【文章內(nèi)容簡介】 今仍得到廣泛應(yīng)用的移動機(jī)構(gòu)。它結(jié)構(gòu)簡單，在相對平坦的路面上有相當(dāng)優(yōu)越的性能，可是在地形復(fù)雜的情況下就不適用，輪子很容易陷到坑洼里而不能前進(jìn)。 ①一般輪式 美國 Everst Vit公司的管道產(chǎn)生了多種輪式移動機(jī)構(gòu)的派生機(jī)構(gòu)式派生機(jī)構(gòu)。如圖 11所示，采用輪式移動機(jī)構(gòu)，這種移動機(jī)構(gòu)在管道接頭部分或者管道里污垢沉積較多時(shí) 就不能行走自如。 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 5 圖 11 Everst Vit公司 Rovver60管道機(jī)器人 由于基本輪式機(jī)構(gòu)在環(huán)境適應(yīng)性上有很多不足之處， 尤其是不能在圓管、垂直管和彎管中行走。 于是又出現(xiàn)了許多 輪式 管道機(jī)器人派生機(jī)構(gòu)。 ②內(nèi)支撐輪式 此類管道機(jī)器人多數(shù)適用于圓管，一般是用三個(gè)互成 120176。 的腳撐在管道內(nèi)，也可稱之為三輪式管道機(jī)器人。這是最開始研究圓管管道機(jī)器人時(shí)常用的機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)不能很好的適應(yīng)管徑，而且不容易通過彎管。因此又出現(xiàn)了許多派生結(jié)構(gòu)。 圖 12所示為韓國 Sung Kyun Kwan大學(xué) Roh G、 Ryew M等人研制的管道檢測機(jī)器人。它是由前后兩節(jié)組成，中間萬向節(jié)連接，每節(jié)由三組行星驅(qū)動輪均勻支撐在管壁上，可調(diào)連桿調(diào)節(jié)驅(qū)動輪以適應(yīng)不同的管徑，前端帶 CCD攝像頭。 圖 12 內(nèi)支撐輪式管道機(jī)器人 圖 13 螺旋推動機(jī)器人 圖 13為東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)出了基于螺旋輪式運(yùn)動原理的管道機(jī)器人，該機(jī)器人的本體由幾個(gè)單元體通過彈簧連接而成。每個(gè)單元體上均布有三只支撐臂，用螺旋彈簧將支撐臂上的小輪緊壓在管道內(nèi)壁上，產(chǎn)生預(yù)壓力。小輪的軸線相對單元體的軸線傾斜了一個(gè)角度， 通過中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 6 軟軸將扭矩作用于單元體上使微機(jī)器人運(yùn)動。機(jī)器人采用可調(diào)整的三輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)，解決了機(jī)器人垂直爬升、轉(zhuǎn)彎等行走方面的問題，可視為基本三輪式管道機(jī)器人的派生機(jī)構(gòu)。 （ 2）履帶式管道檢測作業(yè)機(jī)器人 履帶式移動機(jī)構(gòu)適合于未加工的天然路面行走，它是輪式移動機(jī)構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。相對于輪式機(jī)構(gòu)，履帶式移動機(jī)構(gòu)有著諸多優(yōu)點(diǎn)，如 :支承面積大，接地比壓小 。適合于松軟或泥濘場地進(jìn)行作業(yè)，下陷度小，滾動阻力小，通過性能較好 。越野機(jī)動性好 。履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力 。 與輪式管內(nèi)機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)類似，履帶式管內(nèi)機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)也可分為一般履帶式管內(nèi)機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)及其派生機(jī)構(gòu)。 ①一般履帶式 一般履帶式移動機(jī)構(gòu)多指雙履帶移動機(jī)構(gòu)，其由左右兩側(cè)兩條履帶負(fù)責(zé)支撐整個(gè)機(jī)體，通過調(diào)整兩側(cè)履帶的運(yùn)動方向和轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和 轉(zhuǎn)彎。