CN1061285A - 钢管道内涂层自动检测补涂机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢管道内涂层自动检测补涂 机。它采用模块组装式变径可调机电一体自动化小 车式整体结构，由操作、驱动、控制、测长、涂层检测、 焊口探测、摄录像、喷涂、变径可调和自诊断保护等部 分组成。该机在管道内自动行走的同时，能把内壁绝 缘涂层的漏涂、微孔及欠厚缺陷全部检查出来，并能 同时自动补涂，还能对涂层缺陷位置和焊口内环焊缝 自动录相。该机若在管道内受阻、打滑或电池电压不 足，能自动倒车退出管道。它可用于Φ219以上多种 直径的管道。

Description

本发明涉及到钢管道内壁防腐涂层的检测与补涂以及管道焊口内环焊缝检测技术领域。

钢质管道的内外壁防腐涂层和焊口焊缝质量是关系到管道工程使用寿命和安全运行的两个关键问题，因此早已引起国内外管道工程界的高度重视。其中管道外壁防腐涂层的检测和管外焊缝检测，已有多种在用的成熟技术和专用装置。专用于喷涂管道焊口内涂层的自动装置也已相继问世，例如，美国专利3967584，4092950，4340010和中国专利91106511.3等。专用于检测管道内壁腐蚀状况的自动装置已由美国商业树脂公司和PLS公司等研制成功。管道内环焊缝射线照相自动装置已由英国JME公司等研制成功。但是，专用于钢管道内涂层检测与补涂，并能同时对管道内环焊缝进行录相检测的自动装置至今仍未见公开报导。就上述国内外专利技术及专用装置而言，其主体结构均采用作业小车形式，其作业程序大多通过电缆在管外遥控完成，因此深入管道的长度受到限制，拖带电缆操作很不方便。也有采用同位素在焊口处定位的。

本发明的目的在于提供一种专用于钢管道内涂层自动检测与补涂的新式机具，它不需拖带电缆而由自身电池和PC工业控制器去控制完成行走及多种作业。它不但能在管道内自动、准确地检测出绝缘涂层的漏涂、损伤、微孔及欠厚等缺陷，并能对这些缺陷自动进行补涂，或者对缺陷所在位置自动摄相记录，同时还能对每道焊口的内环焊缝自动录相检测。

本发明的上述目的是通过下述技术方案实现的。

其整体结构形式采用模块组装式变径可调机电一体自动化作业小车，主要由操作单元、驱动单元、控制系统及电源单元、测长及支重单元、涂层检测器、焊口探测器、摄录相单元、喷涂单元、变管径调整机构和自诊断保护系统十部分组成。其中，操作单元位于小车的最前端，包括操作面板及显示屏等;操作单元之后是驱动单元，包括驱动电机、减速器及主动轮等;驱动单元之后是控制系统及电源单元，包括可编程序控制器及其接口电路和电池;再向后是测长及支重单元，包括从动轮、从动轴及其支座、传动齿轮及其旋转编码器;测长及支重单元的末端装有变管径调整机构，涂层检测器则安装在变管径调整机构的立杆上，该检测器包括第一高压仓、驱动电机、减速器、旋盘总成和铜丝刷;涂层检测器之后是焊口探测器，包括第二高压仓、辅助支撑、弹性支架及其探轮;小车最后是摄录相单元或者喷涂单元。摄录相单元包括仓体、仓盖、摄相机及其摄相云台、摄相头和照明灯;喷涂单元包括仓体、涂料箱、涂料泵及其电机、喷涂旋杯及其高转速电机。若要求先对内涂层进行检测，并对其漏涂、损伤、微孔及欠厚等缺陷的具体位置摄相记录，或者要求对每道焊口的内环焊缝录相检测，就在小车进入管道之前装上摄录相单元;若只要求对内涂层进行检测，并对其漏涂、损伤、微孔及欠厚等缺陷进行喷涂补漏，就在小车进入管道之前卸下摄录相单元换上喷涂单元。

