CN103895835B - 舰艇壳体除垢和探伤系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种舰艇壳体除垢和探伤系统，包括：供电系统、控制系统、充电系统、储能系统、等离子冲击波产生机构、探伤监测系统、表面清刷机构和吸附行走机器人。系统工作时，等离子冲击波产生机构、表面清刷机构、吸附行走机器人及探伤监测系统的探头处于水下作业。利用水下等离子体放电产生的强声冲击波对舰艇壳体表面的附着生物进行初次清理，使得舰艇表面附着生物掉落或松动，再利用表面清刷机构对松动的附着物进行清理。探伤监测系统在除垢作业后检测除垢效果，同时对舰艇壳体表面进行无损探伤。

Description

舰艇壳体除垢和探伤系统

技术领域

本发明涉及一种海洋工程装备，特别涉及一种利用水下等离子体强声脉冲对舰艇壳体进行除垢和探伤的自动化系统。

背景技术

在船只吃水线下常附着大量海洋生物，海洋生物附着后，舰船底粗糙并增重，增加摩擦阻力，航速降低，燃料消耗提高；堵塞海水管道和海底阀门；产生妨碍声呐工作的噪音，降低声呐性能；促进腐蚀，使木船被船蛆或蛀木虱钻孔。这类生物若固着在舰艇上，随着时间的推移，其繁殖数量会愈来愈多，面积不断增大，甚至盖满舰艇的整个水下部分，这样污着生物会增加舰船自重和航行的阻力，引起航速降低和燃料消耗增加，并缩小舰艇活动范围，严重影响舰船的航行特性和作战性能。根据对397艘受到生物污损船只的调查结果，船速平均下降5％的占80％以上，最严重的船速下降可达25％。并且会使舰艇产生更大的航行噪音，更容易暴露目标而被敌方发现。因此，舰艇要不定期进坞，清洗水下部分，除去附着生物。同时，当海洋生物附着在船底时，会随着这些污损生物的生长而发生一系列复杂的物理化学变化，大大加速了船底钢板的腐蚀，降低舰艇壳体和水下装备的使用寿命。例如，非触发性水雷若附着大量海洋生物，会造成引信失效；水雷加重而下沉，改变了原来的定深标准。

在传统的清洗作业中，日本、欧美等西方发达国家在70年代以前主要采用化学方法清洗，自70年代末开始发展无污染化学方法、机械方法和高压水射流清洗技术清洗。我国的清洗行业多年来一直处于化学和手工清洗的落后状态，据估计，我国工业清洗目前80%是用化学方法。无论是化学清洗还是人工清洗都存在着清洗成本高、效率低、污染环境等问题，远远不能满足现代社会日益增长的工业及民用清洗要求。并且国内还存在着修船期长、船坞不足的问题，同时船坞清刷还增加了船舶的非营运时间和燃油消耗。据测算，我国远洋及沿海船舶行业一年燃油消耗量一千万吨以上，按水下清洗可节省6%的燃油来计算，性能优良的水下附着生物无污染清除系统每年可节约2亿元以上燃油消耗。

在传统的探伤监测作业中，国外主要用水下超声检测法来检测船体及钢结构海上平台的腐蚀情况。美国等西方国家在进行水下超声探伤时，一般至少由2名工人组成一个检查小组，其中一位是潜水员（水下操作者），其任务是确定适当的检查部位，作表面准备（出去表面附着物质），并操作探头的获得需用的回波信号；另一位是水上检查员，其职责是校准检测系统，分析解释得到的信号，指导潜水员操纵探头等。该探伤检修方法需要花费大量人力。国内造船厂及船舶维修中心均采用超声波测厚仪检测船体的腐蚀状况，这种方法对于表面完好、无涂层的构件是适用的，但从检测船体腐蚀的角度，超声测厚方法不能直观、准确地反映船体腐蚀的基本状况，且超声测厚仪目前仍以手工操作为主，检测结果受人为影响的因素较多，而且检测速度太慢。因此，开展新型、高效、经济的舰艇及水下装备附着生物无污染清除系统和探伤监测系统的研究开发，具有重要的军事战略意义和巨大的民用价值和推广市场。

