管道檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展

管道檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展

長(zhǎng)期以來，管道輸送管道被流量侵蝕、電化腐敗、疲勞破壞、管道潛在缺陷、自然或人為因素等影響，導(dǎo)致輸送效率降低，運(yùn)輸管道泄漏，以及火災(zāi)、爆炸等惡性事件。一旦出現(xiàn)事故,不僅造成經(jīng)濟(jì)上的巨大損失,還會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人們的生命安全構(gòu)成巨大威脅。因此,如何做到防范于未然,提高管道的使用壽命和安全可靠性,已經(jīng)成為國內(nèi)外普遍關(guān)注的重大課題。1管道檢測(cè)機(jī)器人一般說來,管道安全維護(hù)的方式可以分為主動(dòng)維護(hù)、被動(dòng)維護(hù)及全部更換3種。主動(dòng)維護(hù)即通過定期及不定期的檢測(cè),了解在線管道的受損狀況,作出壽命預(yù)測(cè),按安全規(guī)范主動(dòng)而適時(shí)采取的維護(hù)措施;被動(dòng)維護(hù)即發(fā)現(xiàn)泄漏或發(fā)生事故以后,立即組織力量趕赴現(xiàn)場(chǎng)搶修、搶換、搶險(xiǎn),以恢復(fù)管道運(yùn)行,阻止事態(tài)擴(kuò)大;全部更換即對(duì)于已使用了若干年的管道,為避免發(fā)生事故,全部更換成新管道。根據(jù)國外的統(tǒng)計(jì),上述3種管道安全維護(hù)的費(fèi)用如表1所示。由表1可見,主動(dòng)維護(hù)費(fèi)用最低,被動(dòng)維護(hù)費(fèi)用是主動(dòng)維護(hù)的40倍,而全部更換管道費(fèi)用是主動(dòng)維護(hù)的80倍。不言而喻,主動(dòng)維護(hù)是管道管理的理想狀態(tài),而要實(shí)現(xiàn)主動(dòng)維護(hù),管道檢測(cè)是其基本前提。傳統(tǒng)的管道在線檢測(cè)均采用管外抽樣檢測(cè),即將被測(cè)管道按一定抽樣間隔開挖后,以手工接觸法逐點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。這種方法費(fèi)工費(fèi)時(shí),成本高、周期長(zhǎng),由于不能進(jìn)行全面檢測(cè),故難以保證缺陷不漏檢;而且還不適于檢測(cè)公路、鐵路、海洋等區(qū)域下的管道,因此用于管內(nèi)檢測(cè)的機(jī)器人便應(yīng)運(yùn)而生。管內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人是在管內(nèi)極限環(huán)境中順利運(yùn)動(dòng)的機(jī)電一體化裝置,它可以攜帶各種檢測(cè)設(shè)備同步前進(jìn),在操作人員的遠(yuǎn)距離控制下完成管道缺陷檢測(cè)作業(yè)。目前已研制的管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人根據(jù)不同的特征可分為很多類型。如按功能可分為測(cè)厚機(jī)器人、測(cè)徑機(jī)器人、焊接管道機(jī)器人等;按行走方式可分為輪式、履帶式、足式、振動(dòng)式和蠕動(dòng)式管道機(jī)器人等;按檢測(cè)手段可將其分為漏磁、超聲波、聲發(fā)射、渦流和攝像檢測(cè)機(jī)器人等;按驅(qū)動(dòng)方式可分為自主驅(qū)動(dòng)機(jī)器人和介質(zhì)差壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人等。其中,介質(zhì)差壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人具有實(shí)用性好、行走距離長(zhǎng)、所需動(dòng)力源方便、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),特別適用于油氣管道的檢測(cè)。然而,在國際上,直到目前管道檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)還屬于壟斷技術(shù),美、英、法、德、日、挪威等國研制的管道機(jī)器人處于世界領(lǐng)先地位,他們的產(chǎn)品已實(shí)用化、商品化。但他們的技術(shù)嚴(yán)密封鎖,處于絕對(duì)保密狀態(tài)。一般不出售產(chǎn)品和技術(shù),只提供在線檢測(cè)服務(wù),收取高昂的服務(wù)費(fèi)用。在國內(nèi),管道檢測(cè)機(jī)器人的研究還處于起步階段,雖然有一些成果,但還有許多問題沒有解決,離工程應(yīng)用還有不小的距離。因此,必須下大力進(jìn)行研究,以開發(fā)新型的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的管道檢測(cè)裝備,提升管道檢測(cè)技術(shù)及手段,使管道檢測(cè)及管理規(guī)范化,并逐步實(shí)現(xiàn)由被動(dòng)維護(hù)向主動(dòng)維護(hù)的轉(zhuǎn)化。