储罐底板在线检测装置及方法
技术领域
本发明涉及石油储运技术领域,特别涉及一种储罐底板在线检测装置及方法。
背景技术
在石油、石化和仓储行业使用着大量原油、成品油和危险化学品金属储罐,作为油品或化工原料的储存、生产之用。这些介质大多具有易燃、易爆和腐蚀等特性。油品储运行业具有单罐体储存容量大,罐体数量多等特点,一旦出现事故将造成重大的经济损失,影响人民群众的生命财产安全。
储罐底板是储罐中腐蚀最严重的区域,是储罐维护检测的重点区域。储罐检修通常需停止使用并清罐后,才能用漏磁、超声、涡流等检测设备进行罐底检测。对于一些大型储罐,全部操作过程可能需要数月,所需检测及停产损失费用相当高。另一方面,按现行的维护方法,付出大量费用进行清罐检查的罐体可能并不需要维修,这种情况在实际工作中经常发生,且随着近些年材料、建造、维护方法的改进,罐体的使用年限不断延长,因此定期维护虽然在一定程度上保证了罐体的安全运营,但其经济性已经严重影响到运营成本。通常情况是一些罐体在例行维修之前就已经发生了严重腐蚀,而另一些罐体在达到例行维修期时,还远没有出现有害腐蚀。
中国专利申请CN 107607465A公开了一种在役大型原油储罐底板腐蚀检测机器人,该机器人和控制系统结构复杂,采用脐带连接,由于储罐内部结构复杂,脐带将会使机器人的运动受阻,导致储罐底板许多区域无法进行有效检测,且脐带中含有电缆,将会增加检测作业时发生火灾爆炸的风险。
因此,亟需一种控制系统结构简单,在储罐不停产的状态下可对储罐底板上下表面的金属损失、裂纹等缺陷进行检测,并对缺陷位置进行准确定位的检测装置及方法。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种储罐底板在线检测装置及方法,可搭载各种类型的腐蚀程度检测器,在储罐不停产的状态下对储罐底板的金属损失、裂纹等缺陷进行检测,并对缺陷位置进行准确定位。
为实现上述目的,根据本发明的第一方面,本发明提供了一种储罐底板在线检测装置,包括:检测机器人,其搭载储罐底板腐蚀检测器;收放单元,其从储罐顶部人孔将检测机器人释放至储罐底板并在检测结束后进行回收;行走单元,其通过检测机器人的自主规划或远程控制,确定并调整检测机器人的行走姿态、方向和/或速度;定位单元,其用于在腐蚀检测过程中对检测机器人进行实时定位并在需要回收时准确识别检测机器人的具体位置。
进一步,上述技术方案中,收放单元包括:机械臂,其设置于检测机器人上并可伸缩和旋转,机械臂的自由端设有机械手,该机械手上设有电磁铁和对中信号接收器;缆绳,其自由端设有由磁性材料制作的缆绳钩,该缆绳钩上设有对中信号发射器。
进一步,上述技术方案中,行走单元包括:行走轮组,其采用永磁性材料制作,在检测机器人作业过程中吸附于储罐底板上;路线规划模块,其通过声呐对检测机器人周围障碍物距离进行判断,并对检测机器人的行走路线进行自主规划或通过外部控制系统进行远程控制;行走控制模块,其用于在规划后的行走路线上对检测机器人的行走姿态、方向以及速度进行实时控制。
进一步,上述技术方案中,行走控制模块具体可包括:视觉子模块,用于在检测机器人作业时采集实时图像,进行人工干预调整检测机器人的行走姿态;惯性测量子模块,用于采集检测机器人的惯性数据,并与上一时刻的惯性数据进行对比,当偏差超过设定阈值时,自动调整行走姿态。
进一步,上述技术方案中,定位单元包括:低频脉冲声信号发射器,其数量为三个或三个以上,且采用磁吸附的方式安装在储罐外壁底层圈板的同一高度位置;低频信号接收器,其设置于检测机器人上并接收来自低频脉冲声信号发射器的不同频率的低频脉冲声信号;通过不同脉冲声信号的产生和接收时间的时间差和声波在储罐液态介质中的传播速度计算检测机器人与不同低频脉冲声信号发射器的距离,实现检测机器人在储罐底板的准确定位。
进一步,上述技术方案中,储罐底板腐蚀检测器可包括:漏磁检测器、涡流检测器、电磁超声检测器和超声检测器中的一种或多种组合。
进一步,上述技术方案中,储罐顶部人孔处设有信号收发装置,检测机器人通过该信号收发装置与外部控制系统进行无线通信,用于数据和动作指令信号传输。