专利“海洋附着生物清除装置”（专利号为01278370.6）发明的装置为漂浮的机架，可以随时清除附着在海上设施的生物，但是其结构复杂，可靠性低，而且喷酸管喷出的酸液还可能对设施及舰艇产生腐蚀作用，很不环保。专利“海洋船舶除生物污染的电化学方法”（专利号为200610016914.2）提出了一种以船体为阴极，以金属钛或石墨为阳极，利用脉冲电源在两极之间产生的脉冲电流对海洋生物进行清除的方法，其缺点在于每次只能对船体局部进行清理，机动性差，且电流强度小，清除效果不够彻底。而且上述专利均不具备对舰艇壳体的探伤功能。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一个除垢和探伤系统，该系统利用水下等离子体电声转换原理在一定距离处形成高强度强声冲击波，对舰艇壳体表面的附着生物进行清理，再利用高压射流清洗原理对松动的附着物进行清理，然后利用超声探伤监测原理对舰艇壳体表面进行探伤并检测除垢效果，实现对舰艇壳体除垢和探伤等维护作业。该系统机动灵活，除垢探伤同步完成，作业效率高，除垢效果好。

技术方案

本发明解决上述问题的技术方案为：

所述一种舰艇壳体除垢和探伤系统，其特征在于：包括供电系统、控制系统、充电系统、储能系统、等离子冲击波产生机构、探伤监测系统、表面清刷机构、吸附行走机器人；供电系统为控制系统、充电系统提供能量；等离子冲击波产生机构、表面清刷机构及探伤监测系统的传感器安装在吸附行走机器人上；

所述控制系统由中央处理器、充电系统控制模块、等离子冲击波产生机构控制模块、吸附行走机器人控制模块、探伤监测系统控制模块和电源接口模块组成；充电系统控制模块控制充电系统对储能系统进行充电；等离子冲击波产生机构控制模块启动储能系统对等离子冲击波产生机构高压放电，产生高压冲击波；吸附行走机器人控制模块控制吸附行走机器人带动等离子冲击波产生机构、表面清刷机构和探伤监测系统的传感器在舰艇表面顺序二维扫描运动；探伤监测系统控制模块控制探伤监测系统的传感器采样和数据处理；电源接口模块为整个控制系统供电。

所述一种舰艇壳体除垢和探伤系统，其特征在于：所述供电系统由舰艇上自身的电力系统提供，或加装发电机组单独供电。

所述一种舰艇壳体除垢和探伤系统，其特征在于：充电系统包含高压发生电路，对供电系统所供电压进行升压至预设高压，再对储能系统进行充电。

所述一种舰艇壳体除垢和探伤系统，其特征在于：储能系统为高压脉冲储能电容及其保护电路。

所述一种舰艇壳体除垢和探伤系统，其特征在于：等离子冲击波产生机构包括放电电极和聚能机构，其中放电电极安置在聚能机构内部。

所述一种舰艇壳体除垢和探伤系统，其特征在于：放电电极采用尖对尖结构，放电电极材料采用铜钨合金；聚能机构为反射罩，反射罩的反射面采用椭球面。

所述一种舰艇壳体除垢和探伤系统，其特征在于：多个等离子冲击波产生机构并联排成阵列，由控制系统同步控制触发。

所述一种舰艇壳体除垢和探伤系统，其特征在于：探伤监测系统包括水下摄像装置和探伤设备；探伤设备由超声波发生与接收装置、探伤控制系统、驱动电机、柔性电缆、探头架、水浸聚焦探头、信号处理及图像显示系统组成，超声波发生与接收装置通过柔性电缆与水浸聚焦探头相连接，由驱动电机进行驱动，用于发射和接收超声波，探头架用于固定探头，水浸聚焦探头在探伤控制系统的控制下，沿二维方向以设定的步长作同步运动，信号处理及图像显示系统对超声波接收装置接收到的信号进行分析处理以获得船体表面固着生物及损伤情况，同时接收水下摄像装置传回的视频图像。