圖 14為一種采用普通履帶式移動機(jī)構(gòu)的管內(nèi)移動機(jī)器人 圖 14 普通履帶式管內(nèi)移動機(jī)器人 雙履帶移動機(jī)構(gòu)雖然較一般的輪式機(jī)構(gòu)更適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，但其不適應(yīng)圓形管道是不爭的缺點(diǎn)。所以 針對這個(gè)缺點(diǎn)， 產(chǎn)生了很多改善其特性的派生機(jī)構(gòu)。 ②變位履帶式移動機(jī)構(gòu) 變位履 帶式移動機(jī)構(gòu)通過改變履帶的位置或履帶的機(jī)構(gòu)形式以達(dá)到適應(yīng)不同環(huán)境的要求，如圖 15所示的一種雙履帶式管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，履 帶采用剛性支承結(jié)構(gòu)，兩履帶的夾中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 7 角可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的作業(yè)管徑。 兩履帶調(diào)節(jié)到平行位置時(shí)，可以在平地或矩形管道內(nèi)行走。 這樣就大大改觀了普通履帶式機(jī)器人只能在水平管道內(nèi)行走的缺陷，但是這種機(jī)器人仍然有不能再圓管中行走的缺點(diǎn)。 圖 15 變位雙履帶式管道機(jī)器人 ③履帶變形式移動機(jī)構(gòu) 履帶變形式移動機(jī)構(gòu)通過改變履帶形狀及相關(guān)措施增加機(jī)構(gòu)的適應(yīng)性。雙履帶式管內(nèi)機(jī)器人采用楔形截面的履帶 (圖 16 )，以增加履帶與壁面的接觸面積，并可通過車寬調(diào)整塊調(diào)節(jié)兩側(cè)楔形履帶的距離以適應(yīng)管徑變化，但與上述雙履帶式管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)一樣不適應(yīng)作業(yè)管徑變化的場合。 圖 16 一種變形履帶式結(jié)構(gòu)示意圖 根據(jù)具體應(yīng)用場合，可以相應(yīng)的變化履帶的形狀為正梯形、平行四邊形、倒三角形等等。 （ 3）其他類型管道檢測作業(yè)機(jī)器人 管道機(jī)器人常采用輪式和履帶式的移動機(jī)構(gòu)，但也有其他類型的移動機(jī)構(gòu)，如蠕動式機(jī)構(gòu)、步行機(jī)構(gòu)等。 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 8 圖 17 蠕動式管道機(jī)器人 圖 18 步行式管內(nèi)機(jī)器人 圖 17所示為一種蠕 動式管內(nèi)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，由美國斯坦福大學(xué)研制。蠕動式管道機(jī)器人主要的應(yīng)用領(lǐng)域是小型管道，而正常的輪式和履帶式移動機(jī)構(gòu)能夠適用于小型、中小型和大型的管道。 一種管內(nèi)步行式機(jī)器人，其行走過程如圖 18，通過左右兩側(cè)腳鎖死和前后腿的機(jī)構(gòu)變化實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管內(nèi)的行進(jìn)。但該機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，而且控制起來較繁瑣。 石油管道腐蝕檢測技術(shù)現(xiàn)狀 管道發(fā)生腐蝕后，通常表現(xiàn)為管道的管壁變薄，出現(xiàn)局部的凹坑和麻點(diǎn)等。管道內(nèi)腐蝕檢測技術(shù)就是主要針對管壁的變化來進(jìn)行測量分析的。在沒有開挖管道的情況下進(jìn)行的管道內(nèi)腐蝕檢測技術(shù)一般有漏磁通 法、超聲波法、渦流法、激光法、電視法等。其中激光檢測法和電視測量法需和其他方法配合才能得出有效準(zhǔn)確的腐蝕數(shù)據(jù)，而渦流檢測法雖然可適用于多種黑色和有色金屬，探測蝕孔、裂紋、全面腐蝕和局部腐蝕，但是渦流對于鐵磁材料的穿透力很弱，只能用來檢查表面腐蝕。