2檢測(cè)檢測(cè)質(zhì)量當(dāng)今國內(nèi)外管道檢測(cè)常用的技術(shù)手段有超聲檢測(cè)、渦流檢測(cè)、漏磁檢測(cè)、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)及磁記憶檢測(cè)等。其中較新的技術(shù)是漏磁檢測(cè)、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)及磁記憶檢測(cè)。2.1從表面磁通缺陷處形成的磁管道漏磁檢測(cè)的工作原理如圖1所示。當(dāng)鐵磁性材料在磁場(chǎng)中被磁化時(shí),材料表面或近表面存在的缺陷或組織狀態(tài)變化會(huì)使導(dǎo)磁率發(fā)生變化,即磁阻增大,使得磁路中的磁通相應(yīng)發(fā)生畸變,除了一部分磁通直接穿越缺陷或在材料內(nèi)部繞過缺陷外,還有一部分磁通會(huì)離開材料表面,通過空氣繞過缺陷再重新進(jìn)入材料,從而在材料表面的缺陷處形成漏磁場(chǎng)。利用磁敏探頭探查漏磁通的存在,采集漏磁信號(hào),通過對(duì)信號(hào)的分析,即可確定管道壁的受損情況,故稱為“漏磁檢測(cè)”技術(shù)。其檢測(cè)的穿透性相對(duì)較強(qiáng),對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷有較高的敏感性和響應(yīng)性。漏磁檢測(cè)局限于材料表面和近表面的檢測(cè),因此,適用于薄壁的檢測(cè),而不適于厚壁管的檢測(cè)。漏磁檢測(cè)對(duì)縱向性的缺陷敏感度很低,因此,當(dāng)腐蝕缺陷面積大于探頭的靈敏區(qū)時(shí),壁厚的檢測(cè)精度高,而當(dāng)腐蝕缺陷面積小于探頭的靈敏區(qū)時(shí),壁厚的檢測(cè)精度難以得到保證。為提高檢測(cè)精度,可以增加探頭數(shù)量。探頭數(shù)愈多,各探頭之間的周向間距愈小,檢測(cè)精度愈高。2.2渦流檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用繼20世紀(jì)40年代發(fā)現(xiàn)了遠(yuǎn)場(chǎng)效應(yīng)以后,50年代殼牌公司又發(fā)明了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)。1961年他們將此項(xiàng)技術(shù)命名為“遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)”,以區(qū)別于普通渦流檢測(cè)。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的理論基礎(chǔ)為渦流檢測(cè),兩者的區(qū)別在于,遠(yuǎn)場(chǎng)渦流探頭的激勵(lì)線圈與檢測(cè)線圈必須相距約2倍以上的管徑長(zhǎng)度,如圖2所示。當(dāng)激勵(lì)線圈通以交變電流時(shí),其產(chǎn)生的電磁能量將向各個(gè)方向傳播,由于管壁中的渦流限制了磁場(chǎng)能量在管中沿軸向擴(kuò)散,所以在激勵(lì)線圈附近,能量沿徑向擴(kuò)散到管外,管外能量沿軸向衰減的情況比管內(nèi)相應(yīng)磁場(chǎng)小得多,從而使得遠(yuǎn)離激勵(lì)線圈的區(qū)域(遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)),管外場(chǎng)遠(yuǎn)強(qiáng)于管內(nèi)場(chǎng),能量又向管內(nèi)擴(kuò)散,此時(shí)與檢測(cè)線圈耦合的磁場(chǎng)能量已兩次穿過管壁,對(duì)應(yīng)的區(qū)域就是二次穿透區(qū)(間接耦合區(qū))。與普通渦流、漏磁和超聲檢測(cè)相比,遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)具有以下優(yōu)點(diǎn):遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)具有透壁性,能檢測(cè)整個(gè)管壁上的缺陷而不受集膚效應(yīng)的限制,對(duì)內(nèi)外壁的缺陷具有相同的靈敏度,且相位信號(hào)不受提離效應(yīng)的影響;被檢測(cè)的鋼管的表面不必清洗;探頭與鋼管表面不接觸,探頭外徑與鋼管內(nèi)徑之間的間隙變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響很小;探頭的檢測(cè)速度是否均勻?qū)z測(cè)結(jié)果無影響;鋼管內(nèi)的氣體、液體介質(zhì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果無影響;檢測(cè)設(shè)備體積小,重量輕,便于現(xiàn)場(chǎng)靈活應(yīng)用。