所述一种舰艇壳体除垢和探伤系统，其特征在于：表面清刷机构采用机械清刷和高压水射流清洗。

所述一种舰艇壳体除垢和探伤系统，其特征在于：吸附行走机器人采用永磁吸附轮式结构，带动等离子冲击波产生机构、表面清刷机构和探伤监测系统传感器在舰艇表面顺序二维扫描运动。

有益效果

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的系统不仅可以对舰艇壳体的附着物进行粉碎、清刷，还具有对舰艇壳体进行探伤、监测的功能，实现了除垢和探伤监测的一体化作业，功能全面，工作效率高。其中除垢和探伤系统可以同时工作，也可以单独工作。

2、本发明的控制系统可以方便、简捷地对整个装置进行控制，协调整个装置中的不同系统分工协同工作，并且控制系统通过观察附着物的类别、附着厚度等情况以及清除效果，确定系统充放电参数，选择合适强度和频率的等离子冲击波对附着物进行清理，除垢效果好，作业效率高。

3、本发明的等离子冲击波产生机构采用了聚能机构，并能通过多个冲击波聚束形成更高的强声冲击波作用在附着生物上，对水下指定区域的目标附着物形成粉碎性破坏，使得舰艇固着生物清除效果更加彻底有效，并且提高了除垢效率。

4、本发明的吸附行走机器人采用永磁吸附轮式结构，永磁吸附使机器人吸附可靠，运动稳定，易控制；轮式结构使得机器人的移动更加灵活，能适应各种舰艇壳体流线；行程规划和作业区域由控制系统来自动控制，作业效率高，人工成本低。

5、本发明的探伤监测系统利用水下摄像头监测清除效果和壳体表面状况，调节作业推进速度，实现水下船体表面的无损探伤和监测的一体化功能，同时保证了探伤和检测工作的效果，增加了探伤监测的可靠性。

6、本发明的表面清刷机构采用机械清刷和高压射流清洗技术，在清刷舰艇壳体松动的附着生物残渣时，抛光了舰艇表面，便于监测系统的摄像头监视和探伤系统的传感器探头采样，提高了监测效果和探伤性能。

附图说明

图1：舰艇壳体除垢和探伤系统总体方案框图

图2：控制系统框图

图3：充电系统和储能系统的一种实施方式

图4：等离子冲击波产生机构框图

图5：一种优化的等离子冲击波产生机构框图

图6：点对点的电极示意图

图7：椭球面反射罩聚能原理图

图8：探伤监测系统及水下作业机构结构图

其中：1-等离子冲击波；2-吸附行走机器人；3-探头架；4-水下摄像装置；5-水浸聚焦探头；6-柔性电缆；7-海水；8-驱动电机；9-超声波发生与接收装置；10-储能系统；11-充电系统；12-探伤控制系统；13-信号处理及图像显示系统；14-船体；15-舰艇壳体。

具体实施方式

下面结合附图对本实施例进一步说明：

如图1所示，本实施例中舰艇壳体除垢和探伤系统包括供电系统、控制系统、充电系统、储能系统、等离子冲击波产生机构、探伤监测系统、表面清刷机构、吸附行走机器人。系统中，供电系统连接控制系统、充电系统，为其提供能量。整个系统可以用舰艇自身的电力系统供电，也可以由陆地上的电源供电，还可以另外加装发电机单独为本系统供电。供电体制为220V/50Hz。