而且，如果在金屬表面的腐蝕產(chǎn)物中有磁性垢層或存在磁性氧化物，就可能給測量結(jié)果帶來難以避免的誤差。另外，由于渦流法的檢測結(jié)果與被測金屬的電導(dǎo)率有密切關(guān)系，為了提高測量精度還要求被測體系最好保持恒溫。所以，現(xiàn)在使用較為廣泛的管道腐蝕檢測方法是超聲波檢測法和漏磁檢測法。 其中，超聲檢測具有直接測量和定量化的特點(diǎn)，檢測精度高。漏磁檢測則局限于材料表面和近表面的檢測，被測管壁不能太厚，且檢測干擾因素多，精度較低，但是漏磁檢測能夠中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 9 適應(yīng)比較惡劣的檢測環(huán)境。 管內(nèi)漏磁檢測 ]7[ 的工作原理如圖 19所示，當(dāng)對管道進(jìn)行內(nèi)部檢測時(shí)，線圈產(chǎn)生交變磁場進(jìn)入被測管壁。此時(shí)，若被測管壁沒有受損，即不存在缺陷，則磁力線將不外溢；若被測管壁已受損減薄或存在裂縫，部分磁力線將外溢，此時(shí)，利用磁敏探頭采集信號，通過對信號的分析，即可確定管道壁的受損情況。 圖 19 管內(nèi)漏磁檢測原理 由于漏磁法不是直接測定管壁厚度，且漏磁信號和缺陷之間為非線性關(guān)系，檢測信號易受到管壁腐蝕缺陷的長度、深度和缺陷形狀等因素的影響。因此，使用漏磁法檢測管壁厚度時(shí)要求被測管壁較薄，它不適合于厚壁管道的無損檢測。當(dāng)腐蝕缺陷的面積大于探頭的靈敏區(qū)時(shí)，壁厚的檢測精度高，而當(dāng)腐蝕缺陷的面積小于探頭的靈敏區(qū)時(shí)，壁厚的檢測精度難以得到保證。因此，漏磁檢測分為高分辨率檢測和低分辨率檢測兩種方法。高、低分辨率的劃分以所用探頭數(shù)的多少，或各探頭間的周向間距而定，一般為 860mm。 探頭數(shù)愈多，各探頭之間的周 向間距愈小，分辨率愈高，則檢測精度愈高。高分辨率漏磁檢測法對槽型缺陷具有良好的檢測效果，對長寬比大于 2，寬度小于探頭周向間距的槽型缺陷 (約 30 10mm)而言，當(dāng)采用探頭周向間距為 3040mm的漏磁檢測法檢測時(shí)，壁厚的檢測值明顯偏小。而采用探頭周向間距為 8mm的漏磁檢測法再次對這種缺陷進(jìn)行檢測時(shí)，則能精確測量出壁厚。 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 10 圖 110 超聲波檢測原理圖 超聲波檢測 ]8[ 法主要是利用超聲波的脈沖反射原理來測量管壁受蝕后的厚度，其檢測原理如圖 110所示，檢測時(shí)垂直于管道 壁的超聲探頭對管壁發(fā)出一個(gè)超聲脈沖后，探頭首先接收到由管壁內(nèi)表面反射的回波，隨后接收到由管壁外表面反射的回波。于是，探頭至內(nèi)壁的距離 A與壁厚 T，可以通過內(nèi)表面反射回波的時(shí)間，以及內(nèi)、外表面反射回波的時(shí)間差來確定。管道存在內(nèi)、外壁受損時(shí)，僅僅根據(jù)壁厚 T曲線尚無法判別管道屬內(nèi)壁受損還是外壁受損，還需要參照探頭至內(nèi)壁的距離 A曲線。當(dāng)外壁受損減薄時(shí)，距離 A曲線不變；而當(dāng)內(nèi)壁受損減薄時(shí)，距離 T曲線與壁厚 A曲線呈反對稱。于是，根據(jù)距離 A和壁厚 T兩條曲線，即可確定管壁厚度，以及管道是內(nèi)壁受損減薄還是外壁受損減薄。這種檢測 方法是管道腐蝕缺陷深度和位置的直接檢測方法，檢測原理簡單，對管道材料的敏感性小，檢測時(shí)不受管道材料雜質(zhì)的影響。此外，超聲波法的檢測數(shù)據(jù)簡單準(zhǔn)確，且無需校驗(yàn)，檢測數(shù)據(jù)非常適合作為管道最大允許輸送壓力的計(jì)算，為檢測后確定管道的使用期限和維修方案提供了極大的方便，并能夠檢測出管道的應(yīng)腐蝕破裂和管壁內(nèi)的缺陷如夾雜等。這種方法的不足之處就是超聲波在空氣中衰減很快，檢測時(shí)一般要有聲波的傳播介質(zhì)，如油或水等 。 管道檢測機(jī)器人的 發(fā)展趨勢 （ 1）國外管道腐蝕檢測機(jī)器人的發(fā)展趨勢 國外漏磁檢測機(jī)器人（ Magic Flux Leakage Intelligent Pig簡稱 MFL Pig）的研制始于 70中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 11 年代中期，至今已發(fā)展到第二代，而超聲波技術(shù)是 80年代末才引入機(jī)器人的。