基于电磁超声的天然气管道检测机器人设计与研究.pdf
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1、基于电磁超声的天然气管道检测机器 人设计与研究中国石油大学汇报提纲-研究背景和选题意义二国内外研究现状三学位论文研究方案和技术难点!1!学位论文预期创新点五学位论文工作计划1研究背景2006年到2010年,我国已建成建设天然气管道大约 1.6X104Km,2010年,我国天然气管道总长达到4.4X lOm。初步预 计,2015年中国天然气管道长度将接近10万公里。到2。2。年,将形成全 国天然气基干管道网络,天然气的消费比重将从目前的3%提高到10%左中国近年来天然气需求趋势1研究背景 _长,管魂渐老化,不同程度的腐蚀和泄 漏等现象严重影响了管道运输的正常进行。2004年到2008年我国油气管
2、 道发生事故4起,死亡人数为13人,受伤人数为71人。石油天然气管道安全监督与管理暂行规定规定:新建管道必须在 一年内检测,以后视管道安全状况每一至三年检测一次。天然气管道腐蚀和裂纹缺陷2选题意义 _携带麻检测装置的机器人,它综合了 智能移动载体技术和管道缺陷无损检测技术,对工作中的天然气管道进行 在线检测,及时发现一些严重缺陷以避免事故发生,大大延长了管道使用 寿命。开展管道机器人的研究具有重要的科学意义和明显的社会经济效益,得到了世界各国的高度重视。ROSEN公司多管径在线检测系统二国内外研究现状 1天然气无损检测技术1.1天然气无损检测技术发展历史1.2主要检测技术介绍1.3小结2管道机
3、器人技术2.1管道机器人技术简介2.2主要管道机器人技术介绍2.3小结1.1天然气无损检测技术发展历史1)国外发展所史管道在线检测装置发展至今已经历三代:第一代为普通型检测器;第二代为高精度型检测器;第三代为超高精度型检测器。GE公司40”超高精度型检测器1.1天然气无损检测技举展历史美国处公司大缓上管道机器人发展历史时间(年)产品1975第一代基于漏磁检测技术的MagneScan1993弹性波裂纹检测器Elastic Wave,可以检测长度大于75mm,深 度大于0.2t-0.25t的缺陷,轴向检测精度可以达到2mm1999环向漏磁检测器TranScan,用于轴向狭长腐蚀和严重的直焊 缝裂纹
4、缺陷高分辨率EMAT裂纹检测器EmatScan、检测装置可以检测200210-16mm壁厚,可以检测长度大于30mm,深度大于1mm的管 道缺陷新一代基于三轴高清漏磁检测技术的加如eScan,对缺陷深2006度、长度和宽度测量精度可以达到10%WT、0.394”和 0.59”1.1天然气无损检测技术发展历史(a)第一代基于漏磁检测技术的MagneScan(b)环向漏磁检测器Tran Scan(c)EMAT裂纹检测器EmatScan(d)基于三轴高清漏磁检测技术的MagneScan1.1天然气无损检测技举展历史2)国内天然乞管道机骸人发展玩克时间 发展情况“ccc 四川石油管理局与PIPETRO
5、NIX公司共同对佛-两线、佛-萌线等天然气管线7992进行管道智能内检测,这是国内首次开展的管道智能内检测1993 中国石油管道技术公司采用引进国外的智能猪进行管道内检测中国石油天然气管道局管道技术公司联合中科院、天津大学和清华大学成1998 立了专业研究队伍,研制了9377漏磁缺陷检测装置。并在同年成功研制了漏磁腐蚀检测数据分析系统管道技术公司自行研制了?660高清晰度漏磁检测器,首次对陕京线输气管2002 道进行检测,这是国产内腐蚀检测设备首次应用于天然气管线中国管道局管道检测技术公司研究出24英寸、32英寸高清晰度管道漏磁检 测器中油管道检测技术公司研制出输油气管道电磁超声裂纹检测设备,
