工业管道内检测机器人及其变径技术的研究进展

为了能快速准确地检测出工业管网在长期服役过程中因腐蚀、磨损、拉裂等原因产生的安全隐患,设计了管道内检测机器人。介绍了近年来国内外管道内检测机器人的发展趋势、技术特点及工程实用性,并以变径技术为重点,针对弯管、变径管、“T”形管道等复杂管路环境,探讨了工业管道内检测中变径技术的难点和关键问题。最后提出,变径机器人除了要解决结构设计、变径方法、动力学分析等方面的问题外,还需要在越障能力、运动控制以及系统集成等方面开展研究,并最终实现产业化应用。     

模块化同步自主变径输气管道机器人的研究设计

为了对长时间服役的输气管道进行精准、快速的检测,设计了一种能够实现模块化、同步自主变径、便于搭载检测元件的内检测管道机器人。该机器人搭载CMOS图像传感器及红外反射传感器,可对管内破裂、腐蚀及错口等多种缺陷进行检测,并记录缺陷的具体位置。该管道机器人采用拖揽式的能源供给方式,驱动模块由电动机带动驱动轮转动,在输气管道内独立运行。通过SolidWorks三维建模,ANSYS分析以及MATLAB求解得到该机器人的各项参数：额定爬行速度16 cm/s,最小过弯半径660 mm,牵引力不小于400 N;变径预紧机构采用对称的同步变径式结构,变径范围可达到300～400 mm;机器人尾部设有万向节,可将相同结构串联以实现模块化,同时增加自重,增大牵引力。对管道机器人虚拟样机进行动力学仿真分析,其直管、弯管及竖直管道的速度仿真曲线误差均不超过10 mm/s,验证了该机器人在直管、弯管及竖直管道都具有良好的通过性。该设计可以为长输气管道的内部缺陷检测提供良好的硬件支持。     

金属磁记忆技术在埋地金属管道应力集中区检测中的应用

在埋地金属管道检测中,非开挖状态下如何检测应力集中区是一个亟需解决的问题。金属磁记忆技术可以检测地磁场作用下的埋地金属管道应力集中区,通过分析检测到的管道表面磁场法向分量及其梯度值可确定应力集中区位置。利用TSC-4M金属磁记忆检测仪分别对位于小区占压、林地和穿跨越区域的埋地管道进行了应力检测,管道应力集中区检测结果与开挖验证结果相符。检测结果表明,金属磁记忆检测技术可以在非开挖状态下进行埋地金属管道应力集中区检测,能够对管道进行早期诊断,检测结果准确可靠。     

基于双励磁场的管道应力内检测工程应用研究

超声、射线、磁记忆等方法可以检测管道的表面应力，但是在管道在线应力内检测上暂无应用。基于漏磁内检测器的结构，提出不同励磁强度的2节磁化内检测器在管道内检测的应用方法。通过试验及实际工程检测结果对应力检测的有效性进行了验证，对比了磁记忆、矫顽力检测管道应力的有效性。应用结果表明：双励磁场管道内检测器能够有效地进行长输油气管道的在线检测，通过一次检测得到管道的体积缺陷与应力损伤信息；体积缺陷可以通过漏磁检测进行识别，应力异常可以通过弱磁检测进行识别；在进行管壁应力验证时，矫顽力检测与双磁场应力内检测方法的结果有较高的一致性。磁记忆检测能够识别管道防腐层剥除后未打磨前的管道原始应力分布，检测结果与双磁场应力内检测方法有较好的一致性。研究结果可为管道应力内检测提供参考。     

