CN112923162A - 一种长输管道改线与维抢修施工智能封堵机器人及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种长输管道改线与维抢修施工智能封堵机器人及方法，智能封堵机器人包括通流调速器、隔流机构与伸缩机构，其中通流调速器与隔流机构对称分布在装置两边。通流调速器内设有可旋转式扇形通道挡流板与通讯器，后端设有信号收发器；隔流机构内设有液压缸Ⅰ、承压台、固定卡座、卡瓦等；中间为伸缩机构，内设有液压缸Ⅱ；三者通过转向球杆连接；本发明还公开了其操作方法。本发明可实现对长输管道维抢修作业过程远程、快速、安全、精准封堵，伸缩机构配合隔流机构可在管内进行自主移动以实现精准定位，通流调速器既可以调节封堵机器人的移动速度，还可保证管壁的清洁，使其与信号收发器稳定接触，实现管内机器人与远程监控机的稳定通讯。

Description

一种长输管道改线与维抢修施工智能封堵机器人及方法
技术领域
本发明涉及一种管道维抢修工具，特别涉及一种长输管道改线与维抢修施工智能封堵机器人及方法。
背景技术
油气能源仍然是世界上各个国家战略性能源储备的必要能源之一，随着人民的生活水平有着明显的提高，同时社会对能源的需求也在不断的增加，而油气的输送则是生产中必不可少的步骤，面对长输油气管道长时间在外界环境中受到各种不确定因素或人为破环原因导致的失效问题，长输油气管道的维修与保养至关重要。在长输油气管道的维修作业中，面对管道的局部破损与毁坏，则需对此破坏段进行替换，保证油气的正常输送，减少油气资源的损失。
在对长输油气管道维抢修过程中，需要更换受损管道段，首先是在管道段的两端实行封堵，现有的封堵主要方式为人工打孔再下封堵头，此种方法不仅消耗大量的人力物力，油气停输时间长，打孔还损坏了管道，造成严重的经济损失。
然而，通过管道智能封堵机器人进行作业时，机器人在管内运动至需维护管道段的两端，进行有效快速封堵，避免了油气停输与人工打孔，提高了管道的维抢修效率。现有管道封堵机器人只能依靠管内油气带动移动，不能进行完全精确的定位，会产生位移偏差，影响后期修复作业；其通讯方式操作复杂，成本高；封堵机器人在管内的速度控制方式复杂，不易调节。
为了主要解决现有长输管道中封堵机器人所存在的精确定位问题，减少管道维抢修过程中的维修时间，则需要发明一种长输管道改线与维抢修施工智能封堵机器人及方法，从而实现长输油气管道封堵过程的准确定位、稳定可控、坐封与解封命令响应迅速、作用点与目标点距离偏差小，以提高长输油气管道的修复工作效率，同时提高封堵锚定的稳定性与可靠性。
发明内容
（一）解决的技术问题
本发明的目的在于：针对现有油气输送管道封堵工具所存在的问题与需求，提供一种长输管道改线与维抢修施工智能封堵机器人及方法，其通讯方式解决了控制中心远程控制封堵机器人响应速度慢或不稳定的问题，配合伸缩机构和隔流机构实现了封堵机器人在管道中的精准定位；通流调速器不仅可以清理管壁，保证了信号收发器与管壁可以保持畅通连接，还可以控制油气过流量大小从而保证了封堵机器人在管内的速度可调节。
（二）技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种长输管道改线与维抢修施工智能封堵机器人及方法，其特征在于：智能封堵机器人包括通流调速器、隔流机构与伸缩机构，其中通流调速器与隔流机构均为两个，且对称分布在伸缩机构两边。
所述的隔流机构位于机器人内侧两边，包括液压缸Ⅰ、活塞Ⅰ、活塞杆Ⅰ、承压台、固定卡座、减震滚轮、周向锁定卡瓦、密封橡胶圈与锥形座，其中液压缸Ⅰ与活塞Ⅰ位于隔流机构内中部，活塞Ⅰ通过螺帽连接承压台，液压缸Ⅰ固定在固定卡座上，固定卡座侧面外壳体内壁紧密贴合承压台侧面外壳体的外壁，固定卡座径向的外部分布有密封橡胶圈、锥形座、周向锁定卡瓦与减震滚轮。