6、可以有2009 效检测应力腐蚀裂纹1.2主要检测技术介绍 1)天然乞管道检测技术关健问题 管道检测技术的可靠性、精度和灵敏度问题 对于多种缺陷的识别能力问题 管道检测技术的整体检测效率问题 对于不同类型管道和外界因素的适用性问题 数据的采集、保存及后期处理能力问题1.2主要检测技术介绍2)漏磁检测技术(M30漏磁检测技术是使用永磁铁产生强磁场并通过导磁介质使铁磁性 管道的管壁磁化到饱和程度,在管壁圆周产生一个磁回路场,当管壁上存 在异常时,磁力线发生变形,部分磁力线将穿出管壁产生漏磁,通过磁敏 探头检测漏磁场就可以发现管道缺陷。MFL检测原理1.2主要检测技术介绍 主要MFL检测装置产品技术特
7、点Rosen 公司 RoCorr-CMFL周向漏磁检测装置)可以精确的检测出长裂缝和狭长轴向缺陷,可以检 测4-25mm壁厚,对缺陷深度、长度和宽度的精度可达到0.lt、15mm 和 15mmRosen公司RoCori 可以有效的检测腐蚀、侵蚀、划伤和其它金属损失缺陷,缺陷深度、MFL 长度和宽度的精度可达到0.lt、15mm20mmRosen 公司 RoCorr-MFL/SIC采用MFL与涡流检测技术结合,对缺陷深度、长度和宽度的精度可达到 0.5 5mm和 6mm中国管道局管道检测 技术公司1016毫米 高清晰度管道无损检 测器能针对951种不同深度、不同大小、不同界面的模拟缺陷进行检测,
8、最 小探测缺陷深度不超过壁厚的5%至10%Intratech公司CFT 采用高精度的环向和轴向漏磁检测,可以检测机械损伤、金属损失和裂ACD 纹等缺陷。轴向拥有144-192个传感器,环向拥有288-360个传感器RHouldey等人研发 检测系统由传感器模块、机身和支撑轮组成。磁场由在机身上的磁铁产 的管道检测系统 生,磁铁通过钢与管道相连组成一个完整的磁路1.2主要检测技术介绍(b)Rosen公司RoCorrEIMFL(a)RHouldey等人研发的管道检测系统(c)RosenRoCorrOM FL/SIC(d)Intratech公司CFTACD1.2主要检测技术介绍 3)运场涡流检测技术
9、限FE0远场涡流是是一种能穿透管壁的低频涡流,其检测探头主要由两个 与管道同轴的螺线管线圈组成,其中一个为激励线圈,另一个是检测线圈。检测线圈通常在距激励线圈大概管道内径2倍及以上的远场区。激励线图一检测线图)/h近场区 过渡区 远场区RFEC检测原理1.2主要检测技术介绍 主要RFEC检测装置产品技术特点Russell 公司 See Snake对于缺陷深度检测精度可达到5%DJ Brown 等人 研发的RFT管道 检测系统此系统包括一个牵引单元,一个RFT发射单元,一个马 达单元和一个RFT接受单元,励磁线圈来在管道中产 生磁场,接受线圈检测磁场G.L.Burkhardt等人研发的管道 检测
10、机器人检测系统由传感器模块、辅助模块和励磁机模块组成,通过励磁机制造交变磁场来产生远场涡流1.2主要检测技术介绍(b)口上。川11等人研发的11管道检测系统(c)GL.Burkhardt等人研发的管道检测机器人1.2主要检测技术介绍4)电磁超声检测技术(底阴勾电磁超声激励超声方法也称之为“涡流一声”法。将通有高频脉冲电流的 激励线圈置于导电金属表面上,产生交变磁场作用于金属并在金属表面层内感应出 涡流,涡流与另一外加恒定磁场相互作用,从而激发出于涡流频率相同的超声波。接受超声波是上述过程的逆过程,即工件中的超声发射回波导致质点在恒 定磁场中振动,就会产生感应电流,使检测线圈中有感应电动势存在,
