CN111043445B - 管道内检测车 - Google Patents

Abstract

提供了一种管道内检测车，所述管道内检测车包括：车身；连接至所述车身且从所述车身径向向外延伸的多个承载架；设置在所述承载架的径向外端的托架；设置在所述车身和/或所述托架上的一个或多个传感器；连接至所述车身的驱动装置，其中所述承载架具有径向伸展状态和径向收缩状态，与所述径向收缩状态相比，处于所述径向伸展状态的所述承载架的径向尺寸更大。

Description

管道内检测车

技术领域

本发明涉及管道内检测车，具体地用于监控管道线路和管道泄漏检测的管道内检测车。

背景技术

长距离输送管道横跨城市、国家、乃至跨越洲际对不同产品进行运输。在美国,将近300万英里的各种管道输送了近三分之二的全国能源需求。无论是在人烟稀少地带，还是在人口稠密地区，都有纵横交错的管道运输网络。管道运输产品包括天然气、原油、石油精炼产品以及其他危险液体。管道运输产品均属易燃易爆危险物品，因此提高管道运输的安全性和可靠性不仅可以确保“国民经济动脉”的畅通无阻，而且还可以消除隐患,降低风险,避免由于管道故障而对人民生命财产、公共设施、生活和自然环境造成严重破坏或伤害。

管道故障通常是由于腐蚀、设备故障、制造误差，环境事故和人为干扰的结果。为了检测和防止管道故障，操作人员和监管机构定期进行检查。检查通常针对典型的管道脆弱性和缺陷，包括涂层损失、腐蚀、应力腐蚀开裂(SCC)、变形以及周向和轴向缺陷。

当管道中输送任何腐蚀性物质时，管道的运行维护包括检查适当范围的阴极保护水平，监视工程施工和腐蚀情况，或通过人工巡线，陆地车，水中船只、空中巡视来发现泄漏,以及运行清管器来清理管壁。

管道的在线检查或深水管道检查都是相当复杂的。检查可能是既耗时又昂贵。在调查潜在缺陷时，为了进行准确评估，收集所需的高质量检查数据非常困难且具有挑战性。尽管常见的检查方法成本高昂且耗时，仍然往往无法生成正确评估管道所需的高分辨率数据。

用复杂、精良、灵敏的在线检测(ILI)仪器在管道内穿行可以测量和记录可能表示腐蚀、裂缝、层压、变形(凹痕，凿槽等)或其他缺陷的不规则性。由于类似被称为猪的擦洗和刮擦的清管器方式在管道内运行，所以这些在线检查仪器通常被称为智能猪。超声波测试已应用于腐蚀和裂缝检测，而且通过磁场与由电线圈产生的相对高频(RF)场的组合相互作用，电磁声换能器(EMAT)技术亦被用来在导电和导磁材料中产生超声波。在各种管道的无损检测(NDT)方法中，漏磁(MFL)在线检测技术仍然占据主导地位，应用于检测腐蚀明显的金属损失以及裂纹。

漏磁(MFL)检查工具的应用限制来自于MFL磁体配置的自身结构。传统的漏磁(MFL)技术需要一系列强大的激励磁铁来将管壁磁化至接近饱和的磁通密度，最常见的方向是平行于管道的纵轴线。这需要大而笨重的磁体以产生足够强至接近磁通饱和密度的磁场，因此难以实现足够可折叠的漏磁(MFL)激励磁体的配置以使漏磁(MFL)检查工具能够穿过诸如管道内的阀门等的障碍物。这些障碍物使得现有的漏磁(MFL)检查工具很难用来检查配有这些障碍物的管道。

像通径检测器之类的工具，通常用于测量和定位管道的内部横截面中的几何变化。它们一般在管道内检测之前使用，以确保在线检测仪器能够安全地通过管道并收集有助于解释管道内检测收集的信息的数据。它们还可用于检查管道上的机械损坏，例如可能由第三方撞击管道引起的凹痕。

管道障碍物(例如凹陷的管道或障碍物和变形)可能会阻止管道内检测工具穿过整个管线。诸如管道的弯管曲率或阀门之类的几何约束也可能妨碍传统的在线内检测工具穿过管道的各个部分。因此，这种情况下，在线内检测工具就无法收集有关该特定管道部分的数据，其结果就是管道运营商可能得不到管道现状的完整图像。这些盲区可能潜在地存在管道中的缺陷或隐患以及类似的状况，恰恰需要进行维护或特别注意，以确保管道安全、有效的操作。

因此，需要具有智能化自适应和自动可调特征的在线内检测工具可以克服凡此种种困难、约束和限制，确保顺利穿过障碍物和几何约束，来收集整个管道各部分的完整数据。

发明内容

一个用于管道内检测的自适应系统结构和方法的实施范例便是一个结构独特的通用管道在线检查车，由四个主要部件将其构建成为具有可自动调节、自适应结构以及依靠可再生动力系统保证足够电力供应的自推进功能等诸多特征。本发明设计体现为一个带有前后自适应驱动叶轮的自动驾驶和自行驱动检测车，还携带自动调节的检查装置托架及其承载机架和定位滚轮，可自动调节行驶速度。作为一个管道内检测通用骨架或基本平台，本结构独特的在线检查车可用于构建不同类型的无损检测(NDT)管道在线内检测工具，包括漏磁(MFL)检测，超声检测，电磁声换能器(EMAT)，导波超声测试(GWUT)，线路通径检测，以及智能在线数据采集设备等。它还内置智能自控机制，通过实现组控状态集合的自适应模式和算法来集成、调控系统中不同组件的自适应控制器和执行器。