所述的通流调速器位于机器人最外端，包括皮碗、通流调速器外壳、导流头、信号收发器、三瓣扇形过流器、挡流板、电机Ⅰ、电池和通讯器。皮碗共两个，胶质材料，通过螺栓固定在通流调速器外壳两端；三瓣扇形过流器通过螺钉与通流调速器外壳固定，三瓣扇形过流器中心设有空间用来安装电机Ⅰ、电池和通讯器，在其外环设有间隙的三瓣扇形通道；三瓣扇形过流器后端装有可旋转的挡流板，挡流板同样为三瓣扇形结构，中心与电机Ⅰ连接；三瓣扇形过流器前端装有导流头，其为半椭球状，前尖后宽，导流头内部台阶深入三瓣扇形过流器内部密封接触；通流调速器后端装有信号收发器。
所述的伸缩机构位于机器人中间，包括三位四通电磁阀、蓄能器底座、蓄能器、隔板Ⅰ、隔板Ⅱ、电机Ⅱ、微型液压泵底座、微型液压泵、储油缸、伸缩机构液压缸盖、液压缸Ⅱ、活塞Ⅱ、PLC控制器、二位二通电磁阀、伸缩机构上盖、伸缩机构下盖、外罩Ⅰ、外罩Ⅱ、外罩Ⅲ。伸缩机构与通流调速器及隔流机构三者之间通过转向球杆与螺旋管线连接。
所述的周向锁定卡瓦分布在隔流机构外部，各周向锁定卡瓦之间夹角为45°，共8个，卡瓦与连接杆、连接杆与固定卡座连接方式为销连接，卡瓦下端面为圆弧锥形面，上端面牙齿截面形状为锯齿形，卡瓦沿锥形座移动时，连接卡瓦一端处的连接杆与卡瓦一起径向扩张移动，连接承压台一端处的连接杆向锥形座方向相对移动；当卡瓦收回时，连接杆上的拉力辅助卡瓦进行回位运动。
所述的信号收发器为圆形网状结构，均匀密集交替分布有天线，天线为弹性结构，内部通有线缆，顶部设有连接片，信号收发器中心部位为信号集成装置，与连接片通过线缆连接，同时信号集成装置通过线缆与通讯器连接。
所述的用于智能封堵机器人管内封堵方法，在进行管道封堵时需要两个相同的机器人配合工作，且工作程序可分为地面准备、下放定位、锚定封堵、起锚回收四个阶段，步骤如下：
S1、地面准备过程中，在目的管段两端位置外壁设置一级信号收发装置，同时调试好远程监控机；
S2、下放定位过程中，先后从外部井口放入两个机器人，保证其在管内有足够的间隔，所述封堵机器人内的PLC控制器将工作信号传递给通讯器，经过信号转换后再通过信号收发器接触管壁传递给一级信号收发装置，经信号过滤装置再以无线信号传给二级信号收发装置最终传给远程监控机，以让外界实时监测管内封堵机器人的位置与工作状态；
S3、封堵机器人即将到达目标位置时，远程监控机的信号命令经过信号收发器传入封堵机器人内的通讯器，经过信号转换处理后传递给PLC控制器，从而控制电机与电磁阀工作，远程监控机先通过控制电机І从而控制通流调速器的挡流板旋转收回，使通道口完全过流，机器人减速，之后远程监控机通过控制电磁阀调控液压缸Ⅰ中液压油液量，从而控制活塞Ⅰ的收缩程度进而控制卡瓦的径向扩张程度，使卡瓦适当接触管壁，让机器人减速行驶，待到达机器人各自目标位置附近时停住；
S4、远程监控机控制伸缩机构与两端隔流机构通过液压缸Ⅱ和活塞Ⅱ配合动作朝目标位置运动，一次运动所设定的动作程序为：前端隔流机构卡瓦收回—伸缩机构伸长—前端隔流机构卡瓦锚定—后端隔流机构卡瓦收回—伸缩机构收缩—后端隔流机构卡瓦锚定，反复运动至机器人到达目标位置；
S5、远程监控机控制活塞Ⅰ继续运动，带动固定卡座向承压台运动挤压锥形座，由连接杆配合锥形座推出卡瓦完全锚定卡在管壁上；
S6、封堵过程是远程监控机同时对两个机器人下达封堵命令，机器人的液压缸Ⅰ带动活塞Ⅰ继续运动，从而带动固定卡座继续向锥形座运动并挤压密封橡胶圈，在橡胶圈挤压作用下，实现管道内部的密封效果；