2.3材料的磁致被壓縮和重新取向20年前,俄羅斯杜博夫教授在世界上率先揭示了鐵磁材料自磁化現(xiàn)象、漏磁場(chǎng)分布狀況和強(qiáng)度同應(yīng)力與變形集中區(qū)域以及缺陷部位之間關(guān)系的規(guī)律性,并開發(fā)出金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù),研制出診斷與檢測(cè)儀表。磁記憶檢測(cè)是利用金屬磁記憶效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)的,其原理是:處于地磁環(huán)境下的鐵制工件受工作載荷的作用,其內(nèi)部會(huì)發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向,并在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成最大的漏磁場(chǎng)Hp的變化。即磁場(chǎng)的切向分量Hp(x)具有最大值,而法向分量Hp(y)改變符號(hào)且具有零值點(diǎn)。這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作載荷消除后繼續(xù)保留,從而通過漏磁場(chǎng)法向分量Hp(y)的測(cè)定,便可以準(zhǔn)確地推斷工件的應(yīng)力集中區(qū),進(jìn)而探出缺陷和問題可能出現(xiàn)的部位。同傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法相比較,金屬磁記憶檢測(cè)方法的主要優(yōu)點(diǎn)是:傳統(tǒng)檢測(cè)方法只能用于探檢已產(chǎn)生的缺陷,而金屬磁記憶檢測(cè)方法則可預(yù)報(bào)可能產(chǎn)生缺陷與危險(xiǎn)的區(qū)域,即最大應(yīng)力和變形集中區(qū)域,從而及時(shí)采取措施防止破壞和事故的發(fā)生;由于可利用檢測(cè)對(duì)象的自磁化現(xiàn)象,因而不需要人工磁化裝置;可在保持被測(cè)金屬構(gòu)件原始狀態(tài)下進(jìn)行檢測(cè),所以無須對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行專門清理,也無須采用耦合技術(shù);靈敏度高,提離效應(yīng)影響很小,因此,這一方法更加實(shí)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、野外條件和普查作業(yè);檢測(cè)靈敏度高于其他磁學(xué)檢測(cè)方法;儀表體積小、重量輕,有獨(dú)立電源和記錄裝置,便于攜帶,使用方便,檢測(cè)效率高。3種檢測(cè)裝置管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人是對(duì)在線管道進(jìn)行管內(nèi)檢測(cè)的一種檢測(cè)裝置,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。它由檢測(cè)、控制、驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)處理和電源等部分組成,其結(jié)構(gòu)為一機(jī)多艙,即驅(qū)動(dòng)艙、儀器艙和數(shù)據(jù)處理艙等。3.1檢測(cè)接頭設(shè)置為了使管道內(nèi)外的缺陷不致漏檢,提高檢測(cè)精度,通常均需要設(shè)置數(shù)個(gè)檢測(cè)探頭。小口徑管道探頭可以少一些,大口徑管道探頭數(shù)目相應(yīng)地要多一些,有的達(dá)到800～1000個(gè)。且探頭需要按一定的規(guī)律排列,以使檢測(cè)效果最佳。3.2公里液壓輪的測(cè)定檢測(cè)定位是指確定被測(cè)管道的受損位置。通常是在機(jī)器人機(jī)體外部設(shè)置里程輪,該輪由彈簧支撐并緊貼被測(cè)管壁。當(dāng)機(jī)器人行走時(shí),里程輪隨之旋轉(zhuǎn),每旋轉(zhuǎn)一周,機(jī)器人便記下一個(gè)里程標(biāo)記。與此標(biāo)記相對(duì)應(yīng),即可容易地確定管道受損部位。若被測(cè)管壁覆滿油垢,里程輪旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生打滑,因此會(huì)產(chǎn)生定位誤差。3.3數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)受檢測(cè)機(jī)器人工作環(huán)境及內(nèi)部空間所限,對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件的要求較高,一般采用磁帶或硬盤存儲(chǔ)。