的輪子進(jìn)行運(yùn)動(dòng)減少相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)的阻力，而彈簧伸縮桿和彈簧伸縮座使得檢測(cè)機(jī)構(gòu)自適應(yīng)相應(yīng)的管道的直徑變化，檢測(cè)裝置采用成熟的渦流檢測(cè)法，通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)檢查機(jī)構(gòu)可以較為快速地檢測(cè)相應(yīng)的管道的裂紋；清洗裝置通過柔性的頭刷進(jìn)行清洗，由清洗電機(jī)帶動(dòng)相應(yīng)的聯(lián)軸器傳遞相應(yīng)的動(dòng)力，并帶動(dòng)頭刷進(jìn)行相應(yīng)的清洗工作。通過以上方式，多功能管道機(jī)器人實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的對(duì)管道的清洗、檢測(cè)、攝像、功能。由于管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且使用環(huán)境惡劣，維修較為困難，有必要進(jìn)行相應(yīng)的可靠性分析。

2 可靠性分析

管道機(jī)器人使用環(huán)境復(fù)雜，為了提高使用壽命，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。吳海淼[9]等人研究了工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可靠性；張乙[10]針對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的諧波減速器時(shí)變可靠性的研究；張銳[11]對(duì)桁架機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性分析，大多針對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和零部件可靠性研究。本文主要針對(duì)多功能管道機(jī)器人的整體進(jìn)行機(jī)械可靠性分析。機(jī)械可靠性是指機(jī)械產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下和時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力[12]，可靠性分析是為了提高設(shè)計(jì)使用周期、壽命等參數(shù)，保證機(jī)械設(shè)備達(dá)到使用預(yù)期的分析方式。常用的可靠性分析方式有故障樹分析、故障危害性分析等，本文以管道機(jī)器人為研究對(duì)象進(jìn)行相應(yīng)的FMECA 和FTA 分析。

2.1 FMECA 分析

故障危害性分析（Failure Mode,Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA），主要指故障模式對(duì)系統(tǒng)的影響和該模式的危害分析。

2.1.1 管道機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義

對(duì)其進(jìn)行功能和組成分析，可靠性框圖分析對(duì)系統(tǒng)定義如下：

（1）功能及組成：多功能管道機(jī)器人功能主要是對(duì)油氣管路的清洗、檢測(cè)、攝像；

（2）約定層次：“初始約定層次”為管道機(jī)器人。“約定層次”為行走裝置、檢測(cè)裝置、攝像裝置、清洗裝置?！白畹图s定層次”為更低一級(jí)的組成部分，如圖2 所示。

通過對(duì)管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行分析，繪制功能層次與結(jié)構(gòu)層次對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖 3 所示。

管道機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其任一結(jié)構(gòu)發(fā)生故障就會(huì)導(dǎo)致管道機(jī)器人不能正常工作。可靠性框圖如圖4 所示。

2.1.2 管道機(jī)器人故障模式分析

故障就是相應(yīng)設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的規(guī)定功能和動(dòng)作。根據(jù)《故障模式、影響及危害性分析指南》將故障模式造成的故障影響的嚴(yán)重程度進(jìn)行嚴(yán)酷度級(jí)別劃分，將相應(yīng)的失效造成的影響程度分為4 級(jí)，分別是輕度失效、中度失效、重度失效、災(zāi)難性失效，定義如表1 所示。

表1 管道機(jī)器人嚴(yán)酷度定義Tab.1 Definition of severity of pipeline robot

為了更好地明確故障原因和分析故障情況，進(jìn)行相應(yīng)的FEMCA 計(jì)算。根據(jù)《故障模式、影響及危害性分析指南》對(duì)于故障影響的概率β值取值如表2 所示，然后根據(jù)GB/T 7826-2012《系統(tǒng)可靠性分析技術(shù) 失效模式和影響分析（FMEA）程序 》，進(jìn)行故障模式危害度計(jì)算，獲得相應(yīng)的管道機(jī)器FMECA 分析結(jié)果如表3 所示。

表2 GB7826 故障影響概率β 值推薦值表Tab.2 Recommended values of GB7826 failure impact probability β value

表3 管道機(jī)器FMECA 分析計(jì)算結(jié)果Tab.3 FMECA analysis and calculation results of pipeline machines

