CN100561213C - 石油管道超声波检测方法及检测用的机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种石油管道超声波检测方法及检测用的机器人，石油管道检测机器人采用轮式载体，由机身、行驶机构和检测装置组成，检测装置是超声波探头，安装在机器人的机身前端，机器人尾部有一橡胶圆盘1，机身由两个圆柱体构成，分成前部2和后部3两部分，机身前部2和后部3通过万向节4连接；行驶机构是从动轮，分别安装在机身前部2和后部3；检测方法采用动态超声波检测法。结构简单，能耗低，工作距离很长，通过4个超声波探头随着机器人的运动而转动，从而实现了管道内动态超声波检测，提高了检测的效率，能够满足管道检测的要求。

Description

石油管道超声波检测方法及检测用的机器人

技术领域

本发明涉及石油管道超声波检测方法及检测用的机器人。

背景技术

管道机器人的工作空间是复杂、封闭的各种管道，包括水平直管、各角度弯管、斜坡管、垂直管以及变径管接口等，它的运行距离一般较长。因此，机器人的机械结构必须灵活可靠，且有较大的牵引力。为了具有通用性，适应不同半径的管道检测，机器人应具有可调节半径。

目前，已经开发的石油管道检测机器人的驱动方式，主要包括主动式和从动式两种，主动式可以对机器人的运动速度进行控制，但是要消耗大量的能量，所以一般采用接入电缆的方法给机器人提供动力和进行数据传递，这就大大限制了机器人的运动距离；从动式是依靠油管中石油的流动来运动，所以消耗的能源很少，机械结构简单，但是机器人的运动速度不是很稳定，而且机器人的运动速度也不受控制。

国外一些著名公司如NKK、Pipetonix、TD-Willianson等在管道检测机器人的开发与研制方面开展比较多，国内对这方面的研究尚处于起步阶段。国外主要采用的多元蜂窝式检测头，其最多可载有566多个超声探头。各个超声探头直接向管壁发射宽频超声波，又直接接收反射波。这种机器人的内部还设有摆锤及自动调节机构，以免机器人在行进的过程中发生自身的偏转，这种检测方法叫静态超声波检测。还有动态检测，所谓动态检测，就是探头盘带着若干个(我们采用四个)超声头在石油管道内随石油的流动作旋转探测。相比较而言，动态检测的优点是：成本低，检测全面，易于采用。

发明内容

本发明提供一种石油管道超声波检测方法及检测用的机器人，检测方法采用动态超声波检测法实现在石油管道中的检测；机器人采用探头盘带着四个超声头的动态检测该管道检测机器人，机器人能够自动适应一定的管道半径变化，并能够通过曲率半径的较大的弯道。该机器人能够将检测结果通过单片机记录到存储器中，并且能耗很低，解决了管道检测机器人长距离工作的问题。

石油管道检测机器人采用从动式结构，是轮式载体，机器人由机身、行驶机构和检测装置组成，检测装置是超声波探头(含超声波发射和接受器)，安装在机器人的机身前端，其特点是：在机器人尾部有一橡胶圆盘(为机器人提供动力)，机身由两个圆柱体构成，分成前部和后部两部分，机身前部和后部通过万向节连接(使得机器人可以自动通过弯道，尤其是曲率较大的弯道)；行驶机构是从动轮，分别安装在机身前部和后部；检测装置安装在前机身上，

石油管道超声波检测方法是：预先设定好厚度，当机器人运动时，4个超声波探头绕周向旋转，并发射超声波，通过超声波在管道内、外侧的发射产生的时间差，来计算石油管道的厚度，将厚度与预先设定好的厚度进行比较，若厚度小于设定的厚度，则将读取时间信息，并将其存放在存储器中，机器人工作完成后，通过计算机读取存储器中的数据，进行分析与处理，即可得到管道的内部状况。

本发明的有益效果是：

1.结构简单，能耗低，能够适应石油管道这种恶劣的环境，工作距离很长，而且能实时的对石油管道内的情况进行记录存储。

2.能够自动适应管道直径的变化，并且能够通过万向节对曲率较大的弯道进行自身的调整。

3.检测方法采用动态超声波检测法，通过4个超声波探头随着机器人的运动而转动，从而实现了管道内动态超声波检测，提高了检测的效率，能够满足管道检测的要求。

4.采用超声波检测的方法，预先设定好厚度，通过超声波在管道内、外侧的发射产生的时间差，来计算石油管道的厚度，将厚度与预先设定好的厚度进行比较，若厚度小于设定的厚度，则将读取时间信息，并将其存放在存储器中。