S7、起锚回收过程中，远程监控机对两个机器人下达同步起锚命令，机器人的活塞Ⅰ反向运动，密封橡胶圈和周向锁定卡瓦径向收回完成起锚动作，最后机器人随管内流体流至下一通道口回到地面。
（三）有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种长输管道改线与维抢修施工智能封堵机器人及方法，具备以下有益效果：
1、本发明所提供的一种长输管道改线与维抢修施工智能封堵机器人及方法，通过油管导电方式进行信号传输，保障了金属管外信息与金属管道内部机器人信息的稳定交互，提高了对机器人的控制精度。
2、本发明所提供的一种长输管道改线与维抢修施工智能封堵机器人及方法，其所述的通流调速器解决管道内壁清理问题的同时，可以通过控制管内介质的流通从而控制机器人的移动速度，还保证与管道内壁的信号传输。
3、本发明所提供的一种长输管道改线与维抢修施工智能封堵机器人及方法，其所述的隔流机构配合伸缩机构，实现了该机器人可在管内自主双向移动功能，从而保证了其在管内锚堵定位的准确性。
附图说明
图1为封堵机器人锚定封堵前的轴测图；
图2为封堵机器人锚定封堵前的正视图；
图3为封堵机器人锚定封堵后的正视图；
图4为封堵机器人自行走一次的流程示意图；
图5为隔流机构剖去1/4后的轴侧图；
图6为通流调速器剖去1/4后的轴侧图；
图7为通流调速器左视图；
图8为伸缩机构去掉外罩体后的内部结构示意图；
图9为信号收发器的结构示意图；
图10为封堵机器人的双向通讯示意图；
图11为封堵机器人的封堵方法流程图。
图中：1-通流调速器；101-螺栓；102-皮碗；103-螺钉；104-信号收发器；1041-天线；1042-连接片；1043-信号集成装置；105-导流头；1051-导流头内部台阶；106-通流调速器外壳；107-三瓣扇形过流器；108-电机Ⅰ；109-电池；110-挡流板；111-三瓣扇形通道；112-通讯器；2-隔流机构；201-固定卡座；2011-固定卡座侧面外壳体；202-减震滚轮；203-密封橡胶圈；204-锥形座；205-周向锁定卡瓦；2051-卡瓦；2052-连接杆；206-承压台；2061-承压台侧面外壳体；207-活塞Ⅰ；208-活塞杆Ⅰ；209-螺帽；210-液压缸Ⅰ；3-伸缩机构；301-三位四通电磁阀；302-蓄能器底座；303-蓄能器；304-隔板Ⅰ；305-电机Ⅱ；306-微型液压泵底座；307-微型液压泵；308-储油缸；309-伸缩机构液压缸盖；310-液压缸Ⅱ；311-活塞Ⅱ；312-PLC控制器；313-二位二通电磁阀；314-伸缩机构上盖；315-伸缩机构下盖；316-外罩Ⅰ；317-外罩Ⅱ；318-外罩Ⅲ；319-隔板Ⅱ；320-螺旋管线；321-转向球杆；4-信号过滤装置；5-一级信号收发装置；6-二级信号收发装置；7-远程监控机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
如图1-11所示，一种长输管道改线与维抢修施工智能封堵机器人及方法，所述的智能封堵机器人包括通流调速器（1）、隔流机构（2）与伸缩机构（3），其中通流调速器（1）与隔流机构（2）均为两个，且对称分布在伸缩机构（3）两边。
所述隔流机构（2）位于机器人内侧两边，包括液压缸Ⅰ（210）、活塞Ⅰ（207）、活塞杆Ⅰ（208）、承压台（206）、固定卡座（201）、减震滚轮（202）、周向锁定卡瓦（205）、密封橡胶圈（203）与锥形座（204），其中液压缸Ⅰ（210）与活塞Ⅰ（207）位于隔流机构（2）内中部，活塞Ⅰ（207）通过螺帽（209）连接承压台（206），液压缸Ⅰ（210）固定在固定卡座（201）上，固定卡座侧面外壳体（2011）内壁紧密贴合承压台侧面外壳体（2061）的外壁，固定卡座（201）径向的外部分布有密封橡胶圈（203）、锥形座（204）、周向锁定卡瓦（205）与减震滚轮（202）。
