【正文】 片的影響，但其檢測(cè)精度不如超聲機(jī)器人高，對(duì)管道上的軸向裂縫檢測(cè)還有一定的困難，而且由于漏磁技術(shù)是檢測(cè)管道壁厚的間接檢測(cè)方法，用其檢測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)直觀顯示管壁的缺 陷也比較困難。 此外，從國(guó)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(lái)看，使用超聲機(jī)器人檢測(cè)的過(guò)程中存在的最大問(wèn)題是 :與國(guó)外的石油品質(zhì)相比，我國(guó)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(cè)都需清洗數(shù)次。由于國(guó)外的智能檢測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，通常是幾百萬(wàn)元一套儀器。管道的各種智能檢測(cè)機(jī)器人仍在研究中，成熟的產(chǎn)品尚未開發(fā)出來(lái)。 在不遠(yuǎn)的將來(lái)，有望實(shí)現(xiàn)以管道為信號(hào)載體或利用其它手段將檢測(cè)信號(hào)傳至地面做到在役管道的實(shí)時(shí)檢測(cè)。 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。目前國(guó)外管道公司在長(zhǎng)輸管道腐蝕檢測(cè)中，廣泛采用的主要是第二代漏磁管道腐蝕檢測(cè)器和超聲波管道腐蝕檢測(cè)器，世界上接受腐蝕檢測(cè)服務(wù)的油氣管道已達(dá)數(shù)十萬(wàn)公里，并取得了很好的效果 ]9[ 。實(shí)踐也證明采用超聲波檢測(cè)法得出的數(shù)據(jù)確實(shí)比漏磁法更為精確。國(guó)外最先將超聲波技術(shù)引入腐蝕檢測(cè)智能機(jī)器人的是日本的 NKK（日本鋼管株式會(huì)社）和德國(guó) Pipetroix公司，以后加拿大、美國(guó)等也相繼研制了這類超聲機(jī)器人。這種方法的不足之處就是超聲波在空氣中衰減很快，檢測(cè)時(shí)一般要有聲波的傳播介質(zhì)，如油或水等 。這種檢測(cè) 方法是管道腐蝕缺陷深度和位置的直接檢測(cè)方法，檢測(cè)原理簡(jiǎn)單，對(duì)管道材料的敏感性小，檢測(cè)時(shí)不受管道材料雜質(zhì)的影響。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(duì)稱。于是，探頭至內(nèi)壁的距離 A與壁厚 T，可以通過(guò)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(lái)確定。而采用探頭周向間距為 8mm的漏磁檢測(cè)法再次對(duì)這種缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，則能精確測(cè)量出壁厚。 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(cè)精度愈高。因此，漏磁檢測(cè)分為高分辨率檢測(cè)和低分辨率檢測(cè)兩種方法。因此，使用漏磁法檢測(cè)管壁厚度時(shí)要求被測(cè)管壁較薄，它不適合于厚壁管道的無(wú)損檢測(cè)。此時(shí)，若被測(cè)管壁沒有受損，即不存在缺陷，則磁力線將不外溢；若被測(cè)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(hào)，通過(guò)對(duì)信號(hào)的分析，即可確定管道壁的受損情況。漏磁檢測(cè)則局限于材料表面和近表面的檢測(cè)，被測(cè)管壁不能太厚，且檢測(cè)干擾因素多，精度較低，但是漏磁檢測(cè)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(cè)環(huán)境。所以，現(xiàn)在使用較為廣泛的管道腐蝕檢測(cè)方法是超聲波檢測(cè)法和漏磁檢測(cè)法。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(cè)量結(jié)果帶來(lái)難以避免的誤差。在沒有開挖管道的情況下進(jìn)行的管道內(nèi)腐蝕檢測(cè)技術(shù)一般有漏磁通 法、超聲波法、渦流法、激光法、電視法等。 石油管道腐蝕檢測(cè)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。 一種管內(nèi)步行式機(jī)器人，其行走過(guò)程如圖 18，通過(guò)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)。 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 8 圖 17 蠕動(dòng)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(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，由美國(guó)斯坦福大學(xué)研制。 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(chǎng)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。 圖 15 變位雙履帶式管道機(jī)器人 ③履帶變形式移動(dòng)機(jī)構(gòu) 履帶變形式移動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)改變履帶形狀及相關(guān)措施增加機(jī)構(gòu)的適應(yīng)性。 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。所以 針對(duì)這個(gè)缺點(diǎn)， 產(chǎn)生了很多改善其特性的派生機(jī)構(gòu)。 ①一般履帶式 一般履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)多指雙履帶移動(dòng)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(guò)調(diào)整兩側(cè)履帶的運(yùn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和 轉(zhuǎn)彎。