所述控制系统由中央处理器、充电系统控制模块、等离子冲击波产生机构控制模块、吸附行走机器人控制模块、探伤监测系统控制模块和电源接口模块组成。中央处理器是控制系统的指令结算中心，控制系统上电初始化，向各个分系统发送指令，使整个系统协调工作。充电系统控制模块控制充电系统对储能系统进行充电；等离子冲击波产生机构控制模块启动储能系统对等离子冲击波产生机构高压放电，产生高压冲击波。吸附行走机器人控制模块控制吸附行走机器人带动等离子冲击波产生机构、表面清刷机构和探伤监测系统的传感器在舰艇表面顺序二维扫描运动；探伤监测系统控制模块控制探伤监测系统的传感器采样和数据处理，完成对船体的无损检测和探伤及清除效果的监视；电源接口模块为整个控制系统供电。

充电系统包含高压发生电路等配套电路，对供电系统所供电压进行升压至预设高压，再对储能子系统进行快速、高效充电。储能系统为高压脉冲储能电容及其保护电路，可以实现对电能的储存和通过等离子冲击波产生机构中的放电电极瞬间释放电能。一个典型的充电系统和储能系统的实施方式如图3所示。例如，图中T1采用自耦变压器调压，T2采用高压升压变压器，其中，T2输入端的抽头与T1相连接。D采用高压整流硅堆，R采用大功率线绕电阻，储能系统C采用高压脉冲储能电容。其中，D，R，C与T2的输出端相连接构成充电回路。储能系统必须由寄生电感小的脉冲电容器来实现，方可保证产生较大的放电电流（通常可达10kA以上）；根据体积要求，可以选取高比能的电容器；还通过多个电容的串联、并联来构成所需的容值和耐压值达到要求的储能。例如，选取耐压为10kV、容量为20uF的脉冲电容器，即可实现1000焦耳能量的强声源。

等离子冲击波产生机构包括放电电极和聚能机构其中放电电极安置在聚能机构内部。放电电极通过高电压、大电流瞬间放电，形成水下等离子体，产生冲击波，放电电极采用如图6所示的尖对尖结构，材料应选择强度高、放电效率高、耐腐蚀的材料，如铜钨合金。聚能机构利用反射、同相叠加等原理将各向同性的声波聚能后向外传播以使放电电极处释放的能量得到有效的利用。聚能机构是一个采用不锈钢或高强度合金材料的反射罩，其反射面采用椭球面，如图7所示，图中a为伪椭球的长半轴、b为短半轴、c为半焦距，h为椭球反射罩凹深、r为开口半径，F1为第1焦点，F2为第2焦点，F1、F2连线为椭球反射罩的声轴，过F2垂直于声轴的平面称为聚焦平面。根据射线声学理论，将脉冲声源（放电电极）放在椭球反射面的第1焦点F1上，声波经反射罩反射后将在反射罩的另一个焦点（F2）处汇聚。如果将椭球反射罩对准传播方向，就会在指定方向上形成足够的声强。由此可见，经过椭球曲面障板反射后，可将脉冲声波聚焦到一定的方向和区域，获得较高的指向性增益，有效提高声源的利用率和冲击波的强度。

当发现固着生物或清除效果不理想或期望加快清除速度时，可采用图5所示的优化的等离子冲击波产生机构，启动强力清除模式。将多个等离子冲击波产生机构并联排成阵列，由控制系统同步控制触发，通过多个放电电极同步放电产生多个冲击波，并通过多个聚能机构聚束形成更高能量的强声冲击波，作用在固着生物上，清除效果更好、速度更快。

探伤监测系统包括水下摄像装置和探伤设备。其中探伤设备采用水浸聚焦探伤法对船体表面及内部缺陷进行无损检测和探伤。探伤设备由超声波发生与接收装置、探伤控制系统、驱动电机、柔性电缆、探头架、水浸聚焦探头、信号处理及图像显示系统组成，如图8所示，超声波发生与接收装置9、储能系统10、充电系统11、探伤控制系统12和信号处理及图像显示系统13安装在船上，由操作人员操控或预置参数程控；驱动电机8、等离子冲击波产生机构、表面清刷机构、吸附行走机器人2及探伤监测系统的探头5处于水下作业。超声波发生与接收装置通过柔性电缆与水浸聚焦探头相连接，由驱动电机进行驱动，用于发射和接收超声波，探头架用于固定探头，水浸聚焦探头在探伤控制系统的控制下，沿二维方向以设定的步长作同步运动。探伤监测系统工作时，由超声波发生装置9发出的2000伏以上的电脉冲信号，该信号经柔性电缆6到达水浸聚焦超声探头5并激励其发射脉冲超声波，此超声波聚焦后经海水7传入船体14。超声波经舰艇壳体15表面剩余的固着生物和壳体的蚀孔及裂纹等缺陷反射后，将为超声波接收装置9所接收。信号处理及图像显示系统对超声波接收装置接收到的信号进行分析处理以获得船体表面固着生物及损伤情况，同时接收水下摄像装置传回的视频图像。

