毕业设计-管道检测机器人

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1、 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 1 页 共 35 页 1 1 引言引言 管道运输是当今五大运输方式之一，已成为油气能源运输工具。目前，世界上石油 天然气管道总长约 200 万 km， 我国长距离输送管道总长度约 2 万 km。 国家重点工程 “西 气东输”工程，主干线管道(管径 1118mm)全长 4167km，其主管道投资 384 亿元，主管 线和城市管网投资将突破 1000 亿元。 世界上约有 50%的长距离运输管道要使用几十年、甚至上百年时间，这些管道大都 埋在地下、海底。由于内外介质的腐蚀、重压、地形沉降、塌陷等原因，管道不可避免 地会出现损伤。在世界管道运输史上，由于管道泄

2、漏而发生的恶性事故触目惊心。据不 完全统计，截至 1990 年，国内输油管道共发生大小事故 628 次。1986 到 2b00 年期间美 国天然气管道发生事故 1184 起，造成 55 人死亡、210 人受伤，损失约 2. 5 亿美元。因 此，研究管道无损检测自动化技术，提高检测的可靠性和自动化程度，加强在建和在役 运输管道的检测和监测，对提高管线运输的安全性具有重要意义。 1.11.1 管道涂层检测装置的发展、现状和前景管道涂层检测装置的发展、现状和前景 1.1.1 管道涂层检测装置的发展 管内作业机器人是一种可沿管道自动行走,携有一种或多种传感器件和作业机构, 在遥控操纵或计算机控制下能在

3、极其恶劣的环境中进行一系列管道作业的机电仪一体 化系统.对较长距离管道的直接检测、清理技术的研究始于本世纪 50 年代美、英、法、 德、日等国,受当时的技术水平的限制,主要成果是无动力的管内检测清理设备PIG, 此类设备依靠首尾两端管内流体的压力差产生驱动力,随着管内流体的流动向前移动, 并可携带多种传感器.由于 PIG 本身没有行走能力,其移动速度、检测区域均不易控制, 所以不能算作管内机器人.图 1 所示为一种典型的管内检测 PIG5. 这种 PIG 的两端各 安装一个聚氨脂密封碗,后部密封碗内侧环向排列的伞状探头与管壁相接触,测量半径 方面的变形,并与行走距离仪的旋转联动,以便使装在 P

4、IG 内部的记录仪记录数据.它具 有沿管线全程测量内径,识别弯头部位,测量凹陷等变形部位及管圆度的功能,并可以把 测量结果和检测位置一起记录下来. 70 年代以来,石油、化工、天然气及核工业的发展 为管道机器人的应用提供了广阔而诱人的前景,而机器人学、计算机、传感器等理论和 技术的发展,也为管内和管外自主移动机器人的研究和应用提供了技术保证.日、 美、 英、 法、德等国在此方面做了大量研究工作,其中日本从事管道机器人研究的人员最多,成果 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 2 页 共 35 页 也最多。 图 1 管内检测典型 PIG 样机 在已实现的管内作业机器人中,按照其行动方式可分为轮

5、式、履带式、振式、蠕动 式等几类： (1) 轮式管内机器人 由于轮式驱动机构具有结构简单,容易实现,行走效率高等特点,对此类机器人的研 究比较多.机器人在管内的运动,有直进式的(即机器人在管内平动)也有螺旋运动式的 (即机器人在管内一边向前运动,一边绕管道轴线转动);轮的布置有平面的,也有空间的. 一般认为,平面结构的机器人结构简单,动作灵活,但刚性、稳定性较差,而空间多轮支撑 结构的机器人稳定性、刚性较好,但对弯管和支岔管的通过性不佳.轮式载体的主要缺点 是牵引力的提高受到封闭力的限制.图 2 所示为日本的 M.Miura 等研制的轮式螺旋推进 管内移动机器人。 (2) 履带式管内机器人 履

6、带式载体附着性能好,越障能力强,并能输出较大的牵引力.为使管内机器人在油 污、泥泞、障碍等恶劣条件下达到良好的行走状态,人们又研制了履带式管内机器人.但 由于结构复杂,不易小型化,转向性能不如轮式载体等原因,此类机器人应用较少.图2所 示为日本学者佐佐木利夫等研制的履带式管内移动机器人 13,其驱动轮可变角度以适 应管径的变化,可通过圆弧过渡的 90 度弯管. 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 3 页 共 35 页 图 2 轮式螺旋推进管内移动机器人总体结构图 图 3 轮式螺旋推进管内移动机器人驱动系统图 (3) 振动式管内机器人 振动可以使物体的位置改变,根据这一原理,日本学者森光武则等提出了的振动式管 内移动机器人。其原理为:在机器人的外表面装有若干与机体成一定角度的弹性针,靠弹 性针的变形使其压紧在管壁上.机身内装有偏心重物,由电机驱动.当偏心重物旋转时, 离心力使弹性针变形,滑动,从而带动机器人移动.振动式管内机器人结构简单,容易小 型化,但行走速度难以控制,而且振动使机器人沿圆周方向自转,姿态不稳定,另外,振动 对传感器的工作和寿命均会产生影响.