涂层检测器采用高压电火花检漏方法。其探头采用多电极离心旋转软接触旋盘结构形式，可实现全圆周扫锚。该旋盘总成主要包括碳刷、铜环、铜丝刷、转盘和空心轴。工作时碳刷带有第一高压仓产生的高电压，固定不动的碳刷与可转动的铜环之间为动态接触导电。铜环与铜丝刷之间用导线联接并且一起被电机和减速器带动旋转。由于离心力的作用使带有高电压的铜丝刷与管道内壁绝缘层动态软接触。该自动小车在管道内自动行走的同时，铜丝刷电极就对管道内壁涂层进行全圆周扫描。当遇到涂层漏涂、损伤及微孔等缺陷时，该处即产生电火花放电;当遇到厚度达不到要求的涂层时，此处局部涂层即被高电压击穿，相当于同时进行涂层厚度检测，并且一起进行自动补涂。

焊口探测器的焊口定位既可采用管内高压电火花定位方法，又可采用发射机在管外焊口处发射信号，自动小车在管内用接收机定位的方法，还可采用同位素定位方法，外部发射内部接收。当采用高压电火花探测定位方法时，焊口探测器与涂层检测器装在同一个仓体总成中，利用探轮作为探极。该探轮安装在具有弹性的支架上。支架上端安装在辅助支撑前边与高压探测单元的仓体相联，后边与摄录相单元或者喷涂单元的仓体相联。探轮带有第二高压仓产生的高电压，靠自重压力使探轮与管道下部内壁滚动接触。每当小车走到一个未经补涂的焊口该探轮直接压在无涂层的管壁时，就产生电火花信号，由PC工业控制器控制小车停住，然后对焊口内环焊缝外观情况自动录相。

摄录相单元具有内涂层缺陷显示、摄录和焊口内环焊缝摄录两种功能，其摄录相要求有所不同。前一功能要求铜丝刷扫描到涂层缺陷时，再向前行走一定距离，使摄相头处于要求摄相的位置，既可以轴向摄相，又可以径向摄相，在摄相的同时，装在摄相头前的红色指示灯自动发亮，作为涂层缺陷的位置坐标被摄录下来。后一功能则要求摄相头垂直于管壁对准内环焊缝，并且旋转一周录下整个焊缝的外观实况。既要满足这两个功能要求，又受到管径限制，所以摄相机与摄相头要分开安装再用软导线相联。摄相机固定安装在仓体内部，摄相头安装在摄相云台上。具有两个自由度的摄相云台安装在仓体后盖外面，可带动摄相头由管道轴向转到径向位置，又可带动摄相头垂直于管壁旋转一周。

喷涂单元的仓体与摄相单元的仓体形状结构相似，可以互换安装在该自动小车的最后端。本发明的喷涂单元采用了双泵供料旋喷杯中混合的方式。在其仓体中装着一个主料箱和一个副料箱，一个主料泵和一个副料泵，两个料泵电机，还有一个直接带动旋喷杯高速旋转的电机。旋喷杯装在最后端并伸出仓盖之外。主、副两种涂料在旋喷杯中相混之后，利用旋喷杯高速旋转产生的离心力，将混合后的液态涂料均匀喷涂到涂层缺陷所在位置的圆周内壁上。

测长及支重单元的作用相当于提供个长度坐标。该自动小车在管道内自动行走的同时，从动轮滚动的圈数通过从动轴、传动齿轮及其旋转编码器转换成相应的脉冲数字信号，并由PC工业控制器计算成长度数据，随时可以测得该自动小车已走进管道多长的距离。其目的是为了标明该自动小车在何处检测出涂层有缺陷，在何处探测到第几道焊口。该功能是通过摄录相与语言电路配合，并由PC工业控制器来控制实现的。当作业完毕取出录相带放相时，即可知每个涂层缺陷或者每道焊口所处的长度位置坐标。还可采用记数器显示长度数据，一旦发现涂层缺陷或小车到达焊口处，摄相机即可将记数器所显示的该处长度坐标数据同时摄录下来。

管径变化调整机构的作用是为了该自动小车尽量适用于较大范围的管径。它包括径向立杆、下卡环、上卡环和上下锁紧销钉。下卡环固定安装在测长单元壳体后端面上，上卡环固定安装在涂层检测器壳体前端面上。径向立杆的下段装在下卡环中并被锁紧销钉锁紧;径向立杆的上中段装在上卡环中并被锁紧销钉锁紧。通过调整上卡环在径向立杆的上下位置，即可把涂层检测器的旋盘和铜丝刷，以及喷涂旋杯调整到被测管道的中心轴线上。改换一种管径只需调整一次，非常方便。