由于機(jī)器人采用多個(gè)探頭,數(shù)據(jù)通道數(shù)多,數(shù)據(jù)量大,故采集的檢測(cè)數(shù)據(jù)先由內(nèi)置微處理器進(jìn)行甄別,濾除非受損管段的檢測(cè)數(shù)據(jù),然后將受損管段的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮存儲(chǔ)。3.4a將數(shù)據(jù)納入計(jì)算機(jī)內(nèi)目前檢測(cè)機(jī)器人對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)尚無實(shí)時(shí)處理功能,只能先將數(shù)據(jù)壓縮并存儲(chǔ)。待檢測(cè)結(jié)束后,從機(jī)內(nèi)取出存儲(chǔ)硬盤,將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)。因此,數(shù)據(jù)的最終處理是由外部計(jì)算機(jī)完成的。使用專門的分析軟件,可將檢測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成反映受損管壁實(shí)際狀況的彩色圖形,在屏幕上即可直觀而清晰地看到管壁的受損面積、受損程度等反映管壁受損狀況的彩色圖形。3.5前檢測(cè)機(jī)器人供電技術(shù)檢測(cè)機(jī)器人要求電源為內(nèi)部的各種檢測(cè)裝置及控制裝置提供動(dòng)力。目前檢測(cè)機(jī)器人的供電形式有電纜供電和電池供電兩種,相應(yīng)地稱為有纜式和無纜式檢測(cè)機(jī)器人。電纜供電是指機(jī)器人尾部拖有電纜,由外部通過電纜向機(jī)器人提供動(dòng)力;無纜式檢測(cè)機(jī)器人自身攜帶電池做電源。3.6氣調(diào)和覆壓器管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人為一機(jī)多艙,機(jī)體各艙均為密封筒狀,中間以萬向鉸相聯(lián),以利機(jī)體轉(zhuǎn)彎。由于檢測(cè)機(jī)器人多在油、水介質(zhì)和高溫、高壓環(huán)境中工作,為了密封,機(jī)體外部常覆以聚氨脂或橡膠。有些機(jī)器人的機(jī)體外部還帶有葉片,當(dāng)被測(cè)管道內(nèi)的壓力過小,機(jī)器人行走速度減慢時(shí),可自動(dòng)張開葉片以增大推力,使檢測(cè)機(jī)器人按預(yù)定速度行進(jìn)。4需要研究的問題2003年筆者承擔(dān)了總后“輸油管道剩余壽命預(yù)測(cè)技術(shù)及裝備”的研究項(xiàng)目。由于該課題技術(shù)含量高、技術(shù)難度大、發(fā)揮空間廣闊,因此筆者將其視為一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的研究領(lǐng)域,力求從理論到技術(shù),從裝備到應(yīng)用上扎扎實(shí)實(shí)地做工作,真正從理論與實(shí)際的結(jié)合上解決問題?；谶@種認(rèn)識(shí),課題組將課題分解成70多個(gè)需要研究的問題,有計(jì)劃、分步驟地展開研究。在課題組研究的同時(shí),還指導(dǎo)4名博士生、5名碩士生分專題進(jìn)行深入探討,取得了一系列創(chuàng)造性成果,研究進(jìn)展情況如下。4.1熱設(shè)計(jì)仿真建模應(yīng)用三維CFD理論對(duì)差壓式管內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人周圍流場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,建立了機(jī)器人周圍流場(chǎng)的三維RNGk-ε湍流模型,并進(jìn)行了數(shù)值仿真,得出了機(jī)器人周圍介質(zhì)的速度和壓力分布規(guī)律;建立了差壓式管內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人在水平直管內(nèi)的動(dòng)力學(xué)方程,系統(tǒng)分析機(jī)器人參數(shù)及管道系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的影響,為實(shí)際工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。4.2管道鋼裂紋群裂紋增長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)方程運(yùn)用混沌動(dòng)力學(xué)的研究方法對(duì)腐蝕環(huán)境下管道鋼裂紋群的演化行為進(jìn)行了研究與分析,分別建立了管道鋼裂紋群的裂紋數(shù)密度、裂紋總長(zhǎng)度的動(dòng)力學(xué)方程,從理論和實(shí)驗(yàn)證明裂紋群體萌生發(fā)展的過程是一個(gè)耗散非線性動(dòng)力學(xué)過程,其演化過程在一定條件下會(huì)出現(xiàn)分岔和混沌現(xiàn)象,并以此來解釋裂紋擴(kuò)展中的隨機(jī)性、分散性。