表面清刷机构采用机械清刷和高压水射流清洗技术，用于清刷经等离子冲击波产生机构处理过舰艇壳体的松动的附着生物残渣，抛光舰艇表面，便于无损探伤及监测系统的摄像头采样和监视。

吸附行走机器人采用永磁吸附轮式结构，带动等离子冲击波产生机构、表面清刷机构和探伤监测系统传感器摄像机等水下作业体在舰艇表面顺序二维扫描运动，以完成对整个舰艇表面附着生物的清除工作和探伤监测工作。吸附行走机器人的行程规划和作业区域的选择通过控制系统来控制，并在控制系统的控制下实现水上、水下吸附爬行和船体除垢及探伤作业。

本发明的工作原理是，系统上电后，控制系统初始化，探伤监测控制模块开启监测系统中的水下摄像机，对壳体表明情况进行视频检测，确定需要清理的壳体区域。然后，吸附行走机器人控制模块控制吸附行走机器人运动到待清理区域，再通过观察水下摄像机传输回的图像，分析附着物的类别、附着量的大小和附着厚度等信息。根据这些信息，充电系统控制模块设定充电系统的充电电流和充电电压，将高压能量充到储能系统中，等离子冲击波产生机构控制模块设定等离子冲击波产生机构的工作状态和发射参数，产生一定强度和重复频率的强声冲击波，对需要清理区域的附着生物进行冲击清理。冲击清理的同时，控制系统通过控制吸附行走机器人的表面清刷机构，对已经经过等离子冲击波产生机构清理的部分进行机械清刷和高压射流清洗；同时，通过水下摄像机监视清除区域的效果，启动探伤系统的传感器探头，对壳体进行无损超声探伤，并同步显示和记录相关区域的清除效果和探伤结果。如果清除达到要求，则利用控制系统控制吸附行走机器人，运动到其他待清理区域，继续作业；如果发现固着生物，清除效果不理想，则启动强力清除模式，即通过多个冲击波聚束形成更高的强声冲击波，作用在固着生物上，使其粉碎性破坏，达到清除固着生物的效果；如果探伤监测系统发现舰艇壳体出现严重腐蚀或损伤情况，则实时报警并详细记录探伤监测信息。重复以上步骤，直至清除完毕。

为了提高工作效率，图1中各个系统间采用用低电阻、低寄生电感的特种电缆进行连接。如果要进一步提高除垢效率和效果，可以采用图5所示的优化等离子冲击波产生机构进行除垢，即通过多个冲击波聚束形成更高的强声冲击波，同时作用在附着生物上。但该方式冲击力较大，可能对腐蚀或损伤严重的旧舰艇壳体不适用。

以清除舰艇壳体上的海蛎子为例，首先利用探伤监测系统中的DF6103水下摄像机对舰艇表面进行视频扫描，确定舰艇表面需要清理的区域，对DF6103水下摄像机得到视频图像数据传输给控制系统。

