Design of Crawler for Automatic Inspection of Welds in High Altitude Pressure Pipelines

Yi Mingtao

Henan Boiler and Pressure Vessel Inspection Technology Scientific Research Institute

Abstract: The crawling technology for automatic detection of welds in high-altitude pressure pipelines is an important research field. This article systematically elaborates on the principle and application of automatic detection and crawling technology for high-altitude pressure pipeline welds. Through detailed design and implementation, the design of the crawling robot and the selection of non-destructive testing equipment were demonstrated, and the results were analyzed in depth. Finally, this article points out the limitations of the research and proposes further research directions.

Keywords: pressure pipeline, automation, non-destructive testing, crawling technology

1.引言

    压力管道被誉为现代工业和人民生活的大动脉,对保卫国家能源安全、保障经济建设和居民生活具有重要意义。为了保障在役管线能够安全、有效、稳定地运行,必须定期进行检验。对于高空工业管道，通常利用平台、吊车进行作业，对于一些检测区域很高的位置，如果没有吊车，往往就不检验，长时间就会存在安全隐患。

     为了消除安全隐患，提高检验覆盖率和降低检验重复率，需要设计一种便携式管道爬行装置，只需遥控操作即可实现高空工业管道焊缝自动无损检测，既提高检测效率也保障了人身安全。

1.1目的

高空压力管道无损检测属于高危作业环境，检测条件差，高空爬行危险且爬行难度大，此项目的目的是用自动化智能检测装置代替传统的人工检测方法，解决高空压力管道焊缝实施检测时空间位置受限、缺陷易漏检、劳动强度大、危险系数高等一系列难题。

1.2意义

    自动爬行检测技术有利于提高检测效率，保障检验质量，不用搭设脚手架，在一定程度上为企业节约了成本，同时减少人工劳动量，能够降低劳动强度，保证检验人员安全，具有一定的社会经济效益。

2、国内外同类研究现状分析及存在的问题

针对压力管道焊缝自动检测方面，目前国内一些科研院所主要的研究成果主要在管道爬壁机器人方面，虽然都取得了一些成就，在一些方面实现了管道焊缝的自动化检测。但也存在以下几点不足：一是早期的研究没有与无损检测技术相结合，不能实现自动化无损检测或者检测方法单一；二是一些设备爬行轨迹为固定轨迹，检测部位不是全部部位，大部分是局部检测；三是一些设备爬行需要安装专用的轨道，检测现场需要安装和拆卸轨道，自动化程度不高，检测效率较低。

为了提高压力管道焊缝检测的可靠性和检测效率，国外一些工业发达国家从上世纪90年代已经开始研究与开发新型检测技术与设备。但这些检测设备也存在着一些问题：一是国外检测设备价格昂贵，能进口到中国的还技术保密，使用维护的成本巨大；二是国外管道检测设备大多与常规超声检测结合，只能满足常规无损检测要求；三是国外一些检测设备虽然与TOFD技术进行了结合，但由于TOFD存在技术缺陷，检测盲区较大，检测对象受限；四是国外管道检测设备操作繁琐，不符合国内技术人员的操作习惯。

综上所述，虽然国内外在管道焊缝自动化检测方面都进行了一定程度的研究，但目前还没有一种检测设备能够全部具有以下功能：一是能够实现管道特别是高空压力管道的自动化检测；二是能够与相控阵无损检测技术相结合的检测装置；三是检测结果可记录，能够反复再现；四是能够满足对于外径小于159mmm适合相控阵检测的大部分压力管道的检测需求。

3. 高空压力管道焊缝自动无损检测爬行器设计

针对高空、高危作业环境下的压力管道焊缝采用自动化无损检测，研制出一种与相控阵技术相结合的全自动扫查装置，可以在管道外表面进行轴向-周向移动，并设计焊缝自动跟踪识系统进行智能检测。1、结合相控阵检测技术，设计一款更灵活、方便、小巧的自动扫查器；2、完成对整个扫查器机械结构及其关键部件的设计；3、通过对主控制器模块、采集模块、电机驱动模块、无线遥控模块和电源转换等模块的设计；4、分别在实验室环境和工业现场进行试验,验证自动扫查器的运行指标满足工业现场检测的要求。