基于磁记忆方法的油气管道内检测试验研究

管道内检测技术是应用最为广泛的维护管道安全性与完整性的有效方法。鉴于目前管道内检测采用超声波、漏磁检测方法对于管道损伤评价存在的局限性,提出采用金属磁记忆方法进行检测。金属磁记忆方法通过记录地磁场作用下的金属构件表面的漏磁场信息,可对构件微观缺陷和应力与变形集中区进行辨别。应用自主研发的610mm管道磁记忆内检测装置进行了现场牵拉试验研究。结果表明,所设计的内检测装置具有良好的可靠性与管道通过性,并能通过多通道数据分辨出不同类型的缺陷特征,采用磁记忆方法进行管道内检测在技术上是可行的,具有良好的开发应用前景。     

直轮式管道泄漏检测机器人弯管通过性能研究

针对现有管道检测机器人转弯性能差的问题,研究了直轮式管道泄漏检测机器人。该机器人采用驱动轮直接驱动,结构简单,输出稳定。采用理想规划法对机器人建立过弯方程,计算可知当宽度小于146.29 mm时,机器人满足弯管爬行的弯道几何约束要求。采用Adams软件仿真分析机器人弯管通过性能以及转弯时驱动轮的速度变化情况。分析结果表明:机器人可以安全通过弯管,满足设计要求;过弯时机器人外轮运动速度v 2增大,内轮运动速度v 1减小,因此机器人可以平稳过弯;v 2与机器人质心位移的变化趋势很接近,当机器人到达弯管极限位置时,v 2达到最大;直轮式管道泄漏检测机器人可以通过直径170 mm、曲率半径450 mm弯度的管道。研究结果可为管道检测机器人的工程应用提供参考。     

海底管道典型缺陷磁记忆检测试验研究

针对海底管道在生产运行中受到腐蚀性介质及外力作用,易产生缺陷导致失效的问题,以磁记忆检测技术为基础,研制开发了海底管道内检测器,基于海底管道损伤典型缺陷形式设计并搭建了管道损伤检测试验台,对研制的海底管道内检测器进行了管道损伤检测试验研究。试验结果表明,研制的海底管道内检测器能够有效检出管道已有缺陷;对不同缺陷类型、尺寸磁记忆检测信号的特征参数进行对比分析,证实了磁记忆检测技术在缺陷量化中的应用潜力。研究成果为磁记忆检测技术应用于海底管道缺陷损伤检测提供了技术支撑。     

油气管道内退磁检测机器人结构设计

服役中的油气管道由于各种因素的影响会产生一定的剩磁。为了快速而高效地消除管道剩磁,根据永磁铁动态退磁理论,设计了油气管道内退磁检测机器人。该机器人在管道内自主移动过程中可以对管道进行退磁,并对退磁效果进行检测和记录。利用X80钢管道样品进行试验,并根据试验结果使用响应面法对机器人的退磁效果进行了优化分析。研究结果表明:管道机器人可以通过携带磁体环的方式对管道进行在线退磁;磁体环的退磁效果与磁铁的磁场强度和磁体环相对铁磁材料的运动速度有关,且磁场强度的影响大于运动速度的影响;对于X80钢管道,磁体环单次退磁率可以稳定在30%,当磁场强度为23.7 m T、磁体环运动速度为0.361 m/s时,退磁率可以达到34.5%。研究结果可以为X80钢管道的退磁装置结构设计提供参考和理论依据。     

海底管道损伤悬跨段磁记忆检测研究

海底管道是保障海上油气田持续开发的重要运输手段,海底管道在生产运行过程中容易受到腐蚀及外力作用产生缺陷而导致失效,因此定期对海底管道进行内检测是保障管道安全运行的必然需求。鉴于此,对试验管道损伤部位进行了力磁耦合仿真,仿真结果显示在管道的受力部位产生了磁场强度的变化。又以磁记忆检测技术为基础并结合已有的管道漏磁内检测技术,研制开发了海底管道内检测器,同时开展了海底管道悬跨段损伤磁记忆现场检测试验研究。试验结果表明:管道磁场强度整体呈现两端高、中间低的规律,并且在损伤部位磁场信号产生畸变;依托磁记忆检测技术研制的海底管道内检测器能有效检测出海底悬跨管道损伤段,伴随着管道损伤程度增加,检测信号梯度值显著增大。研究成果为磁记忆检测技术应用于海底管道损伤检测提供了技术支撑。     