根据本发明的一个方面，提供了一种管道内检测车，所述管道内检测车包括：

车身；

连接至所述车身且从所述车身径向向外延伸的多个承载架；

设置在所述承载架的径向外端的托架；

设置在所述车身和/或所述托架上的一个或多个传感器；

连接至所述车身的驱动装置，

其中所述承载架具有径向伸展状态和径向收缩状态，与所述径向收缩状态相比，处于所述径向伸展状态的所述承载架的径向尺寸更大。

可选地，所述驱动装置包括驱动叶轮，所述驱动叶轮包括机轴和从所述机轴径向向外延伸的多个叶片，所述机轴上安装有驱动齿轮，各所述叶片的底部安装有从动齿轮，所述驱动齿轮和所述从动齿轮具有啮合位置，在所述啮合位置，所述驱动齿轮的旋转带动所述从动齿轮旋转，使所述叶片围绕所述叶片的纵轴线旋转。

可选地，所述承载架包括主支柱和辅助支柱，所述主支柱的径向内端连接至所述车身，所述主支柱的径向外端连接至所述托架，所述辅助支柱的径向内端连接至所述车身，所述辅助支柱的径向外端铰接至所述主支柱的中部位置，所述主支柱和所述辅助支柱至少之一的下端沿着所述车身的纵向方向可移动。

可选地，所述车身包括外筒和从所述外筒的前端伸出且相对于所述外筒可伸缩的内筒，所述主支柱和所述辅助支柱之一的径向内端连接至所述外筒，所述主支柱和所述辅助支柱的另一个的径向内端铰接至所述内筒。

可选地，所述主支柱和所述辅助支柱之一的径向内端设置有滚轮，所述滚轮在固定于所述外筒的轨道上可滑动。

可选地，在所述径向收缩状态，所述内筒相对于所述外筒伸出，在所述径向伸展状态，所述内筒相对于所述外筒缩回。

可选地，在所述径向伸展状态，所述滚轮位于所述轨道的前部，在所述径向收缩状态，所述滚轮位于所述轨道的后部。

可选地，所述多个承载架围绕所述车身在周向上等间距地间隔开布置。

可选地，所述车身的前端设置有传感器。

可选地，所述车身的前端的传感器是射线照相机或导波超声成像仪。

可选地，所述托架上设置有传感器。

可选地，所述托架上的传感器包括以下中的一个或多个：径向位移探测传感器、磁通量泄漏测试仪、压力测试传感器、超声波传感器。

可选地，各所述托架上设置有被配置成与管道内壁相互作用的一个或多个定位滚轮。

可选地，各所述叶片具有径向伸展状态和径向收缩状态。

可选地，所述叶片包括叶片主体、中间支撑部分和底部支柱，所述叶片主体、中间支撑部分和底部支柱之间能相对伸缩，以实现所述叶片的径向伸展状态或径向收缩状态。

可选地，所述车身为前部车身，并且所述管道内检测车还包括与所述前部车身铰接的后部车身。

可选地，所述驱动叶轮是前驱动叶轮，并且所述管道内检测车还包括连接至所述后部车身的后驱动叶轮。

可选地，所述后驱动叶轮包括机轴和从所述机轴径向向外延伸的多个叶片，所述机轴上安装有后驱动齿轮，所述后驱动叶轮的各所述叶片的底部安装有后从动齿轮，所述后驱动齿轮和所述后从动齿轮具有啮合位置，在所述啮合位置，所述后驱动齿轮的旋转带动所述后从动齿轮旋转，使所述后驱动叶轮的所述叶片围绕其叶片纵轴线旋转，且所述后驱动叶轮的各所述叶片具有径向伸展状态和径向收缩状态。

可选地，所述管道内检测车具有最大尺寸状态和减小尺寸状态，快速状态、慢速状态、停止状态和后退状态，在所述最大尺寸状态，所述承载架处于径向伸展状态，所述前驱动叶轮和所述后驱动叶轮的所述叶片处于径向伸展状态；在所述减小尺寸状态，所述承载架处于径向收缩状态，所述前驱动叶轮和所述后驱动叶轮的所述叶片处于径向收缩状态；在所述快速状态，所述前驱动叶轮和所述后驱动叶轮的所述叶片主体处于与所述机轴基本相垂直的初始角度位置；在所述慢速状态，所述前驱动叶轮和所述后驱动叶轮的所述叶片主体相对于所述初始角度位置处于锐角角度位置(即，相对于初始角度位置旋转一锐角)；在所述停止状态，所述前驱动叶轮和所述后驱动叶轮的所述叶片主体相对于所述初始角度位置处于直角角度位置(即，相对于初始角度位置旋转一直角)；在所述后退状态，所述前驱动叶轮和所述后驱动叶轮的所述叶片主体相对于所述初始角度位置处于钝角角度位置(即，相对于初始角度位置旋转一钝角)。

可选地，所述管道内检测车还包括控制系统和致动系统，其中所述控制系统根据所述传感器的输入来控制所述致动系统，将所述管道内检测车设置处于最大尺寸状态和减小尺寸状态之一，以及处于快速状态、慢速状态、停止状态和后退状态之一。