所述的通流调速器（1）位于机器人最外端，包括皮碗（102）、通流调速器外壳（106）、导流头（105）、信号收发器（104）、三瓣扇形过流器（107）、挡流板（110）、电机Ⅰ（108）、电池（109）和通讯器（112）。皮碗（102）共两个，胶质材料，通过螺栓（101）固定在通流调速器外壳（106）两端；三瓣扇形过流器（107）通过螺钉（103）与通流调速器外壳（106）固定，三瓣扇形过流器（107）中心设有空间用来安装电机Ⅰ（108）、电池（109）和通讯器（112），在其外环设有间隙的三瓣扇形通道（111）；三瓣扇形过流器（107）后端装有可旋转的挡流板（110），挡流板（110）同样为三瓣扇形结构，中心与电机Ⅰ（108）连接；三瓣扇形过流器（107）前端装有导流头（105），其为半椭球状，前尖后宽，导流头内部台阶（1051）深入三瓣扇形过流器（107）内部密封接触；通流调速器（1）后端装有信号收发器（104）。
所述的伸缩机构（3）位于机器人中间，包括三位四通电磁阀（301）、蓄能器底座（302）、蓄能器（303）、隔板Ⅰ（304）、隔板Ⅱ（319）、电机Ⅱ（305）、微型液压泵底座（306）、微型液压泵（307）、储油缸（308）、伸缩机构液压缸盖（309）、液压缸Ⅱ（310）、活塞Ⅱ（311）、PLC控制器（312）、二位二通电磁阀（313）、伸缩机构上盖（314）、伸缩机构下盖（315）、外罩Ⅰ（316）、外罩Ⅱ（317）、外罩Ⅲ（318）。伸缩机构（3）与通流调速器（1）及隔流机构（2）三者之间通过转向球杆（321）与螺旋管线（320）连接。
所述的周向锁定卡瓦（205）分布在隔流机构（2）外部，各周向锁定卡瓦（205）之间夹角为45°，共8个，卡瓦（2051）与连接杆（2052）、连接杆（2052）与固定卡座（201）连接方式为销连接，卡瓦（2051）下端面为圆弧锥形面，上端面牙齿截面形状为锯齿形，卡瓦（2051）沿锥形座（204）移动时，连接卡瓦（2051）一端处的连接杆（2052）与卡瓦（2051）一起径向扩张移动，连接承压台（206）一端处的连接杆（2052）与向锥形座（204）方向相对移动；当卡瓦（2051）收回时，连接杆（2052）上的拉力辅助卡瓦（2051）进行回位运动。
所述的信号收发器（104）为圆形网状结构，均匀密集交替分布有天线（1041），天线（1041）为弹性结构，内部通有线缆，顶部设有连接片（1042），信号收发器（104）中心部位为信号集成装置（1043），与连接片（1042）通过线缆连接，同时信号集成装置（1043）通过线缆与通讯器（112）连接。
所述的用于智能封堵机器人管内封堵方法，在进行管道封堵时需要两个相同的机器人配合工作，且工作程序可分为地面准备、下放定位、锚定封堵、起锚回收四个阶段，地面准备过程中，在目的管段两端位置外壁设置一级信号收发装置（5），同时调试好远程监控机（7）；下放定位过程中，先后从外部井口放入两个机器人，保证其在管内有足够的间隔，所述的下放定位过程有三个阶段，第一个阶段，远程监控机（7）先通过控制通流调速器（1）的挡流板（110）旋转，使通道口完全过流，机器人减速，第二个阶段，远程监控机（7）通过控制活塞Ⅰ（207）的收缩程度从而控制卡瓦（2051）的径向扩张程度，通过控制