4.3影響機(jī)器人性能的因素全面探討了差壓驅(qū)動(dòng)式管內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人在彎管、三通和凹凸變形管等特殊管段中的通過性能的理論,并在其中加入了力和力矩平衡方程,分析影響機(jī)器人通過性能的主要因素;將多目標(biāo)最優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人通過性能研究,結(jié)合流場(chǎng)空化對(duì)機(jī)器人外型結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,得到能夠順利通過特殊管段的機(jī)器人外型結(jié)構(gòu)及參數(shù)。4.4運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制根據(jù)管內(nèi)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的要求,對(duì)管內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)行速度和姿態(tài)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析,并對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制問題進(jìn)行了深入探討。構(gòu)思并提出了速度與姿態(tài)的控制方案,分別采用PID控制與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制兩種控制方法設(shè)計(jì)了控制器,通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證達(dá)到了很好的控制效果,為管道機(jī)器人圓滿完成檢測(cè)任務(wù)奠定了理論基礎(chǔ)。4.5小口徑管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人我軍的輸油管道,基本屬于小口徑管道。一般而言,小口徑管道檢測(cè)機(jī)器人空間受限程度更高,工作條件更苛刻,因此技術(shù)難度也更大。小口徑管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人體積與結(jié)構(gòu)必須小型化。小型化不單是尺寸按比例縮小的問題,它包括技術(shù)路線的調(diào)整與確立,技術(shù)方案的創(chuàng)新與形成,功能的強(qiáng)化與提升,材質(zhì)的分析與選擇,構(gòu)件的設(shè)置與設(shè)計(jì),布局的適配與集成等許多方面,其技術(shù)要求更高,如大容量的存儲(chǔ)設(shè)備,高效能的電源,控制單元的微型化等,這方面的研究取得了一定進(jìn)展。4.6接頭布置方案比選管內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人體積與結(jié)構(gòu)小型化以后,在嚴(yán)格受限十分狹小的空間里,不可能設(shè)置很多檢測(cè)探頭,探頭少了,但檢測(cè)精度不能降低,這就是矛盾。如何解決這對(duì)矛盾,就需要研究探頭最佳的配置方案與布置方案,使有限的探頭能覆蓋整個(gè)管壁,保證不漏檢,保證檢測(cè)精度。小型化以后,采取控制措施的空間變小,運(yùn)行速度的控制難度加大,檢測(cè)精度不易保證,所以特別要研究運(yùn)行狀況與檢測(cè)信號(hào)的同步技術(shù),即快行快檢、慢行慢檢、不行不檢。這方面的研究取得了一定進(jìn)展。4.7定位的配合管內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人體積與結(jié)構(gòu)小型化以后,定位系統(tǒng)及姿態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)置受到限制,為保證定位精度,需要研究定位中的兩個(gè)結(jié)合:一是將里程輪的純機(jī)械運(yùn)動(dòng)與現(xiàn)有的光、電技術(shù)結(jié)合,提高定位的準(zhǔn)確性;二是管道內(nèi)外定位結(jié)合。大范圍的定位,以在管道外設(shè)置標(biāo)記定標(biāo)來解決;小范圍的定位,以機(jī)器人自身的定位系統(tǒng)來解決,以減小純內(nèi)定位的累計(jì)誤差,提高定位精度。這方面的研究取得了一定進(jìn)展。4.8anasas公司和bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究提出了含缺陷管道的壽命預(yù)測(cè)體系,針對(duì)腐蝕缺陷,分析了其受力狀態(tài)和腐蝕因素,進(jìn)行了非線性有限元分析,運(yùn)用ANSYS分析軟件和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和改進(jìn)的遺傳混合算法,計(jì)算了其失效內(nèi)壓、最小允許壁厚、腐蝕速率和剩余壽命;針對(duì)裂紋缺陷,將表面裂紋和埋藏裂紋轉(zhuǎn)化為穿