可选地，所述管道内检测车被配置成能够响应于管道壁施加在所述托架上的压缩力而收缩。

可选地，所述管道内检测车还包括连接至所述后部车身且围绕所述后部车身设置的多个支撑臂和多个后部定位滚轮，各后部定位滚轮通过一支撑臂连接至所述后部车身，所述支撑臂和后部定位滚轮具有径向伸展状态和径向收缩状态。

附图说明

图1A和图1B示出了在管道内的管道内检测车，其中图1A示出了管道内检测车的侧视图，图1B示出了管道内检测车的前视图。

图2示出了用于有限控制状态集的自适应模式。

图3A示出了管道内检测车的优选实施例，图中该检测车处于最大尺寸状态。

图3B-3D展示出了图3A中的驱动叶轮的优选实施例，图中该驱动叶轮处于其在碟形形状和最大尺寸状态。

图4A示出了管道内检测车的一个示例性实施例，图4B示出了管道内检测车的另一个示例性实施例。

图4C-4H示出了自适应驱动叶轮从碟形形状的最大尺寸状态收缩到具有碟形形状的较小状态的一个优选实施例，其中图4C和4D示出了自适应驱动叶轮从具有碟形形状的最大尺寸状态收缩到具有碟形形状的较小状态的整体视图，图4E和4F分别示出了图4C和4D的一部分(带一个叶片)，图4G和4H分别是从图4E和4F的上方观察的示图。

图5A-5B展示了齿轮离合器的基本构成，其包括主动大齿轮和围绕主动大齿轮的外周均匀分布的多个从动小齿轮。

图5C示出了采用图5A和5B的尺寸控制系统的叶轮的局部视图。

图6A-6B示出了自适应驱动叶轮的慢速行驶状态的一个示例性实施例。

图7A-7C示出了自适应驱动叶轮的停止状态的一个示例性实施例，其中图7A是叶轮的前视图，图7B是叶轮的俯视图，图7C是叶轮的三维视图。

图8A-8B示出了自适应驱动叶轮的后退状态801的的一个示例性实施例。

图9A-9J示出了用于检查装置托架的三种基本设计类型的示例性实施范例，其中图9A是检测车的视图，图9B-9D是配置一个滚轮的车架的视图，图9E-9G是配置两个小滚轮的车架的视图，图9H-9J是配置两个大滚轮的车架。

图10示出了具有自适应系统结构的管道在线内检测车的智能自适应控制系统的示例性实施例。

具体实施方式

本文使用词语“示范”或“实施例”来表示“用作示例，实例或说明”。本文中描述为“示范”或“实施例”的任何实现或方面不一定是被解释为比本公开的其他方面优选或有利。同样地，术语“方面”不要求本文公开的所有方面包括所讨论的特征，优点或操作模式。显然，可自动调节的自行驱动在线检测车可以解决这些挑战。

现在将参考附图详细描述实施范例。在以下描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本文描述的各方面的理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些特定组件中的一些或全部或具有替代组件的情况下实践这些和其他方面。另外，为了不使本文公开的方面模糊，可以省略在此呈现的过程方法中的公知步骤。类似地，可以从本文给出的附图和描述中省略设备中众所周知的组件，以免模糊本公开的各方面。

管道完整性管理项目的基本原则是管道运营商应该充分地了解自己的管道系统，特别是管道系统面对的威胁和风险，及如何系统地管理这些风险。ASME B31.8S“天然气管道系统完整性管理”是通过ANSI共识标准流程创建的工程标准，用于管理天然气输送管道系统的完整性。B31.8S标准认可三种评估方法：压力测试、在线检测和直接评估。此外，该标准还规定了允许“其他”方法，只要它们被证明可以达到预期的效果，以此来鼓励创新、研究和开发新技术以及持续不断的改进。

管道的结构完整性通常通过使用管道内检测工具来确定，该管道内检测工具测量管壁的状况及其根据所发现的金属损失、裂缝或其他缺陷的重要性和相关工程原理来计算出管道的剩余强度。

在管道内检测方面,已有许多技术和物理原理来进行检测、测量缺陷的大小。磁通量泄漏测试是最常用于测量来自气体和液体产品管道壁的显著金属损失的方法。相比之下，超声波的主要用途是测量管壁材料中的裂缝，但通常仅限于液体产品管道，因为对于传统的超声换能器，需要液体将超声波导入管壁。EMAT技术是直接在管壁上激发超声波的一种方式，并且不需要液体将声音从换能器传送到管道壁中。

然而，目前各种管道在线内检测仪器仍然依靠管道本身运载的产品运行压力作为推动其前进的运行动力；而且基于漏磁(MFL)测试，超声波测试，电磁声换能器(EMAT)的在线检测技术都和管道SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统完全分立、互不搭界。

2018年4月2日提交的题为“管道智化能数据采集系统和方法”的美国专利US62651520试图沿管道路径建立高质量，高精度的连续压力、流量和温度分布。它引入了具有智能自适应和自动调节功能的在线机器人探测器，以收集更可靠的数据，与SCADA系统共享，有效地改善泄漏预测和检测，准确确定泄漏位置，包括微小的渗漏。

在2019年1月10日提交的名为“管道检测器的可再生动力系统和方法”美国临时专利申请No.62/790,971，介绍描述了这种可再生动力系统和方法完全适用于具有自适应控制和自推进功能的智能在线检测仪器,以解决运行、操作及控制中电力供应不足的难题。