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 。適合于松軟或泥濘場(chǎng)地進(jìn)行作業(yè)，下陷度小，滾動(dòng)阻力小，通過(guò)性能較好 。 （ 2）履帶式管道檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人 履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)適合于未加工的天然路面行走，它是輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。小輪的軸線相對(duì)單元體的軸線傾斜了一個(gè)角度， 通過(guò)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(dòng)。 圖 12 內(nèi)支撐輪式管道機(jī)器人 圖 13 螺旋推動(dòng)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(dòng)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(guò)彈簧連接而成。 圖 12所示為韓國(guó) Sung Kyun Kwan大學(xué) Roh G、 Ryew M等人研制的管道檢測(cè)機(jī)器人。這種機(jī)構(gòu)不能很好的適應(yīng)管徑，而且不容易通過(guò)彎管。 的腳撐在管道內(nèi)，也可稱之為三輪式管道機(jī)器人。 于是又出現(xiàn)了許多 輪式 管道機(jī)器人派生機(jī)構(gòu)。如圖 11所示，采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，這種移動(dòng)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。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在相對(duì)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)。美國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家的管道檢測(cè) 機(jī)器人技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位，其中又以日本的管道檢測(cè)機(jī)器人總體技術(shù)水平和研究成果格外引人注目 。 國(guó)內(nèi)外管道檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 管道檢測(cè)機(jī)器人是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機(jī)械，在工作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下，進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)、電、儀一體化系統(tǒng) ]6[ 。所以我們想研制一套可操行性強(qiáng)、成本較低、工作環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)的價(jià)格低廉的管道檢測(cè)維護(hù)機(jī)器人，由它來(lái)代替人力完成各種管道檢測(cè)中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 4 維護(hù)工作。 2021 年的汶川地震給我們帶來(lái)了巨大的損失，很多城市的地下水管道內(nèi)腔被堵塞，影響人們的正常飲水。由于國(guó)外的智能管道檢測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，通常是幾百萬(wàn)元一套儀器。目前，管道的各種智能檢測(cè)機(jī)器人仍在研究中，成熟的產(chǎn)品尚未開發(fā)出來(lái)。我國(guó)的地下管道檢測(cè)技術(shù)仍處于起步探索階段，各種檢測(cè)管道腐蝕的技術(shù)也大都停留在管外檢測(cè)，方法傳統(tǒng)落后。這一點(diǎn)在南方油田尤為突出。我國(guó)大量的輸油管道為中、小口徑管道，與主干道一樣需進(jìn)行各種安全檢測(cè)，鋪設(shè)的油氣輸送管道已達(dá) 30 104km，且正以每年 10002021km的速度鋪設(shè)新管道。由于多數(shù)管道都鋪設(shè)與地下或海底，所以一旦出現(xiàn)事故，管道的維修和搶修成本 非常高。輸送管道作為一種經(jīng)濟(jì)、高效而安全的物料輸送手段一直為人們所關(guān)注。我相信，通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng)新，國(guó)內(nèi)的油氣長(zhǎng)輸管道檢測(cè)技術(shù)將會(huì)逐步接近或達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家水平 ]5[ ?？上驳氖牵瑖?guó)內(nèi)部分管道公司已認(rèn)識(shí)到此方面的不足，并開始著手研究和發(fā)展管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)。因此在標(biāo)準(zhǔn)中也 未對(duì)此做出強(qiáng)制要求，致使該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用和研究發(fā)展較慢，限制了它的廣泛推廣與應(yīng)用。 雖然國(guó)內(nèi)同行在管道外檢測(cè)技術(shù)方面已取得了飛速發(fā)展，但管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)研究和應(yīng)用仍有待加強(qiáng)。傳統(tǒng)的管道內(nèi)部清潔機(jī)器就是利用四輪小車驅(qū)動(dòng)方式沿著水平管道內(nèi)部前進(jìn)步。 