5.机器人工作完成后，通过计算机读取存储器中的数据，即可对管道内的状况进行分析与处理。

附图说明：

图1是机器人结构示意图。

图2是轮子的伸缩机构示意图。

图3是检测过程示意图。

图4是超声波测量原理。

图5是信号处理时序图。

图6是动态检测扫描重叠示意图。

图7是数据处理单元框图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明提供一种石油管道超声波检测方法及检测用的机器人，机器人采用从动式结构，机器人由机身、行驶机构和检测装置组成，检测装置是超声波探头，含超声波发射和接受器，安装在机器人的机身前端，其特征在于：在机器人尾部有一橡胶圆盘1，机身由两个圆柱体构成，分成前部2和后部3两部分，机身前部2和后部3通过万向节4连接；行驶机构是从动轮，分别安装在机身前部和后部；检测装置安装在前机身上。

行驶机构是六组从动轮，两个轮子5为一组，每组轮子相差120度，分别安装在机身前部2和后部3。机器人后部的轮子为里程轮，用于机器人的内定位，随着机器人的行走而转动。通过测定它的参数，确立机器人移动距离，从而得出所检测出的缺陷在管道中的位置。

实施时，检测装置使用了四个超声波探头。

见图1、图2，从动轮由轮子5、轮架6、主轴7、扭簧12和曲柄滑块机构组成，轮子5安装在轮架6上，曲柄滑块机构包括转动圆盘8、曲柄9、滑块10和支撑架11组成，曲柄9一端设置在转动圆盘8边缘，曲柄9另一端与滑块10相连，滑块10另一端与轮架6相连接，转动圆盘8通过支撑架11安装在机身内，并使转动圆盘8套在主轴7上，通过曲柄滑块机构来实现轮子的伸缩，并能够适应一定的管道直径变化。

石油管道超声波检测方法是：预先设定好厚度，当机器人运动时，4个超声波探头绕周向旋转，并发射超声波，通过超声波在管道内、外侧的发射产生的时间差，来计算石油管道的厚度，将厚度与预先设定好的厚度进行比较，若厚度小于设定的厚度，则将读取时间信息，并将其存放在存储器中，机器人工作完成后，通过计算机读取存储器中的数据，进行分析与处理，即可得到管道的内部状况。

见图3、图4，检测过程如下：

当超声探头对管壁发出一个超声脉冲后，探头首先接收到由管壁的内表面反射回来的脉冲，这个脉冲与基准脉冲之间的间距是很容易测量的，该间距值表示为t1。然后，超声探头又会接收到由管壁的外表面反射回来的脉冲，这个脉冲与内表面产生的脉冲之间的间距为t2，t2值就反映了管壁的厚度。

见图5、图6，动态检测扫描重叠示意图，其中的圆形区域表示单个超声脉冲在管壁上的覆盖范围，即检测面积。检测头的转动加上机器人本体的移动，就会在被测管道的管壁上产生无数的扫描带，控制机器人的移动速度，相邻的扫描带的重复区域为1/4，便会形成一个连贯的扫描段。随着检测机器人在被测管道内的行进，便可以完成对整个管线的检测。

由于通过超声波计算管道的壁厚需要很大的计算量和很长的时间，所以通过先前的计算，得到允许的脉冲间距t2，当t2过大时，通过单片机将时间数据写入存储器中。机器人的运动可以近似看为匀速运动，所以对于时间的纪录也就是对位置的记录。