作为构建各种管道在线内检测工具和智能在线数据采集设备的通用骨架平台，这种具有自动调控、自适应结构、自我推进功能和可再生动力系统的在线检测车在建立管道综合检测体系上发挥关键作用，它可以克服前文所述传统管道内检测技术所无法克服的种种困难、约束和限制，顺利穿过障碍物和几何约束，来收集整个管道各部分的完整数据,将所有主要类型的管道检测技术汇集成基于风险的、更全面、高效的方法。此外，它可以通过携带智能化数据采集设备对管道进行虚拟压力测试，以实现管道完整性管理与SCADA监控系统相融合,促进管道监控管理智能化水平的提高。

图1A和图1B示出了在管道101内的管道内检测车102，管道内检测车102是一种自适应系统结构在线检测车，其中图1A示出了管道内检测车102的侧视图，图1B示出了管道内检测车102的前视图。如图1B所示，检测车102在圆周方向上配有从检测车车身径向向外延伸的多个承载架103，各承载架103径向外端连接有检查装置托架104，各检查装置托架104上设置有定位滚轮105。如图1B所示，各检查装置托架104基本等间距地间隔开，大体在圆周方向上覆盖管道101整个内壁。

图2示出了用于有限控制状态集的自适应模式。模式的初始状态起自状态201。在正常情况下，管壁没有变形，管道中没有障碍物，管道中也没有发现异常情况，“设置为最大尺寸状态”202为“是”，则执行方框203、204、205、206；即：前端和后端自适应驱动叶轮处于最大尺寸状态和碟形形状203、206；所有配有滚轮和检测装置车的前承载架都处于最大尺寸状态204；所有后部定位滚轮都处于最大尺寸状态205。这是管道内检测所期望的理想运行状态。在没有异常情况时，系统就保持这种状态运行，依靠运载介质的压力或流动力为推动力向前移动。最大尺寸状态在图3A-3D中做进一步描述。一旦管道中发现异常情况，“设置为最大尺寸状态”202为“否”，系统将要根据具体情况来调整系统的设置状态。当管壁出现变形、凹陷或存在障碍物时，管道内检测工具就会受阻，甚至会发生碰撞和损伤，因此需要装备传感器来及时探测出障碍或变形，来决定适时调整系统运行状态。

如果“变形/受阻”状态207为“是”，则执行方框208、209。所有配有滚轮和装置车的前承载架以及驱动叶轮需要进入“收缩”状态208并调节到合适的尺度，所有后滚轮和后驱动叶轮也需要进入“收缩”状态209并调节到合适的尺度。收缩状态208、209在图4A和图4B中做进一步描述。

针对变形、受阻、或异常情况，系统有时要放缓运行速度对管道进行较为详细的检测，则在“变形/受阻”收缩状态207为“是”的情况下，“慢速行驶”状态210也为“是”。

当管道内检测工具顺利通过变形或障碍物之后，“变形/受阻”状态207为“否”。如果系统不需要再放缓运行速度对管道进行较为详细的检测，系统通常回归到正常运行状态即“设置为最大尺寸状态”202为“是”。

当“慢速行驶”状态210为“是”，则执行方框211、212。即，前驱动叶轮叶片都被调节为处于锐角状态211下，并且所有后驱动叶轮叶片也被调节为处于锐角状态212下。无论系统处于“设置为最大尺寸状态”202还是“变形/受阻”收缩状态207，根据检测对象、位置和任务的需要，系统有时要放缓运行速度对管道进行较为详细的检测。这种情况在图6做进一步描述。在“慢速行驶”状态结束时，“慢速行驶”状态210为“否”，控制状态通常回归到正常运行状态即“设置为最大尺寸状态”202为“是”，或者根据检测任务的进一步需要而转到“停止”状态213为“是”。

当“停止”状态213为“是”，则执行方框214、215。即，所有前驱动叶轮叶片需要被调节为处于直角状态214下，并且所有后驱动叶轮叶片也需要被调节到处于直角状态214下。这种情况在图7中做进一步描述。对于重要的探测位置或者疑似异常状况，系统可能会要求管道内检测仪器停止向前推进，对管道进行重点详细检查，搜集更多的数据。

如果探测位置没有找准，根据探测和收集到数据分析结果或者需要管道内检测仪器向后移动，则“停止”状态213为“否”，“向后行驶”状态216为“是”。

如果重点详细检查完成，但仍要保持缓慢的运行速度，对管道进行较为详细的检测，则“停止”状态213为“否”，控制状态可以改变回“慢速驾驶”状态210为“是”。

如果重点详细检查完成，不再需要对管道进行较为详细的检测，则“停止”状态213为“否”，控制状态可以回归到正常运行状态即“设置为最大尺寸状态”202为“是”。

当“向后行驶”状态216为“是”，则执行方框217、218，即，需要将所有前驱动叶轮叶片调节到钝角状态217，并且还将所有后驱动叶轮叶片调节到钝角状态218。在图8中进一步描述。

如果经过向后行驶，系统已经找准重点探测位置，并准备停下来开始对管道进行重点详细检查，“向后行驶”状态216结束，则“向后行驶”状态216为“否”，并且“停止”状态213为“是”。

如果在向后行驶中，系统已经完成对管道进行重点详细检查，则“向后行驶”状态216为“否”，“向后行驶”状态216结束，控制状态可以回归到正常运行状态，即“设置为最大尺寸状态”202为“是”。