國外最先將超聲波技術(shù)引入腐蝕檢測智能機(jī)器人的是日本的 NKK（日本鋼管株式會社）和德國 Pipetroix公司，以后加拿大、美國等也相繼研制了這類超聲機(jī)器人。與漏磁檢測機(jī)器人相比，超聲檢測機(jī)器人 (Ultrasonic Intelligent Pig簡稱 UT Pig)由于檢測時(shí)不受管道壁厚的限制，它的出現(xiàn)被認(rèn)為是管道檢測技術(shù)的一大進(jìn)步，現(xiàn)在許多國家的管 道檢測技術(shù)人員也都在致力于這方面的研究。實(shí)踐也證明采用超聲波檢測法得出的數(shù)據(jù)確實(shí)比漏磁法更為精確。現(xiàn)在國外的超聲檢測機(jī)器人的軸向判別精度可達(dá) ，管道圓周分辨精度可達(dá) 8mm，機(jī)體外徑可由 159mm到1504mm，機(jī)器人的行程可達(dá) 50~200km，行走速度最高可達(dá) 2m/s。目前國外管道公司在長輸管道腐蝕檢測中，廣泛采用的主要是第二代漏磁管道腐蝕檢測器和超聲波管道腐蝕檢測器，世界上接受腐蝕檢測服務(wù)的油氣管道已達(dá)數(shù)十萬公里，并取得了很好的效果 ]9[ 。 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù) 的進(jìn)步，機(jī)器人檢測技術(shù)有望在以下幾個(gè)方面取得進(jìn)一步發(fā)展：將定位輪的純機(jī)械傳動與現(xiàn)有的光、電技術(shù)相結(jié)合，勢必提高內(nèi)定位的精度、減少對外定位的依賴；利用現(xiàn)今機(jī)器人的一些行走技術(shù)，增添檢測機(jī)器人的自我行走機(jī)構(gòu)，可大大提高機(jī)器人的機(jī)動性能。 隨著電池行業(yè)向著高能、高效方向的發(fā)展，以新型電池 (如塑料電池 )替代理電池將是可能的。這會減少機(jī)器人的體積、降低機(jī)器人的造價(jià)、提高機(jī)器人的續(xù)航能力。 在不遠(yuǎn)的將來，有望實(shí)現(xiàn)以管道為信號載體或利用其它手段將檢測信號傳至地面做到在役管道的實(shí)時(shí)檢測。 （ 2）國內(nèi)管道腐蝕檢測機(jī)器人的發(fā)展 趨勢 相比較而言，我國的地下管道檢測技術(shù)仍處于起步探索階段，大部分管線不僅沒有使用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，而且各種檢測管道腐蝕的技術(shù)也大都停留在管外檢測，方法傳統(tǒng)落后。管道的各種智能檢測機(jī)器人仍在研究中，成熟的產(chǎn)品尚未開發(fā)出來。盡管某些科研單位己研制出了幾種功能樣機(jī)，但它們只能對空管道進(jìn)行檢測，很難滿足實(shí)際要求。由于國外的智能檢測機(jī)器人設(shè)計(jì)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，通常是幾百萬元一套儀器?，F(xiàn)在我國的大部分油田都沒有中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 12 引進(jìn)這種設(shè)備，而只是采用傳統(tǒng)的管道外檢測方法，這就無法對埋地管道腐蝕受損情況進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的檢測，從而造成了一些 重大損失。 此外，從國內(nèi)管道技術(shù)公司買進(jìn)的超聲波機(jī)器人和漏磁機(jī)器人的使用情況來看，使用超聲機(jī)器人檢測的過程中存在的最大問題是 :與國外的石油品質(zhì)相比，我國的石油大部分是稠油，石油在管道內(nèi)的結(jié)蠟較厚，每次探測都需清洗數(shù)次。但檢測時(shí)在管壁上和液體介質(zhì)中仍會有少量的蠟片存在，這些蠟片往往嚴(yán)重影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致檢測精度的降低 。而漏磁機(jī)器人檢測時(shí)不受蠟片的影響，但其檢測精度不如超聲機(jī)器人高，對管道上的軸向裂縫檢測還有一定的困難，而且由于漏磁技術(shù)是檢測管道壁厚的間接檢測方法，用其檢測的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)直觀顯示管壁的缺 陷也比較困難。 從上述分析可知，用智能機(jī)器人在管道內(nèi)檢測管道腐