自诊断保护系统的作用是当该自动小车在管道内遇阻、被卡、打滑、遇水或电池电压不足时，均能自行判断，并由PC工业控制器控制停止作业，然后自动倒车退出管道。这些自诊断保护功能是由遇阻按钮传感器、电容测湿传感器、电压传感器、各种保护电路、相应的保护程序和PC工业控制器来实现的。

主控制系统是该自动装置的主要组成部分之一。主机采用PC工业控制器，配有相应的140多条控制指令和一些接口扩展电路。其基本作用是控制继电器使各个电机准时启、停，准时正、反转，摄相机准时拍摄录相，指示灯准时闪烁。主控系统的另一个作用是与测长单元结合，采用高速计数方式，设定检测长度或检测时间，到达预定的长度或时间，该自动小车即停止作业并自动倒车退出管道。这就为实际应用带来很大方便。

本发明与前述已有的较相近技术对比，其主要优点是：

1、采用模块组装式机电一体化结构，整机布局合理、紧凑、轻巧、美观，加工、组装和检修都很方便，若局部损坏，可局部弃旧换新。

2、其变径调整机构虽然简单，调整范围却较大，该自动小车在不改变外形尺寸的情况下，既可用于φ219管道，又可用于φ630管道，应用范围较广。

3、它不但能对管道内涂层自动检测，而且能自动补漏，同时还能对焊口内环焊缝自动录相，具有一机多能的优点。

4、采用高压电火花方法检测管道内涂层，不但可以全面检查出漏涂、损伤、微孔等缺陷，而且可以把厚度不够设计要求的涂层击穿。相当于进行一遍测厚质量检查，然后一起补涂。

5、焊口采用高压电火花或外发射内接收方法定位，都很精确可靠，简便可行。

6、利用从动轮滚动圈数作为测长的依据，并通过旋转编码器转换成相应的脉冲数字信号，再由PC控制器进行处理和控制，由于从动轮不出现打滑空转现象，所以既简便可行又精确可靠。

7、由于采用定长或定时两种预先设定的工作方式，可根据要求选用，所以使用更加方便。

8、由于具有自诊断保护功能，所以该自动小车在管道内遇阻、被卡、遇水或电池电压不足时，会自动停止作业，倒车退出管道，故其自身工作安全可靠性较高。

9、由于主控系统采用了先进的PC工业控制器，并编制了合理的控制程序，所以功能较全，自动化程度较高。

附图1是本发明提供的钢管道内涂层自动检测补涂机整机主视示意图。图2是图1的俯视示意图。图3是其整机传动原理示意图。图4是涂层检测器旋盘及铜丝刷结构示意主视图。图5是图4的侧视示意图。图6是摄录相装置安装示意主视图。图7是图6的侧视示意图。图8是整机主控系统工作流程框图。图9是漏铁检测及摄相控制过程方框图。图10是焊口探测及摄录控制过程方框图。图11是涂层检测与补涂控制过程方框图。

结合附图对本发明的实施例详述如下：

由附图1和图2可见，本发明提供的钢管道内涂层自动检测补涂机，其实是一台模块组装式变径可调机电一体自动化作业小车。其主要组成模块自前而后依次是：操作单元2，驱动单元3，控制单元6，测长及支重单元10，变管径调节机构12，高压探测单元13，摄录相或喷涂单元17。其中，操作单元2包括电压表1，计数器29，定时器30，作业选择开关31，工作开关32，电源开关33，停止开关34，充电插座35。驱动单元3包括驱动电机5，减速器4和主动轮28。控制单元6与电池组9装在一个仓体内，可编程序控制器8及其接口扩展电路7装在仓体前半部，电池组装在仓体后半部。测长及支重单元10则安装在该仓体后端细径处，包括从动轮26，支座23，旋转编码器11和编码器传动齿轮36（见图3）。变管径调节机构由下卡环12A，上卡环12B，径向立杆12C及上下锁紧销钉组成，将其前后单元的仓体联成一体。通过调整上卡环12B在径向立杆12C上的高低位置，可将高压检测单元13和摄录或喷涂单元17调整到与管道轴线同心。高压检测单元13的前半部分是涂层检测器，见附图4和5所示，包括电机14，传动齿轮21，空心轴22，转盘20，铜环43，碳刷44和铜丝刷15。高压检测单元13的后半部分是焊口探测器，包括探轮19，弹性支架18，辅助支撑16。辅助支撑16的前端与高压检测单元13的仓体相联，其后端既可装上喷涂单元又可装上摄录相单元17，附图1和2是装上摄录相单元，附图3是装上喷涂单元。摄录相单元的安装示意简图见附图6和7所示。其中45为摄相头，安装在两自由度摄相云台46上，摄相头和摄相云台作为一个整体安装在仓体17的后盖之外，并受PC控制器控制。摄相机主体47安装在仓体17内部，也受PC控制器控制。喷涂单元的示意简图见附图3所示。其中37为主料箱，38为副料箱，39为旋喷杯动力电机，40为旋喷杯，41为副料泵，42为主料泵。