图3A示出了管道内检测车(自适应系统结构在线检测车)的优选实施例，图中该检测车处于最大尺寸状态。检测车包括头部301、前部车身和后部车身315，其中头部301安装在前部车身的前端，后部车身315活动连接到前部车身的后端。

头部301可以是检查设备容器，其中携带有(高级)传感器或数字射线照相机或导波超声成像测试仪(GWUT)。

检测车的前部车身包括固定基座302和可相对于固定基座302轴向伸缩的可动基座303。在可选实施例中，固定基座302和可动基座303是一对内外筒式结构。可动基座303由致动器310致动，以在检测车的轴向方向上向前或向后移动，以调节承载架的状态。

如图所示，承载架连接至检测车的前部车身，并从前部车身径向向外延伸。承载架基本上由主支柱304和辅助支柱306组成。辅助支柱306的上端通过铰接部(例如轴承305)共同连接到主支柱304的中部，辅助支柱306的底部是由滑轨轨道307保持的滚子，辅助支柱306通过滑轨轨道307连接到固定基座302。主支柱304的下端通过铰接部(例如轴承)共同连接至可动基座303。主支柱304的上部是叉状结构以支撑检查装置托架308，主支柱304的叉状上部通过铰接部(例如轴承)连接至检查装置托架308。安装在检查装置托架308上的定位滚轮309通过与管道内壁的相互作用而引导检测车平稳运动。

如图所示，检测车还包括可调节的前驱动叶轮313和可调节的后驱动叶轮320，以及通过转向轴312控制可调节的前驱动叶轮313的致动器311和通过转向轴319控制可调节的后驱动叶轮32的致动器318。

前部车身和后部车身315通过其间的万向节314连接，万向节314像臀部或手腕一样工作，以使检测车适合于不同形状的管道。检测车还包括从后部车身315向外延伸的支撑臂(支柱)316和在支撑臂(支柱)316的外端的后部定位滚轮317。后部定位滚轮317和支撑臂(支柱)316在运行中的可以像前端支承架和定位滚轮一样进行调节和工作。

图3B-3D展示出了图3A中的驱动叶轮313、320的优选实施例，图中该驱动叶轮处于其在碟形形状和最大尺寸状态331。图3C示出了图3B中的一个叶轮叶片。每个叶轮叶片具有三个部分：叶片本体335、中间部分334和支柱333，其中支柱333连接到机轴332(例如插进机轴332)。支柱333可以围绕其纵轴线相对于机轴332旋转至不同的角度，从而带动叶片本体335相对于机轴332处于不同的角度。支柱333相对于机轴332旋转的机理在图5中示出并在下文中更详细说明。图3D是从图3C的叶轮叶片335的上方自上而下观察的俯视图。

图3D中，如果机轴332的纵轴线被认为是纵坐标轴，则每个叶轮叶片321与横坐标轴相重合-即在0°处。也就是说，每个叶轮叶片321与垂直于机轴332的纵轴线的平面所成的角度为0°。

图4A示出了管道内检测车(自适应系统结构在线检测车)的一个示例性实施例4101，图4B示出了管道内检测车的另一个示例性实施例4102。图4A和图4B中的检测车均处于收缩状态。图4A的实施例和图4B的实施例的区别在于承载架的方向配置不同，其中图4A示出了向后设置的承载架，而图4B示出了向前设置的承载架。如图所示，在图4A和4B中，前后驱动叶轮409也处于收缩状态，后部定位滚轮410也处于收缩状态。

在图4A和4B所示的检测车中，致动器408推动可动基座401相对于固定基座406向前移动，并且主支柱402跟随可动基座401向前移动，然后通过铰接部(关节轴承403)将运动传递到辅助支柱404。辅助支柱404底部的滚珠沿著轨道407向后移动，使得承载架利用四杆机构原理在径向方向上保持收缩，并且检查装置托架405也跟随承载架在径向方向上收缩。四杆机构运动的源动力来自致动器408施加在可动基座401上的向前推力或向后拉力；然后，通过可动基座401带动主支柱402径向收缩或扩张，主支柱402通过关节轴承403将动力传递给辅助支柱404；如果可动基座401保持相对静止，则四杆机构也跟随可动基座401保持相对静止。主支柱402的Y形结构和其上端与检查装置托架405的双轴链接可以保持检查装置托架405在运行中保持相对水平而不倾斜，即，平行于检测车的纵轴线。

图4B示出了处于收缩状态的承载架的反向配置设置。辅助支柱412的底部通过轴承411共同连接到前部车身的可动基座401，并且主支柱414底部的滚珠416沿轨道407可移动。当可动基座401被推动向前滑动时，辅助支柱412向前跟随可动部分401移动，然后通过关节轴承413将运动传递到主支柱414，使主支柱414底部的滚珠416沿轨道407向后移动，从而承载架和检查装置托架415也跟随四杆机构向车身处于径向收缩状态。如图所示，图4B的承载架和检查装置托架415在收缩状态处于前向方向，其与图4A的收缩状态的后向方向处于相反方向。两种相反配置的组合可以使检查装置推车沿着管道轴线不同方向进行收缩，避免了相邻检测车的检查装置托架在进入收缩状态的过程中因半径的减小而在相同的径向位置相遇而发生挤压和碰撞。

