大口径管道检测机器人的应用

管道检测机器人是针对油气输送工业管道的检测、 喷涂、 接口焊接、 异物清理等维护检修作业而研制的一种特种机器人， 它综合了智能移动载体技术和管道缺陷检测技术。

这类机器人能进入人所不及、人力所限的复杂结构管道环境中，携带一种或多种传感器及操作装置，如CCD 摄像机、位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、 管道裂纹及管道接口焊接装置、防腐喷涂装置、机械手等，在操作人员的远距离控制下完成缺陷检测、防腐涂层涂敷、异物清除、管内加工等管道内作业任务。

01 检测机器人的类型

按照机器人的机械结构形态和运动方式，通常分为轮式、履带式、爬行式、螺旋式、支撑式、蠕动式、蛇行形、流体式。

不同运行结构机器人的对比

综合各种因素，检测油-气管道时，轮式、履带式和行走式管道机器人较为常用。

管道机器人方式有通常采用电力驱动、液压驱动、气动驱动三种，优缺点如下表所示：

02 检测机器人技术现状

复杂路径运动控制

油气管道存在变径、转向以及上下坡等管路特点，执行长距离管道检查等需分段进行，工作繁琐智能化程度低。而机器人在长距离、高温带压等复杂路径运动控制问题一直是研究的热点难点。

定位技术

管道机器人在运行过程中，需要实时记录并报到自己的位置，以此让外界确定检测缺陷的位置。常用管道定位示踪方式主要有里程轮定位、CCD 视觉定位和电磁定位等。

实时监测技术

管道检测需要利用视觉摄像头和其他传感器采集管道内信息，从而确定管内缺陷的位置。管道机器人检测方法主要有：超声波检测法、红外热成像检测法和基于视觉的自动检测技术。

03 技术难题

弯道通过性

机器人的运动是高度非线性、时变和强耦合的，导致其动力学模型非常复杂。对于 L 形、T 形和垂直的弯管，机器人的通过性能将大大降低，导致使用推广受限。

远程通讯定位

目前使用的定位方法在复杂管道环境下，普遍存在定位精度不高、通讯性能不强的现象。

供能

现使用的管道机器人多采用电缆供能的方式，此方法虽然保证了供能的连续性，但由于缆线与管壁之间存在摩擦，缆线需要机器载动，无疑增加了能耗，不适用于长距离管道检测。

04 新型管道机器人的探索

结合大口径油气长输管道研究者设计的特点，研究者设计了一种由压缩空气作为动力驱动的、适应管径 1422 mm 的内爬行管口组对机器人。

该机器人采用遥控操作控制方式， 可以实现前进、后退、紧急停车、涨紧对口等动作，采用大扭矩气动马达双侧四轮驱动，爬坡能力强，可以适用于大坡度施工工况。通过功能扩展还可以实现管道内监测、设备检修等功能。

整体架构

采用长架式布置方式，工作过程中， 利用存储在储气罐中的压缩空气作为动力， 驱动设备实现沿管道前进、后退和停止运动等动作。

行走机构

采用对称双侧四轮链式传动驱动方式。

可适应难点：管道现场施工存在的坡口

充分考虑到支撑气缸的支撑力，确保行走轮与管壁有足够的摩擦力，避免内爬行机器人产生溜滑，同时对气动马达的驱动扭矩进行校核，保证有足够的驱动力使内爬行机器人可以沿管道正常爬行。

可解决痛点：爬坡

最大爬行坡度可达 15°，满足管道建设工况需要，轻松解决为减少输送阻力，涂覆在内壁减阻层。

刹车制动机构

刹车制动机构由气缸驱动，整机制动，即使是在山区、坡度等恶劣工况条件，也能确保设备和操作人员安全。

实证研究

该爬行机器人在中俄东线天然气管道工程进行了现场试验，结果表明: 该管道内爬行机器人操作便捷、气动控制系统安全可靠程度高; 通过无线遥控可以方便地实现现场对口、驱动行走、刹车制动等功能， 能够满足工程现场应用。

因此以管道内爬行机器人为基础载体，通过增加视觉系统、光电监测系统可以扩大使用范围，增加应用领域，提升工程应用性。