目前的主要辦法是人工分段清潔維護(hù)、管道外部檢測(cè)，這種辦法耗費(fèi)人力物力、效率低下、管道內(nèi)部診斷情況不充分，而且存在較大的危險(xiǎn)，對(duì)它們的維護(hù)無(wú)論在工具還是技術(shù)上都跟不上設(shè)施的發(fā)展速度。但是，它們?cè)跒槿藗児ぷ魉脮r(shí)，也帶來(lái)了很多問(wèn)題，如人們肆意向管道內(nèi)投放廢品塑料、易拉罐、粘性物品、玻璃廢品等，長(zhǎng)期下去導(dǎo)致管道內(nèi)部因淤積較多廢棄物從而使管道堵塞；冬天北方天氣寒冷，裸露在外部的自來(lái)水管道（或其他化工管道）因溫度太低內(nèi)部自來(lái)水會(huì)產(chǎn)生凝固凍結(jié)，從而導(dǎo)致自來(lái)水不能正常流動(dòng)，影響城市居民正常的生活；酒精廠（或其它化工廠）燃料燃燒所產(chǎn)生的粉塵會(huì)黏附在管道（或煙囪）內(nèi)壁，長(zhǎng)時(shí) 間越積越多吹產(chǎn)生靜電效應(yīng)，甚至引發(fā)火災(zāi)和爆炸事故；長(zhǎng)期處于露天環(huán)境，大多數(shù)大型輸油管道、天然氣管道等都會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部泄露和腐中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 2 蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重影響自然環(huán)境并且產(chǎn)生安全隱患等等 ??2 。管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)主要用于發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)外腐蝕、局部變形以及焊縫裂紋等缺陷，也可間接判斷涂層的完好性 。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛普及和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外檢測(cè)技 術(shù)都得到了迅猛發(fā)展，管道檢測(cè)技術(shù) ]1[ 逐漸形成管道內(nèi)、外檢測(cè)技術(shù)（涂層檢測(cè)、智能檢測(cè)）兩個(gè)分枝。 研制 管道檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人的背景和意義 近些年來(lái)，人們對(duì)自然環(huán)境、工作環(huán)境、工作工具及其方式的要求逐步提高。 關(guān)鍵詞： 管道 機(jī)器人 ；里程輪定位；管道自適應(yīng) ；超聲波檢測(cè) 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 ABSTRACT II ABSTRACT Pipelines provide the most efficient means of carrying oil and gas. But the failures are often occurred by internal corrosion in pipeline. When oil pipelines were corroded, their walls would bee thin and result in cracks and oil leak. Once the leaks happened, the damages are more serious because most of them are in densely populated areas. This paper is to design an adaptive oil pipe inspection robot with crack positioning system and energy systems in pipelines and analyze its machine structure as well as inspection principle and method. Firstly,the overall structure of pipe inspection robot with wheel flexing mechanism to adapt to the change of pipe diameter and the universal joints for the robot to successfully pass the turn with curvature radius was brought forward. To ensure the robot’s stability and flexibility, the dynamic performance and the walking resistance with the two mechanisms were analyzed when robot working in pipelines. Ultrasonic inspection with dynamic scanning method is taken to improve the inspection efficiency and to meet the actual needs..Secondly,the control system was designed as well as the correspondent hardware, circuitry and software. The hardware circuit device includes data acquiring circuit of mileage signal, drive circuit of electromotor and interface circuit of munication. The 3D model of pipe robot was built by utilizing SolidWorks 2021 software and the prototype of this robot is set up in ADAMS software by Mechanism/Pro interface module between SolidWorks and ADAMS. And the pipe