图4C-4H示出了自适应驱动叶轮从碟形形状的最大尺寸状态收缩到具有碟形形状的较小状态的一个优选实施例，其中图4C和4D示出了自适应驱动叶轮从具有碟形形状的最大尺寸状态收缩到具有碟形形状的较小状态的整体视图，图4E和4F分别示出了图4C和4D的一部分(带一个叶片)，图4G和4H分别是从图4E和4F的上方观察的示图。

如图所示，在图4C、4E和4G中，每个叶轮叶片431处于向径向外延伸状态，且垂直于机轴432，与横坐标轴相重合-即位于0°。也就是说，每个叶轮叶片431与垂直于机轴432的纵轴线的平面所成的角度为0°。在图4D、4F和4H中，叶轮叶片431处于径向收缩状态。为了避免收缩状态的叶轮叶片431之间的相互干涉，每个叶轮叶片431相对于图4C、4E和4G的角度旋转一个小角度，例如1-2°，即，其与垂直于机轴432的纵轴线的平面所成的角度为1-2°，如图4H清楚所示。

如图4C-4H所示，每个叶轮叶片具有三个部分：叶片本体431、中间部分434和支柱433。这些部件的相对位置可以进行调整，以使叶片处于径向伸展状态或径向收缩状态，并相应地改变驱动叶轮的尺寸。当收缩时，三个部件的相对位置有序地进行调节以保持收缩。首先每个叶片本体431随支柱433顺时针稍微转动，形成与横坐标轴倾斜约1-2°或更大的角度，不再与机轴432保持垂直，仍然保持碟轮形状，每个叶轮叶片通过轻微倾斜而相叠合。叶轮叶片三部分的相对收缩或者伸展可通过不同的机制实现，其中一个可选方案是中心拉杆和弹簧：拉杆拉动叶片和弹簧同时收缩；拉杆放松则弹簧推动叶片扩张。

在驱动叶轮的机轴432内，设置有齿轮控制系统，其控制机理是通过一对多主从直角锥齿轮离合器来实现。图5A-5B展示了齿轮离合器的基本构成，其包括主动大齿轮501和围绕主动大齿轮的外周均匀分布的多个从动小齿轮。该系统实际上通过主齿轮来控制了叶轮叶片的旋转幅度来保证叶片相对机轴的倾斜角度。

图5C示出了采用图5A和5B的尺寸控制系统的叶轮的局部视图，其中图5C的机轴532与图4B的机轴432相对应，它类似于驱动叶轮机轴管的外层，每个叶轮叶片的支柱504插在机轴管外层的孔洞里，来实现均匀分布定位。在每个叶轮叶片的支柱504的底部，安装有从动小齿轮502，驱动叶轮的内轴505安装有主动大齿轮501。

在通常工作状态下，每个从动小齿轮502与主动大齿轮501保持一定距离并且不彼此啮合，如图5A所示。当叶轮叶片需要以一定程度旋转时，主动大齿轮501与所有从动小齿轮502啮合，如图5B所示，并带动叶轮叶片的旋转。

图6A-6B示出了自适应驱动叶轮的慢速行驶状态601的一个示例性实施例。叶轮叶片603从垂直于机轴602的初始位置(图4G所示的叶片位置)顺时针旋转，转至与横坐标轴成45°倾斜，如图所示。在图6A-6B所示的优选实施例中，在慢速行驶状态的叶轮叶片603的旋转角度为45°，然而本发明不限于此，在慢速行驶状态的叶轮叶片603的旋转角度可以是其它合适的角度，例如30-60°。

图7A-7C示出了自适应驱动叶轮的停止状态的一个示例性实施例，其中图7A是叶轮的前视图，图7B是叶轮的俯视图(为清楚起见，仅示出一个叶片)，图7C是叶轮的三维视图。叶轮叶片704从垂直于涡轮机叶轮轴703的初始位置(图4G所示的叶片位置)顺时针旋转90°以垂直于横坐标轴，并且与驱动机轮的轮轴703相平行。

图8A-8B示出了自适应驱动叶轮的后退状态801的的一个示例性实施例。叶轮叶片803从垂直于涡轮机叶轮轴802的初始位置(图4G所示的叶片位置)顺时针旋转至与横坐标轴成135°，并且远离驱动机叶轮的轮轴802。根据实验测试结果，驱动叶轮向后运动最有效的叶轮叶片角度应该在与横坐标成钝角大于150°的某个位置。管道中的介质如天然气沿管道轴向压力输送，其轴向压力推动钝角状态的叶轮叶片反转，即可实现探测工具后退。如果叶轮通过反转而形成的后退力不足以克服相对输送介质如天然气的向前推力，一个可选方案便是为机轴配置动力电机，加快其叶轮旋转速度，以形成更大的后退力，可实现探测工具后退。

图9A-9J示出了用于检查装置托架的三种基本设计类型的示例性实施范例，其中图9A是检测车的视图，图9B-9D是配置一个滚轮的车架的视图，其中图9B是俯视图，图9C-9D是侧视图，图9E-9G是配置两个小滚轮的车架的视图，其中图9E是俯视图，图9F-9G是侧视图，图9H-9J是配置两个大滚轮的车架，其中图9H是俯视图，图9I-9J是侧视图。

图9A所示的管道内检测车910是一个示例性实施例，示出了可调节的承载架如何支撑配置两个大滚轮的检查装置托架911。检查装置托架911上安装有多个传感器/换能器探测组件，其中前端传感器912可以是几何变化/径向位移探测传感器；耦合磁铁913、915和传感器914可用于磁通量泄漏(MFL)测试；传感器916可以是压力测试或其它探测传感器。