（續(xù)表）

為了更好地明確危害情況，做出相應(yīng)的危害度矩陣如圖5 所示。

由危害度矩陣和FMECA 分析可以知道，沒有對(duì)應(yīng)的I 類的嚴(yán)酷度事件；出現(xiàn)最嚴(yán)重的Ⅱ類嚴(yán)酷度事件共有10 個(gè)，其中最嚴(yán)重的為清洗電機(jī)損壞；出現(xiàn)Ⅲ類嚴(yán)酷度事件15 個(gè)，其中最嚴(yán)重的為電池性能降低；出現(xiàn)Ⅳ類嚴(yán)酷度9 個(gè)，影響最大的為旋轉(zhuǎn)基座腐蝕。為更好地明確相應(yīng)Ⅱ類嚴(yán)酷度下的管道機(jī)器人的故障問題，以“管道機(jī)器人部分或全部功能喪失”為頂事件進(jìn)行故障樹分析。

2.2 故障樹分析

通過相應(yīng)的FMECA 結(jié)果，建立了以“管道機(jī)器人部分或全部功能喪失”為頂事件，建立如圖6—圖11 所示的故障樹。

2.3 頂事件定性分析

建立相應(yīng)的管道機(jī)器人故障樹，明確影響管道機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)的故障。為更好地明確裝置各故障的重要性，進(jìn)行相應(yīng)的定量分析，計(jì)算出底事件的相對(duì)概率重要度，相對(duì)概率重要度越大，說明該事件引起頂事件發(fā)生的可能性越大[13]。

以“管道機(jī)器人部分或全部功能喪失”為頂事件可以分為行走電機(jī)故障、蓄電池故障、攝像頭故障、清洗電機(jī)故障、渦流檢測(cè)裝置故障等5 個(gè)中間事件。中間事件1：行走電機(jī)故障，由{事件X1}、{事件X2}…{事件X7}組成；中間事件2：蓄電池故障，由{事件X8}、{事件X9}…{事件X13}組成；中間事件3：渦流檢測(cè)裝置故障，由{事件X14}、{事件X15}…{事件X18}組成；中間事件4：攝像頭故障，由{事件X19}、{事件X20}、{事件X21}組成；中間事件5：清洗電機(jī)故障，由{事件X22}、{事件X23}…{事件X26}組成。

設(shè)定行走裝置規(guī)定使用壽命小時(shí)為T=1×106基準(zhǔn)下，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)和故障手冊(cè)設(shè)定故障時(shí)間FR。設(shè)相應(yīng)的底事件Xi各自獨(dú)立，其中，事件的故障發(fā)生概率分別為q1，q2，…，qn，頂事件的發(fā)生概率是底事件發(fā)生概率的函數(shù)，稱為故障概率函數(shù)，記為Q=Q（q1，q2，…，qn），則其中第i 個(gè)底事件的相對(duì)概率重要度Ci計(jì)算公式如式（1）—式（5）。

相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式（1）—式（5），結(jié)果如表4。

表4 管道機(jī)器人故障重要度Tab.4 Fault importance of pipeline robot

由表4 可知，在Ⅱ類嚴(yán)酷度中，清洗電機(jī)、蓄電池、行走電機(jī)、攝像頭、渦流檢測(cè)裝置對(duì)應(yīng)出現(xiàn)故障的相對(duì)重要度較大，并給出相應(yīng)的故障檢查和應(yīng)對(duì)措施如表5 所示。

表5 管道機(jī)器人故障措施Tab.5 Pipeline robot failure measures

3 結(jié)論

本文針對(duì)惡劣環(huán)境嚴(yán)重影響管道機(jī)器人的使用壽命和工作效率問題，提出對(duì)多功能管道機(jī)器人進(jìn)行可靠性分析。通過對(duì)管道機(jī)器人的FMECA 分析和FAT 分析發(fā)現(xiàn)：

（1）通過FMECA 分析，發(fā)現(xiàn)沒有對(duì)應(yīng)的Ⅰ類嚴(yán)酷度故障，安全性較好。有10 個(gè)Ⅱ類嚴(yán)酷故障，其對(duì)應(yīng)為相應(yīng)的清洗電機(jī)故障、渦流檢測(cè)裝置故障、行走電機(jī)故障、蓄電池故障、攝像頭故障；

（2）通過對(duì)Ⅱ類的嚴(yán)酷度進(jìn)行FTA 發(fā)現(xiàn)，除攝像頭外各個(gè)故障的相對(duì)重要度占比比較均勻，其中攝像頭出現(xiàn)的故障占比較大，對(duì)應(yīng)的相對(duì)重要度占比為11.75%和11.03%；

（3）通過相應(yīng)的故障分析，得出了相應(yīng)的主要的故障原因，并給出了相對(duì)重要度超過5%的檢測(cè)和改善措施。通過以上研究為該型機(jī)器人故障檢測(cè)提供依據(jù)，也為其他管道機(jī)器人設(shè)計(jì)提出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)。