管道检测机器人最新发展概况

论述了管道检测机器人在现代工业,尤其是石油、天然气、水资源输送行业里广泛应用的重要意义,概括了管道机器人的常规类型及其性能特点,重点介绍和分析了最近五年世界各国针对制约管道机器人发展的不利条件,如垂直管道、变径、弯管、支管和狭小管等,所做的技术改进和研究成果,最后提出了对管道机器人的当前发展观点和未来研究展望。     

海底埋设管道多点输入地震响应分析

对海底埋设管道在空间变化地震动作用下的响应进行了分析。首先基于一种谱表示方法,合成了与目标功率谱拟合的非平稳多点地震动时程。其次建立了海底埋设管道三维有限元模型,用以进行了三维多点输入地震时程分析,并进一步分析了地震动空间变化特性,以及场地的自功率谱模型、管道埋深、管径、壁厚和混凝土配重层厚度对管道响应的影响。由数值结果可以看出,考虑地震动的空间变化特性会显著增大管道的响应,管道的几何参数对海底埋设管道的多点输入地震响应产生不同程度的影响。因此,进行合理的管道设计可有效提高管道的抗震能力。     

管径自适应轮式管道机器人设计

针对管道机器人恶劣的工作环境,设计出了可以通过动力驱动结构实现变径,具有良好越障能力的轮式管道作业机器人。完成了机器人的整体机构设计和三维造型,并对机器人的越障性能进行了理论分析。     

落石冲击载荷作用下大口径埋地管道应变规律研究

针对大口径薄壁埋地管道在冲击载荷作用下易发生弯曲失效的问题,基于管土耦合分析模型,采用有限元数值仿真技术模拟了冲击载荷作用下埋地管道的动态响应,分析了大口径薄壁管的截面椭圆化变形与应变分布,以应变准则为依据校核管道安全性。在此基础上,探讨了管道埋深、径厚比、冲击载荷、管沟填充土等工程参数对管道应变的影响规律。研究表明,增大管道埋深,提高管道径厚比,减小落石冲击速度,回填土采用粘性较大的软质土等能够减小管道应变,研究所得规律对于大口径薄壁管道抗灾设计与防治措施制定有指导意义。     

埋地管道泄漏内封堵装置设计与研究

针对流体输送埋地管道泄漏问题,设计了一种利用管道机器人携带封堵气囊进行快速应急封堵修复的埋地管道泄漏内封堵装置。采用矩阵变换方法建立了牵引系统驱动轮过弯方程,利用MATLAB软件对过弯方程进行了验证,同时利用ADAMS软件仿真分析过弯路径与驱动轮转角对牵引系统行走速度的影响。研究结果表明:由两个串联封堵器组成的应急封堵系统可满足复杂工况下的管道泄漏封堵要求;牵引系统驱动轮在弯管内部行走时,单轮速度呈周期性变化,但三个驱动轮整体周期运动特性一致;驱动轮转角在25°~40°时,牵引系统行走速度与驱动轮转角成正比,且转角为30°时驱动效果最好。该内封堵装置的结构设计可为管道泄漏应急封堵领域装备的研发提供重要参考。     

西气东输三线0.8设计系数试验段水压试验测试

为了保证0.8设计系数油气长输管道的安全运行,对0.8设计系数试验段管道进行了高强度水压试验。结合埋地管道的应力状态,通过理论分析确定了管道试压强度为105% SMYS,在试验过程中利用压力－容积曲线监测试压过程中整个试验段管道变形情况,并利用应变电测法测得管道典型位置的应力应变情况。结果表明,0.8设计系数水压试验压力在（100%~105%）SMYS时,水压试验中管道未发生塑性变形,管道的等效应力均低于规定的最小屈服强度,且未泄漏,表明该水压试验压力分段合理,可以用于0.8设计系数管道的设计试压分段和管道现场水压施工。     