图10示出了管道内检测车(自适应系统结构在线检测车)的智能自适应控制系统的示例性实施例。计算机及其操作系统1001支持自适应控制模块，该自适应控制模块可称为自适应控制器1002的定制程序。图2中所展示的有限控制状态集的自适应模式包在自适应控制器1002中运用非确定工作环境下的自调节控制机制的复杂算法来实现。根据马尔科夫决策过程主要方法及动态规划理论，引入强化学习法，通过采用在线规划、分层规划、蒙特卡洛仿真等可以获得精准的自适应求解算法，以此得出状态、位置参数。

智能控制回路基于电路板上传感器的反馈，以确定不同部件的精确自适应状态，计算控制命令和指令，然后协调地发送给执行器：前端执行器1003、承载架执行器1004、前轮执行器1005和前轮离合器和齿轮执行器1006、后轮离合器和齿轮执行器1007、后轮执行器1008和后臂执行器1009。各个执行器根据自调节控制机制的智能算法得出的指令、参数来执行诸如收缩、扩张、减速、停止、后退等运动，不仅实现图2中五种基本控制状态以及状态之间的转换，而且帮助管道内检测车结构针对不同环境和检测任务实现自适应操作，从而智能化、集成化、完整高效地完成不同数据的采集。

在实际情况中，该管道内检测车(自适应系统结构在线检测车)的专用检查工具应该存在更多运行控制的子状态，其从图2中的有限控制状态集可以导出的不同参数配置。因此，反馈回路和智能控制回路有机地协同工作，以实现精确导航和自我调节控制的机制。

在可选实施例中，所述管道内检测车具有最大尺寸状态和减小尺寸状态，快速状态、慢速状态、停止状态和后退状态。在最大尺寸状态，承载架、前驱动叶轮和后驱动叶轮的叶片均处于径向伸展状态；在减小尺寸状态，承载架、前驱动叶轮和后驱动叶轮的叶片均处于径向收缩状态。在快速状态，前驱动叶轮和后驱动叶轮的叶片主体处于与所述机轴基本相垂直的初始角度位置；在慢速状态，前驱动叶轮和后驱动叶轮的叶片主体相对于所述初始角度位置成锐角；在停止状态，前驱动叶轮和后驱动叶轮的叶片主体相对于所述初始角度位置成直角；在后退状态，前驱动叶轮和后驱动叶轮的叶片主体相对于初始角度位置成钝角。

在可选实施例中，管道内检测车包括控制系统和致动系统，其中所述控制系统根据所述传感器的输入来控制所述致动系统。例如，控制系统根据传感器的输入来判断管壁有没有变形，管道中有没有障碍物，管道中也没有发现异常情况需要检测等。在可选实施例中，当控制系统根据传感器的输入判断管道内没有变形或者障碍物时，将检测车设置为最大尺寸状态，反之，将检测车设置成减小尺寸状态。在可选实施例中，当控制系统判定管道内一切正常时，将检测车设置成快速状态；当控制系统判定管道内有变形或障碍物，或者管道有异常情况需要检查时，将检测车设置成慢速状态；当控制系统判定管道内有异常情况需要重点检查时，可以将检测车设置成停止状态；当控制系统判定需要检测车后退进行检查时，可以将检测车设置成后退状态。

可再生电力系统1010还向该管道内检测车的所有自适应系统结构操作运行环节以及设置在检查装置托架的顶部的所有探测和测试应用进行供电，并且所有探测和测试应用都建立在该车架的顶部，以满足在线检测车的所有电力需求，进而有助于提高检测工具的可靠性和适应性。

以上所述，仅为为了说明本发明的原理而采用的示例性实施例，并非用于限定本发明的保护范围。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也在本发明的保护范围内。

Claims (24)

1.一种管道内检测车，所述管道内检测车包括：

车身；

连接至所述车身且从所述车身径向向外延伸的多个承载架；

设置在所述承载架的径向外端的托架；

设置在所述车身和/或所述托架上的一个或多个传感器；

连接至所述车身的驱动装置，

其中所述承载架具有径向伸展状态和径向收缩状态，与所述径向收缩状态相比，处于所述径向伸展状态的所述承载架的径向尺寸更大，其中所述驱动装置包括驱动叶轮，所述驱动叶轮包括机轴和从所述机轴径向向外延伸的多个叶片，所述机轴上安装有驱动齿轮，各所述叶片的底部安装有从动齿轮，所述驱动齿轮和所述从动齿轮具有啮合位置，在所述啮合位置，所述驱动齿轮的旋转带动所述从动齿轮旋转，使所述叶片围绕所述叶片的纵轴线旋转，所述叶片围绕所述叶片的纵轴线旋转使得所述叶片相对于所述机轴能处于基本垂直的初始角度位置、相对于所述初始角度位置的锐角角度位置、相对于所述初始角度位置的直角角度位置和相对于所述初始角度位置的钝角角度位置。

2.根据权利要求1所述的管道内检测车，其中所述承载架包括主支柱和辅助支柱，所述主支柱的径向内端连接至所述车身，所述主支柱的径向外端连接至所述托架，所述辅助支柱的径向内端连接至所述车身，所述辅助支柱的径向外端铰接至所述主支柱的中部位置，所述主支柱和所述辅助支柱至少之一的下端沿着所述车身的纵向方向可移动。