3.1爬行器概述

该项目主要研制出一种与相控阵技术相结合的全自动扫查装置，可以沿管道安全地攀爬到指定位置，并设计焊缝自动跟踪识别系统进行智能检测。全自动扫查装置分为两个部分，一部分为智能爬行装置，由爬行装置、探头夹持支臂、控制器、控制手柄（遥控器）等组成，综合运用移动技术和吸附技术，融合基础物理、机械、自动控制、计算机技术、传感及通讯技术，可以在水平、竖直、倾斜管壁上灵活运动，智能爬行装置还具有良好的吸附能力，能够在爬行、检测、停留时牢固地吸附在管道表面不脱落，并能承受一定的外界干扰，如大风等。另一部分为相控阵检测仪，根据实际检测需要可采用一个或者两个相控阵探头，采用周向旋转加轴向步进的方式实现全覆盖检测。焊缝自动跟踪识别系统主要是软件控制系统，确保扫查位置的精确度，同时装置定位后不会造成探头在旋转过程中偏移。

该全自动扫查装置工作时首先把相控阵检测仪安装到扫查装置上（以下称为全自动扫查装置），全自动扫查装置吸附在工件表面，用控制手柄控制扫查装置的爬行速度、位置以及扫查时的步进等，控制手柄还可根据需要实现控制模式智能化，能够切换手动模式和自动模式，工况允许的情况下选择自动模式可以实现全自动扫查，同时相控阵检测仪实现二维成像，图谱清晰，确保缺陷评判的准确性。

3.2爬行器设计

    爬行器主要包括驱动装置、固定装置、传动装置、检测装置和喷水装置。高空压力管道焊缝检测装置主要包括引导车和扫查组件；引导车包括主动件，主动件包设计有两组夹持轮，每组夹持轮分别包括有相互对立设置的两个，同组的两个所述夹持轮联动配合且分别设置有相互对立的倾斜部；主动件活动连接有连接件，连接件上设置有活动架，活动架与连接件转动配合，且活动架上设置有一组夹持轮；扫查组件位于活动架上，扫查组件包括扫查转盘、驱动件、夹持件、位于扫查转盘上的检测件，扫查转盘与活动架联动，夹持件夹持扫查转盘，驱动件驱动扫查转盘沿其圆心转动，可以使检测件关于管道轴向、周向移动，能够使检测件对管道焊缝的检测更加全面。

管道焊缝检测爬行器的作业环境是工业管道外壁，其吸附作用必须要克服自身重力稳定地吸附在管道外壁，由于圆形管壁弧度的影响，该引导车的爬行轮采用了内低外高结构，可以卡在管子外壁增大接触面，增强吸附力，能够使整个装置稳定牢固的吸附在管道外壁。

扫查组件和引导车相连，采用圆周齿轮结构，可以实现管道对接环缝的周向检测，同时也防止爬行器的坠落，增强了安全可靠性。

图 1引导车结构示意图              图 2扫查组件的结构示意图

图 3焊缝检测装置的结构示意图

4. 结论

（1）用自动化智能检测装置代替传统的人工检测方法，解决高空压力管道焊缝实施检测时空间位置受限、缺陷易漏检、劳动强度大、危险系数高等一系列难题。

（2）针对高空、高危作业环境下的压力管道焊缝采用自动化无损检测爬行器，实现在管道外表面进行轴向-周向移动，采用焊缝自动跟踪识系统智能判别并实行检测。
（3）爬行器的设计与相控阵无损检测技术相结合，实现了高空压力管道无损检测的自动智能检测。

参考文献

【1】储鸿志，自动爬行管道检测装置设计，机电设备与仪器仪表2019年第06期。

【2】闻靖，等变磁力吸附爬壁机器人的结构设计与爬越焊缝特性，机器人，2011,33（4）

作者简介：弋明涛（1979.09），男，高级工程师，硕士研究生，研究方向：石油化工检验检测。