控制系统的结构框图如图2所示。通过对视频图像进行分析，观察附着物的面积、厚度和多少，确定充电和放电参数的设定。再利用控制系统的吸附行走机器人控制模块控制吸附机器人沿舰艇表面运动到需要清理的区域，通过吸附行走机器人将等离子冲击波产生机构悬停在所要清理区域的上方，准备对附着在舰艇表面的海蛎子进行清理。根据预先设定的充电参数对储能系统进行充电，在充电系统控制模块的控制下，充电系统按照一定的充电周期将能量充到储能系统中。在等离子冲击波产生机构控制模块的控制下，离子体冲击波清除机构开始按照设定参数工作，储能系统储存的能量通过离子体冲击波清除机构中的放电电极进行放电。

水下作业机构除垢作业时，控制系统的探伤监测控制模块控制探伤监测系统的DF6103水下摄像机4不间断的监视被清理区域的清理情况并即时反应到图像显示系统，如果舰艇表面附着的海蛎子基本上已经松动甚至掉落，则吸附行走机器人控制模块通过控制吸附行走机器人来控制表面清刷机构，对已经经过离子体冲击波清除机构清理的部分进行清刷；如果发现固着生物或清除效果不理想，则采用图5所示的优化的等离子冲击波产生机构，进行强力清除。然后，探伤监测系统对已清刷部分壳体进行超声波无损探伤，如果探伤监测系统发现舰艇壳体出现严重腐蚀或损伤情况，则实时报警并详细记录探伤监测信息。同时，通过水下摄像机监视清除区域的效果，如果清除达到要求，则利用吸附行走机器人控制模块控制吸附行走机器人，运动到其他待清理区域，重复以上步骤，直至清除完毕。

Claims (1)

1.一种舰艇壳体除垢和探伤系统，其特征在于：包括供电系统、控制系统、充电系统、储能系统、等离子冲击波产生机构、探伤监测系统、表面清刷机构、吸附行走机器人；供电系统为控制系统、充电系统提供能量；等离子冲击波产生机构、表面清刷机构及探伤监测系统的传感器安装在吸附行走机器人上；

所述控制系统由中央处理器、充电系统控制模块、等离子冲击波产生机构控制模块、吸附行走机器人控制模块、探伤监测系统控制模块和电源接口模块组成；充电系统控制模块控制充电系统对储能系统进行充电；等离子冲击波产生机构控制模块启动储能系统对等离子冲击波产生机构高压放电，产生高压冲击波；吸附行走机器人控制模块控制吸附行走机器人带动等离子冲击波产生机构、表面清刷机构和探伤监测系统的传感器在舰艇表面顺序二维扫描运动；探伤监测系统控制模块控制探伤监测系统的传感器采样和数据处理；电源接口模块为整个控制系统供电；

所述供电系统由舰艇上自身的电力系统提供，或加装发电机组单独供电；

所述充电系统包含高压发生电路，对供电系统所供电压进行升压至预设高压，再对储能系统进行充电；

所述储能系统为高压脉冲储能电容及其保护电路；

所述等离子冲击波产生机构包括放电电极和聚能机构，其中放电电极安置在聚能机构内部；

所述放电电极采用尖对尖结构，放电电极材料采用铜钨合金；聚能机构为反射罩，反射罩的反射面采用椭球面；

多个所述等离子冲击波产生机构并联排成阵列，由控制系统同步控制触发；

所述探伤监测系统包括水下摄像装置和探伤设备；探伤设备由超声波发生与接收装置、探伤控制系统、驱动电机、柔性电缆、探头架、水浸聚焦探头、信号处理及图像显示系统组成，超声波发生与接收装置通过柔性电缆与水浸聚焦探头相连接，由驱动电机进行驱动，用于发射和接收超声波，探头架用于固定探头，水浸聚焦探头在探伤控制系统的控制下，沿二维方向以设定的步长作同步运动，信号处理及图像显示系统对超声波接收装置接收到的信号进行分析处理以获得船体表面固着生物及损伤情况，同时接收水下摄像装置传回的视频图像；

所述表面清刷机构采用机械清刷和高压水射流清洗；

所述吸附行走机器人采用永磁吸附轮式结构，带动等离子冲击波产生机构、表面清刷机构和探伤监测系统传感器在舰艇表面顺序二维扫描运动。