此外，该自动装置的自诊断保护系统均受主控系统控制，附图1和2中可以看到其出管停车传感器24，遇阻按钮探头25，以及总功耗电流表27和电池电压表1。

本发明的整机主控系统工作流程图见附图8所示。其中的PC工业控制器为整机控制系统的主机，本发明的实施样机选用了日本OMRON公司的PC工业控制器，并用梯形图语言编制了140多条控制指令，还设计了相应的接口扩展电路，满足了各种功能的控制要求。特将几种主要功能的控制过程简述如下。

1、内涂层漏铁检测控制

其控制过程方框图见附图9所示。首先将作业选择开关31拨到漏铁检测的档位上，当自动小车全部进入管道后，PC控制器按设定程序分别启动有关电机、高压发生器、摄录相装置等开始工作。电机5驱动小车行走、停止和倒车。电机14驱动检测旋盘总成旋转，在离心力的作用下使带有高压电的每个铜丝刷15均与管道内壁轻微接触。当遇到内涂层有漏涂、损伤、微孔及欠厚等缺陷时，产生电火花信号，使PC控制器控制小车继续前进一定的距离后停住不动，使摄相头45正处于要求的摄相位置。然后摄相头即按检测要求与管道轴心平行或者与管壁垂直并转动一周对有缺陷的涂层自动摄录5秒钟，与此同时摄相头前的红色指示灯也同步闪烁5秒钟，使涂层缺陷在录相带上留下明显的标志。摄录完毕，PC控制器控制小车再继续前进。

2、焊口内环缝的探测与录相控制

其控制过程方框图见附图10所示。首先将作业选择开关31拨到焊缝检测的档位上，当自动小车全部进入管道后，PC控制器按设定程序要求分别启动有关电机、高压发生器、摄录相装置等开始工作。由于此种作业用不到检测旋盘和铜丝刷，所以电机14不工作，第一高压仓也无高电压输出。当探轮19遇到未经补涂过的焊口管壁时，产生电火花信号，使PC控制器控制小车继续前进一定的距离后停住不动。PC控制器再控制摄相云台46转动，使摄相头45转到垂直于管壁对正内环焊缝。然后PC控制器控制摄相云台46转动，使摄相头扫描一周，实现对内环焊缝外观的全位置观测，以便发现问题及时处理。

3、内涂层漏铁检测及补漏控制

其控制过程方框图见附图11所示。首先卸下摄录相单元，换上喷涂单元。当自动小车全部进入管道后，PC控制器按设定程序要求分别启动有关电机、高压发生器、喷涂单元等开始工作。当铜丝刷遇到内涂层漏铁缺陷时，产生电火花信号，使PC控制器控制小车继续前进一定距离后停住不动。PC控制器控制喷涂机构的主、副料泵42和41以及旋喷杯动力电机39同时启动，利用离心力的作用，将旋喷杯40中混合好的涂料均匀地喷涂到漏铁缺陷所在位置的圆周内壁上。

本发明提供的管道内涂层自动检测补涂机的主要技术数据是：外形尺寸1800×φ190mm，总重量50kg，总功耗不大于150W，连续工作时间2h，行走速度11-13m/min，定位精度±10mm，适用管径范围φ219以上。其高压仓产生的电压可根据工程设计要求的内涂层耐击穿电压值选定，本实施例选用1000伏。

Claims (10)