3.根据权利要求2所述的管道内检测车，其中所述车身包括外筒和从所述外筒的前端伸出且相对于所述外筒可伸缩的内筒，所述主支柱和所述辅助支柱之一的径向内端连接至所述外筒，所述主支柱和所述辅助支柱的另一个的径向内端铰接至所述内筒。

4.根据权利要求3所述的管道内检测车，其中所述主支柱和所述辅助支柱之一的径向内端设置有滚轮，所述滚轮在固定于所述外筒的轨道上可滑动。

5.根据权利要求4所述的管道内检测车，其中在所述径向收缩状态，所述内筒相对于所述外筒伸出，在所述径向伸展状态，所述内筒相对于所述外筒缩回。

6.根据权利要求5所述的管道内检测车，其中在所述径向伸展状态，所述滚轮位于所述轨道的前部，在所述径向收缩状态，所述滚轮位于所述轨道的后部。

7.根据权利要求1所述的管道内检测车，其中所述多个承载架围绕所述车身在周向上等间距地间隔开布置。

8.根据权利要求1所述的管道内检测车，其中所述车身的前端设置有传感器。

9.根据权利要求8所述的管道内检测车，其中所述车身的前端的传感器是射线照相机或导波超声成像仪。

10.根据权利要求1所述的管道内检测车，其中所述托架上设置有传感器。

11.根据权利要求10所述的管道内检测车，其中所述托架上的传感器包括以下中的一个或多个：径向位移探测传感器、磁通量泄漏测试仪、压力测试传感器、超声波传感器。

12.根据权利要求1所述的管道内检测车，其中各所述托架上设置有被配置成与管道内壁相互作用的一个或多个定位滚轮。

13.根据权利要求1所述的管道内检测车，其中各所述叶片具有径向伸展状态和径向收缩状态。

14. 根据权利要求13所述的管道内检测车， 其中所述叶片包括叶片主体、中间支撑部分和底部支柱，所述叶片主体、中间支撑部分和底部支柱之间能相对伸缩，以实现所述叶片的径向伸展状态或径向收缩状态。

15.根据权利要求1所述的管道内检测车，其中所述车身为前部车身，并且所述管道内检测车还包括与所述前部车身铰接的后部车身。

16.根据权利要求15所述的管道内检测车，其中所述驱动叶轮是前驱动叶轮，并且所述管道内检测车还包括连接至所述后部车身的后驱动叶轮。

17.根据权利要求16所述的管道内检测车，其中，所述后驱动叶轮包括机轴和从所述机轴径向向外延伸的多个叶片，所述机轴上安装有后驱动齿轮，所述后驱动叶轮的各所述叶片的底部安装有后从动齿轮，所述后驱动齿轮和所述后从动齿轮具有啮合位置，在所述啮合位置，所述后驱动齿轮的旋转带动所述后从动齿轮旋转，使所述后驱动叶轮的所述叶片围绕其叶片纵轴线旋转，且所述后驱动叶轮的各所述叶片具有径向伸展状态和径向收缩状态。

18.根据权利要求17所述的管道内检测车，其中所述管道内检测车具有最大尺寸状态和减小尺寸状态，快速状态、慢速状态、停止状态和后退状态，在所述最大尺寸状态，所述承载架处于径向伸展状态，所述前驱动叶轮和所述后驱动叶轮的所述叶片处于径向伸展状态；在所述减小尺寸状态，所述承载架处于径向收缩状态，所述前驱动叶轮和所述后驱动叶轮的所述叶片处于径向收缩状态；在所述快速状态，所述前驱动叶轮和所述后驱动叶轮的所述叶片主体处于与所述机轴基本相垂直的初始角度位置；在所述慢速状态，所述前驱动叶轮和所述后驱动叶轮的所述叶片主体相对于所述初始角度位置处于锐角角度位置；在所述停止状态，所述前驱动叶轮和所述后驱动叶轮的所述叶片主体相对于所述初始角度位置处于直角角度位置；在所述后退状态，所述前驱动叶轮和所述后驱动叶轮的所述叶片主体相对于所述初始角度位置处于钝角角度位置。

19.根据权利要求18所述的管道内检测车，还包括控制系统和致动系统，其中所述控制系统根据所述传感器的输入来控制所述致动系统，将所述管道内检测车设置处于最大尺寸状态和减小尺寸状态之一，以及处于快速状态、慢速状态、停止状态和后退状态之一。

20.根据权利要求18所述的管道内检测车，其中所述管道内检测车被配置成能够响应于管道壁施加在所述托架上的压缩力而收缩。

21.根据权利要求17所述的管道内检测车，还包括连接至所述后部车身且围绕所述后部车身设置的多个支撑臂和多个后部定位滚轮，各后部定位滚轮通过一支撑臂连接至所述后部车身，所述支撑臂和后部定位滚轮具有径向伸展状态和径向收缩状态。

22.根据权利要求1所述的管道内检测车，其中所述管道内检测车包括向所述机轴上的驱动齿轮和所述承载架提供驱动力的致动系统，所述致动系统的电力来自可再生电力系统。

23.根据权利要求22所述的管道内检测车，其中所述驱动叶轮的动力来源包括所述致动系统和管道所运载的介质的压力或流动力。

24.根据权利要求1所述的管道内检测车，其中所述管道内检测车包括对所述驱动叶轮的运行以及所述承载架的移动进行控制的自适应控制器。

Images