长庆油田小口径管道内检测机器人研究与应用

综合涡流和超声波检测技术,针对长庆油田CO2驱小口径管道,成功研制了小口径管道电磁涡流内腐蚀检测机器人和超声波内腐蚀检测机器人,并在长2.97 km、管径为Φ114 mm、壁厚为4.5 mm的管线上进行了试验。研制过程包括检测系统探头、腐蚀情况检测系统、壁厚检测系统、采集处理系统、动力控制系统、储存分析系统、里程记录单元以及上位机成像系统、整体检测系统的设计和开发。电磁涡流内腐蚀检测机器人可用于Φ89 mm、Φ114 mm、Φ133 mm管径的腐蚀检测,能够通过4D弯头,能将管道腐蚀、壁厚减薄甚至盗油孔等隐患进行检测、定位。超声波内腐蚀检测机器人,能够对输油管道进行全程检测和数据记录,确定缺陷在管道上的位置,形成相应波形曲线。     

管径813 mm压电超声管道腐蚀检测器研制

由于压电超声管道内检测系统结构复杂且技术难度大,目前国内尚无研制成功和成熟应用的报道。鉴于此,针对我国干线输油管网采用的钢制管道,基于压电效应的超声波测厚原理,研制了适用于管径813 mm的压电超声管道腐蚀检测器。通过对国内外压电超声腐蚀检测技术及装备的调研,提出了压电超声管道腐蚀检测器的总体设计方案和技术指标。开展了检测器各功能组件和模块的详细设计,研制了压电超声传感器、电子系统以及传感器支撑结构等检测器的关键组件和核心模块。对检测器的各项重要性能指标逐一进行了测试试验。试验结果表明:研制的813 mm压电超声管道腐蚀检测器满足设计指标要求,具备工业现场应用条件。管径813 mm压电超声管道腐蚀检测器的研制成功对于提高输油管道的完整性管理水平,以及确保管道的安全平稳运行具有重要的现实意义和较高的科研价值。     

沙漠地区输油管道内腐蚀开挖检测与评价

针对沙漠地区输油管道的特点,设计了专门的管道检测方案,通过对管道高程和埋深的精确测量,选取管道低点开挖,采用漏磁检测、超声导波检测、超声测厚和超声C扫描成像等相结合的检测方法,开展管体内腐蚀检测,并解决了检测施工过程中遇到的诸多问题,为同类工程提供了参考借鉴。对检测出的缺陷进行了安全评价,结果表明,管线在设计压力下能够安全运行,给出了检测周期,并建议对存在严重缺陷管段重点监测,尽快进行补强或更换。     

基于应变设计的跨斜滑断层埋地管道地震反应分析

中亚天然气管道D线工程穿越大量活动斜滑断层,埋地管道受断层错动影响极大,在断层错动作用下管道极易发生大变形,管道内部因产生较大应变而失效破坏。目前国内对基于应变的管道设计研究较少,并主要对拉应变进行分析,缺乏对压应变的研究,同时现有的解析方法对跨斜滑断层管道应变问题无法求解。因此研究跨斜滑断层埋地管道的设计应变意义重大。为此,采用非线性有限元分析方法,建立了ABAQUS数值模型,基于应变设计对跨斜滑断层埋地管道反应进行了研究,分析了埋深、管道直径、壁厚、管道内压和土体压缩模量这5项参数对管道拉应变、压应变的影响。通过对中亚天然气管道D线工程实际工况的分析,利用MATLAB软件拟合获得了管道最大拉应变、压应变的回归公式。研究结果表明:(1)管道拉、压应变分布规律不同,管道拉应变随断层位移增大而增大,管道压应变随位移先增大而后减小;(2)工程中采用浅埋软土、小直径厚壁管道及低管压等措施均有利于管道对断层错动的抗震设防;(3)回归公式能为跨斜滑断层埋地管道工程的设计与安全评价提供参考。