1、一种钢管道内涂层自动检测补涂机，采用模块组装式变径可调机电一体化作业小车式整体结构，其特征在于该装置由操作单元，驱动单元，控制系统及电源单元，测长及支重单元，涂层检测器，焊口探测器，摄录相单元，喷涂单元，变管径调整机构和自诊断保护系统组成，其中，操作单元位于小车最前端，包括操作面板及显示屏；操作单元之后是驱动单元，包括驱动电机、减速器及主动轮；再向后是控制系统及电源单元，包括可编程序控制器及接口电路和电池；再向后是测长及支重单元，包括从动轮、从动轴、支座、传动齿轮及其旋转编码器；该单元末端装有变管径调整机构，涂层检测器则安装在变管径调整机构的立杆上，该检测器包括第一高压仓、驱动电机、减速器、旋盘总成和铜丝刷；涂层检测器之后是焊口探测器，包括第二高压仓、辅助支撑、弹性支架及探轮；小车最后是摄录相单元或者喷涂单元，摄录相单元包括仓体、仓盖、摄相机及其摄相云台、摄相头和照明灯；喷涂单元包括仓体、涂料箱、涂料泵及其电机、喷涂旋杯及其高转速电机。

2、根据权利要求1所述的钢管道内涂层自动检测补涂机，其特征在于涂层检测器采用高压电火花检漏方法，探头采用多电极离心旋转软接触旋盘结构形式，可实现全圆周扫描，该旋盘总成包括碳刷、铜环、铜丝刷、转盘和空心轴，碳刷带有第一高压仓产生的高电压，固定不动的碳刷与可转动的铜环之间为动态接触导电，铜环与铜丝刷之间用导线联接并且一起被电机和减速器带动旋转，由于离心力的作用使带有高电压的铜丝刷与管道内壁绝缘涂层动态软接触。

3、根据权利要求1所述的钢管道内涂层自动检测补涂机，其特征在于当焊口探测器采用管内高压电火花探测定位方法时，利用探轮作为探极，该探轮安装在具有弹性的支架上，支架上端安装在辅助支撑的底部，辅助支撑前边与高压探测单元的仓体相联，后边与摄录相单元或喷涂单元的仓体相联，探轮带有高电压，靠自重压力使探轮与管道下部内壁滚动接触。

4、根据权利要求1所述的钢管道内涂层自动检测补涂机，其特征在于摄录相单元的摄相机与摄相头分开安装，再用软导线相联，摄相机固定安装在仓体内部，摄相头安装在摄相云台上，具有两个自由度的摄相云台安装在仓体后盖外面，可带动摄相头由管道轴向转到径向位置，又可带动摄相头垂直于管壁旋转一周。

5、根据权利要求1所述的钢管道内涂层自动检测补涂机，其特征在于喷涂单元的仓体与摄相单元的仓体形状结构相似，可以互换安装在该自动小车的最后端。

6、根据权利要求1或5所述的钢管道内涂层自动检测补涂机，其特征在于喷涂单元采用双泵供料旋喷杯中混合的方式，其仓体中装两个料箱、两个料泵、两个料泵电机、一个直接带动旋杯高速旋转的电机，旋喷杯装在最后端并伸出仓盖之外。

7、根据权利要求1所述的钢管道内涂层自动检测补涂机，其特征在于测长及支重单元中，从动轮滚动的圈数通过从动轴、传动齿轮及其旋转编码器转换成相应的脉冲数字信号，并由PC工业控制器计算成长度数据，与语言电路配合，或采用记数器显示即可提供涂层缺陷及焊口的位置坐标。

8、根据权利要求1所述的钢管道内涂层自动检测补涂机，其特征在于变管径调整机构包括径向立杆、下卡环、上卡环和上下锁紧销钉，下卡环固定安装在测长单元壳体后端面上，上卡环固定安装在涂层检测器壳体前端面上，径向立杆的下段装在下卡环中并被锁紧销钉锁紧，径向立杆的上中段装在上卡环中，调好之后被锁紧固定。

9、根据权利要求1所述的钢管道内涂层自动检测补涂机，其特征在于自诊断保护系统由遇阻按钮传感器、电容测湿传感器、电压传感器、各种保护电路、相应的保护程序和PC工业控制器组成。

10、根据权利要求1或7或9所述的钢管道内涂层自动检测补涂机，其特征在于控制系统的主机采用PC工业控制器，配有140多条控制指令和一些接口扩展电路。

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