卡瓦（2051）适当接触管壁，使机器人减速行驶至停住，管内机器人停稳后，进入第三个阶段，远程监控机（7）控制伸缩机构（3）与两端隔流机构（2）通过液压缸Ⅱ（310）和活塞Ⅱ（311）配合动作朝目标位置运动，一次运动所设定的动作程序为：前端隔流机构卡瓦收回-伸缩机构伸长-前端隔流机构卡瓦锚定-后端隔流机构卡瓦收回-伸缩机构收缩-后端隔流机构卡瓦锚定，反复运动至机器人到达目标位置；锚定封堵过程中，机器人内部的信号收发器（104）将信号通过管壁传给一级信号收发装置（5），经信号过滤装置（4）再以无线信号传给二级信号收发装置（6）最终传给远程监控机（7），之后远程监控机（7）立刻下达锚定指令，控制机器人的活塞Ⅰ（207）带动固定卡座（201）向承压台（206）运动挤压锥形座（204），推出卡瓦（2051）作用在管道内壁完成锚定，然后远程监控机（7）同时对两个机器人下达封堵命令，机器人的液压缸Ⅰ（210）带动活塞Ⅰ（207）继续运动，从而带动固定卡座（201）继续向锥形座（204）运动并挤压密封橡胶圈（203），在橡胶圈挤压作用下，实现管道内部的封堵密封效果；起锚回收过程中，远程监控机（7）对两个机器人下达同步起锚命令，机器人的活塞Ⅰ（207）反向运动，周向锁定卡瓦（205）径向收回完成起锚动作，最后机器人随管内流体流至下一通道口回到地面。
本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种长输管道改线与维抢修施工智能封堵机器人及方法，其特征在于：智能封堵机器人包括通流调速器（1）、隔流机构（2）与伸缩机构（3），其中通流调速器（1）与隔流机构（2）均为两个，且对称分布在伸缩机构（3）两边；
隔流机构（2）位于机器人内侧两边，包括液压缸Ⅰ（210）、活塞Ⅰ（207）、活塞杆Ⅰ（208）、承压台（206）、固定卡座（201）、减震滚轮（202）、周向锁定卡瓦（205）、密封橡胶圈（203）与锥形座（204），其中液压缸Ⅰ（210）与活塞Ⅰ（207）位于隔流机构（2）内中部，活塞Ⅰ（207）通过螺帽（209）连接承压台（206），液压缸Ⅰ（210）固定在固定卡座（201）上，固定卡座侧面外壳体（2011）的内壁紧密贴合承压台侧面外壳体（2061）外壁，固定卡座（201）径向的外部分布有密封橡胶圈（203）、锥形座（204）、周向锁定卡瓦（205）与减震滚轮（202），所述的周向锁定卡瓦（205）由卡瓦（2051）与连接杆（2052）构成；
通流调速器（1）位于机器人最外端，包括皮碗（102）、通流调速器外壳（106）、导流头（105）、信号收发器（104）、三瓣扇形过流器（107）、挡流板（110）、电机Ⅰ（108）、电池（109）和通讯器（112）；皮碗（102）共两个，胶质材料，通过螺栓（101）固定在通流调速器外壳（106）两端；三瓣扇形过流器（107）通过螺钉（103）与通流调速器外壳（106）固定，三瓣扇形过流器（107）中心设有空间用来安装电机Ⅰ（108）、电池（109）和通讯器（112），在其外环设有间隙的三瓣扇形通道（111）；三瓣扇形过流器（107）后端装有可旋转的挡流板（110），挡流板（110）同样为三瓣扇形结构，中心与电机Ⅰ（108）连接；三瓣扇形过流器（107）前端装有导流头（105），其为半椭球状，前尖后宽，导流头内部台阶（1051）深入三瓣扇形过流器（107）内部密封接触；通流调速器（1）后端装有信号收发器（104）；