11、即可作为接 受信号。超声波发射过程超声波接受过程1.2主要检测技术介绍 主要EMAT检测装置产品技术特点清华大学天然气管裂纹 电磁超声检测器可以有效检测应力腐蚀裂纹和表面裂纹,有效 发现长度大于20mm、深度大于1mm的裂纹,且 对裂纹簇有一定的分辨能力GE 公司 EmatScan可以检测壁厚)长度大于30mm,深度 大于1mm的管道缺陷。其轴向长度的检测精度可达到 10mmRosen 公司 RoCD?可以精确检测see、疲劳裂纹、涂层剥落等缺 陷。检测壁厚可达到20mm,可检测长度大于 20mm,深度大于1mm的管道缺陷美国橡树岭国家实验室研发的的PIG可以有效检测应力腐蚀裂纹1.2主要检测
12、技术介绍_(a)Rosen公司RoCD2(b)美国橡树岭国家实验室研发的的PIG1.3小结5)前国内检测技术所存在的问题 检测的可靠性问题(检测的成功率和数据丢失问题)后期的数据处理和分析问题 漏检和错检较多 检测手段的多样性问题2.1管道机器人技术简介1)管道机骸人技术介绍总体来说,管道机器人由驱动模块、控制模块、供能模 块和辅助模块等组成。其中,运动方式是整个管道机器人的核 心,它决定了管道机器人整体的性能。按照管道机器人在管道内运动的动力源及运动可控性,可将这些机器人管内运动方式分为被动运动方式和主动运动方 式两大类。其中,主动运动方式主要有仿生运动式、滞式、螺旋驱动式、车型式和支撑轮式
13、;被动运动方式是以管道介质 压差为驱动的PIG。2.1管道机器人技术简介2)管道机器人技术关虢问题 驱动能力和能源供给问题 复杂弯道通过性和管径变化适应问题 机器人运动状态参数及管道环境的自主识别问题 在复杂管道环境下的运动导航及定位问题 通信及远程控制问题 发射回收问题2.2主要管道机器人技因介绍1)仿生式:管道机骸人仿生式管道机器人就是运用仿生学原理工作,一种是模仿昆虫运 动方式研制出来的蠕动式。此种机器人管道内移动速度慢且波动大,平稳 性差,实际应用非常少。日本中央大学仿蚯蚓式管道机器人2.2主要管道机器人技因介绍构造和屈原理设计的蛇形式,机器人可 以实现管内运动,并顺利通过各种管道和接
14、头,但机器人的驱动能力十分 有限,移动速度有限,运动效率不易提高。日本东京工业大学仿蛇式管道机器人2.2主要管道机器人技因介绍日本学者Shuichi研制的采用正弦函数多关节蛇形机器人,德国 GMD国家实验室开发的蛇形机器人GMD-Snake和GMD-Snake2可以翻 越简单障碍,具有一定的自主反应能力。(a)日本学者Shuichi研制的多关节蛇形机器人(b)德国GMD国家实验室GMD-Snake22.2主要管道机器人技去介绍2)螺旋驱动式:管道机骸人螺旋驱动式管道机器人通常由静止部分和旋转部分组成,两部分 之间由万向节连接,静止部分装有一组导向轮,只能沿着管道轴线运动。旋转部分装有一组滚轮,
15、各滚轮轴线与管道轴线形成一个夹角。定干式(b)转子式(c)独立式螺旋驱动式管道机器人几种形式2.2主要管道机器人技术介绍当旋转部分在电机的驱动下相对于静止部分转动时,旋转部分的 各滚轮将沿着管壁上的一条螺旋线轨迹运动,从而带动静止部分沿着管道 轴线运动。螺旋驱动方式越障能力差,机器人很难具备主动转向能力,不 能通过“T”型和“L”型管道接头。螺旋驱动式管道机器人旋转部分2.2主要管道机器人技去介绍3)履带式:管道机骸人履带是一种柔性链环。可以发挥较大的牵引力。履带式管道机器 人是靠履带卷绕时管道内壁对履带产生的反作用力推动机器人载体在管道 内运动的。但履带结构复杂,加工成本高且转弯性能差。履带
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