如图5、图7所示，在同步信号上升沿的作用下，超声波产生器产生超声脉冲，经过超声波探头向介质中发射，碰到输油管内壁产生第一次反射；由该探头接收到，放大处理产生脉冲，称为A波；同样在输油管外壁也产生第二次反射，再由该探头接收到，放大处理得到脉冲称为B波。4路测量接收机都测到4个A波和4个B波；而温度补偿接收机得到一个温度补偿的At波。将超声波接收系统送来的九路反射信号整形成脉冲信号，由零基准信号前沿触发单路温度波门形成电路，形成波门前沿，而分别在At波前沿再触发形成波门后沿，将此波门分别控制十二位计数器，对时钟计数，计出波门内时钟个数，送到锁存器中，这个数据代表了温度补偿。同样，由A波分别触发的四路壁厚波门形成电路，产生波门的前沿，再由B波分别触发产生波门后沿，将此波门控制四通道八位计数器，对时钟计数，求得波门内时钟脉冲个数，送到锁存器中，它代表了输油管壁的厚度，由单片机从锁存器循环读出壁厚值，通过比较器，与预先设置的值进行比较，若壁厚小于设定值，则单片机读取时间信息和壁厚信息，并将其记录到存储器中。

管道中异常状况的确定：

机器人是利用管道中“油速、时间”与“位置”(特定布局的油管)的对应关系原理，通过存储器中的信息(壁厚、时间)来确定管道中异常状况的具体位置。首先，建立油管布局的三维模型，通过计算机图形仿真来建立不同流速下的时间和位置的对应关系；其次，由存储器中记录的时间信息，通过计算得到管道异常状况的具体位置(油速×时间差＝到起点的距离)；再次，通过存储器中记录的壁厚信息，便可知道管道中异常状况的壁厚及其所在的位置；最后，由异常状况的壁厚及位置信息，经分析比较筛选掉不合理的异常状况。

Claims (7)

1、一种石油管道超声波检测方法，其特征在于：预先设定好厚度，当机器人运动时，4个超声波探头绕周向旋转，并发射超声波，通过超声波在管道内、外侧的发射产生的时间差，来计算石油管道的厚度，将厚度与预先设定好的厚度进行比较，若厚度小于设定的厚度，则将读取机器人从开始运行到检测到异常壁厚所经过的时间，并将其存放在存储器中，机器人工作完成后，通过计算机读取存储器中的数据，进行分析与处理，即可得到管道的内部状况。

2、按权利要求1所述的石油管道超声波检测方法，，其特征在于：机器人是利用管道中“油速、时间”与“位置”的对应关系原理，通过存储器中的壁厚、时间信息来确定管道中异常状况的具体位置；首先，建立油管布局的三维模型，通过计算机图形仿真来建立不同流速下的时间和位置的对应关系；其次，由存储器中记录的时间信息，通过计算得到管道异常状况的具体位置，即油速×时间差＝到起点的距离；再次，通过存储器中记录的壁厚信息，便可知道管道中异常状况的壁厚及其所在的位置；最后，由异常状况的壁厚及位置信息，经分析比较筛选掉不合理的异常状况。

3、按权利要求1所述的石油管道超声波检测方法检测用的机器人，其特征在于：石油管道检测机器人，机器人采用从动式结构，机器人由机身、行驶机构和检测装置组成，检测装置是超声波探头，安装在机器人的机身前端，其特点是：在机器人尾部有一橡胶圆盘(1)，机身由两个圆柱体构成，分成前部(2)和后部(3)两部分，机身前部(2)和后部(3)通过万向节(4)连接；行驶机构是从动轮，分别安装在机身前部(2)和后部(3)。

4、按权利要求3所述的石油管道超声波检测方法检测用的机器人，其特征在于：行驶机构是六组从动轮，两个轮子(5)为一组，每组轮子相差120度，分别安装在机身前部(2)和后部(3)。

5、按权利要求3所述的石油管道超声波检测方法检测用的机器人，其特征在于：检测装置是4个超声波探头。

6、按权利要求3所述的石油管道超声波检测方法检测用的机器人，其特征在于：从动轮由轮子(5)、轮架(6)、主轴(7)、扭簧(12)和曲柄滑块机构组成，轮子(5)安装在轮架(6)上，曲柄滑块机构包括转动圆盘(8)、曲柄(9)、滑块(10)和支撑架(11)组成，曲柄(9)一端设置在转动圆盘(8)边缘，曲柄(9)另一端与滑块(10)相连，滑块(10)另一端与轮架(6)相连接，转动圆盘(8)通过支撑架(11)安装在机身内，并使转动圆盘(8)套在主轴(7)上。

7、按权利要求3所述的石油管道超声波检测方法检测用的机器人，其特征在于：机器人机身后部(3)内部装有电池和数据处理装置。

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