伸缩机构（3）位于机器人中间，包括三位四通电磁阀（301）、蓄能器底座（302）、蓄能器（303）、隔板Ⅰ（304）、隔板Ⅱ（319）、电机Ⅱ（305）、微型液压泵底座（306）、微型液压泵（307）、储油缸（308）、伸缩机构液压缸盖（309）、液压缸Ⅱ（310）、活塞Ⅱ（311）、PLC控制器（312）、二位二通电磁阀（313）、伸缩机构上盖（314）、伸缩机构下盖（315）、外罩Ⅰ（316）、外罩Ⅱ（317）、外罩Ⅲ（318）；伸缩机构（3）与通流调速器（1）及隔流机构（2）三者之间通过转向球杆（321）与螺旋管线（320）连接。
2.根据权利要求1所述的一种长输管道改线与维抢修施工智能封堵机器人及方法，其特征在于：所述的信号收发器（104）为圆形网状结构，均匀密集交替分布有天线（1041），天线（1041）为弹性结构，内部通有线缆，顶部设有连接片（1042），信号收发器（104）中心部位为信号集成装置（1043），与连接片（1042）通过线缆连通，同时信号集成装置（1043）通过线缆与通讯器（112）连通。
3.根据权利要求1-2中任意一项所述的用于智能封堵机器人管内封堵方法，其特征在于：在进行管道封堵时要两个需相同的机器人配合工作，且工作程序可分为地面准备、下放定位、锚定封堵与起锚回收四个阶段，步骤如下：
S1、地面准备过程中，在目的管段两端位置外壁设置一级信号收发装置（5），同时调试好远程监控机（7）；
S2、下放定位过程中，先后从外部井口放入两个机器人，保证其在管内有足够的间隔，所述封堵机器人内的PLC控制器（312）将工作信号传递给通讯器（112），经过信号转换后再通过信号收发器（104）接触管壁传递给一级信号收发装置（5），经信号过滤装置（4）处理后，再以无线信号传给二级信号收发装置（6）最终传给远程监控机（7），以让外界实时监测管内封堵机器人的位置与工作状态；
S3、封堵机器人即将到达目标位置时，远程监控机（7）的信号命令经过信号收发器（104）传入封堵机器人内的通讯器（112），经过信号转换处理后传递给PLC控制器（312），从而控制电机与电磁阀工作，远程监控机（7）先通过控制电机Ⅰ（108）从而控制通流调速器（1）的挡流板（110）旋转收回，使通道口完全过流，机器人减速，之后远程监控机（7）通过控制电磁阀调控液压缸Ⅰ（210）中液压油液量，从而控制活塞Ⅰ（207）的收缩程度进而控制卡瓦（2051）的径向扩张程度，使卡瓦（2051）适当接触管壁，让机器人减速行驶，待到达机器人各自目标位置附近时停住；
S4、远程监控机（7）控制伸缩机构（3）与两端隔流机构（2）通过液压缸Ⅱ（310）和活塞Ⅱ（311）配合动作朝目标位置运动，一次运动所设定的动作程序为：前端隔流机构卡瓦收回-伸缩机构伸长-前端隔流机构卡瓦锚定-后端隔流机构卡瓦收回-伸缩机构收缩-后端隔流机构卡瓦锚定，反复运动至机器人到达目标位置；
S5、远程监控机（7）控制活塞Ⅰ（207）继续运动，带动固定卡座（201）向承压台（206）运动挤压锥形座（204），由连接杆（2052）配合锥形座（204）推出卡瓦（2051）完全锚定卡在管壁上；
S6、封堵过程是远程监控机（7）同时对两个机器人下达封堵命令，机器人的液压缸Ⅰ（210）带动活塞Ⅰ（207）继续运动，从而带动固定卡座（201）继续向锥形座（204）运动并挤压密封橡胶圈（203），在橡胶圈挤压作用下，实现管道内部的密封效果；
S7、起锚回收过程中，远程监控机（7）对两个机器人下达同步起锚命令，机器人的活塞Ⅰ（207）反向运动，密封橡胶圈（203）和周向锁定卡瓦（205）径向收回完成起锚动作，最后机器人随管内流体流至下一通道口回到地面。
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