为实现上述目的,根据本发明的第二方面,本发明提供了一种储罐底板在线检测方法,包括如下步骤:A、将搭载储罐底板腐蚀检测器的检测机器人从储罐顶部人孔释放至储罐底板;B、通过检测机器人的自主规划或远程控制,确定并调整检测机器人的行走姿态、方向和/或速度;C、在腐蚀检测过程中对检测机器人进行实时定位直至腐蚀检测结束并从储罐顶部人孔回收检测机器人。
进一步,上述技术方案中,步骤A具体包括:将检测机器人机械手上设置的电磁铁通电,使检测机器人吸附在缆绳自由端的缆绳钩上;当检测机器人被释放至储罐底板后,将电磁铁断电使得检测机器人与缆绳脱钩。
进一步,上述技术方案中,步骤C中的所述回收检测机器人具体包括:机械手上设置的对中信号接收装置接收缆绳钩上设置的对中信号发射装置发出的脉冲信号;识别并分析脉冲信号,判断检测机器人与缆绳钩之间的距离和方位,驱动检测机器人向缆绳所在位置移动;检测机器人行走至缆绳所在位置后,将电磁铁通电使检测机器人的机械手吸附在缆绳钩上进行回收。
进一步,上述技术方案中,步骤B具体包括:通过声呐对检测机器人周围障碍物距离进行判断,并对检测机器人的行走路线进行自主规划或通过外部控制系统进行远程控制;在规划后的行走路线上对检测机器人的行走姿态、方向以及速度进行实时控制。
进一步,上述技术方案中,步骤B还可包括:在检测机器人作业时采集实时图像,进行人工干预调整检测机器人的行走姿态;采集检测机器人的惯性数据,并与上一时刻的惯性数据进行对比,当偏差超过设定阈值时,自动调整行走姿态。
进一步,上述技术方案中,步骤C中的所述对检测机器人进行实时定位具体包括:在储罐外壁底层设置三个或三个以上低频脉冲声信号发射器;在检测机器人上设置低频信号接收器;通过三点定位方法,以三个低频脉冲声信号发射器为圆心,低频信号接收器分别到三个发射器的距离为半径所作的三个圆如果交于一点,则:设三个发射器的坐标为O1(x1,y1)、O2(x2,y2)、O3(x3,y3);根据声速计算接收器距三个发射器之间的距离分别为d1,d2,d3;
得出如下方程组:
(x1-x)2+(y1-y)2=d1 2
(x2-x)2+(y2-y)2=d2 2
(x3-x)2+(y3-y)2=d3 2
通过该方程组计算接收器的位置坐标(x,y)。
进一步,上述技术方案中,如果三个圆未交于一点,则在靠近储罐中心的两两相交的点内围合而成的圆弧三角形区域中设内切圆或外切圆,d1,d2,d3修正为:
内切圆修正为d1-δ,d2-δ,d3-δ;外切圆修正为d1+δ,d2+δ,d3+δ;
其中δ为内切圆或外切圆的半径。
进一步,上述技术方案中,当低频脉冲声信号发射器的数量设置三个以上时,应用三点定位方法通过方程组计算出每三个发射器对应的接收器的位置坐标;将求解出的多组位置坐标信息利用平均或加权的算法进行处理,确定接收器的所在位置。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1)收放单元可实现检测机器人的平稳释放,通过对中信号发送和接收,使得检测机器人的回收更为可靠且便捷;
2)检测机器人的行走控制既可自主规划路线也可由远程控制计算机进行控制,各个子模块的配合可使检测机器人的行走和检测更容易跟踪和控制;
3)检测机器人与外部控制系统采用无线通信方式传输信号和指令,避免了脐带线缆造成的机器人行动不便;
4)定位单元采用三点定位以及修正的方式,使得检测机器人的定位更加精准。
5)本发明可在储罐不停产的状态下,完成对储罐底板的定量检测,检测成本较低,检测结果和定位准确性与开罐检测相当。可防止储罐盲目开罐检测,节约检测和停产成本。
上述说明仅为本发明技术方案的概述,为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施,同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂,以下列举一个或多个优选实施例,并配合附图详细说明如下。
附图说明
图1是本发明储罐底板在线检测装置的结构示意图。
图2是本发明检测机器人的收放单元结构示意图。
图3是本发明检测机器人与外部计算机控制系统信号传输示意图。
图4是本发明储罐底板在线检测装置中行走单元的结构示意图。
图5-A是本发明储罐底板在线检测装置中定位单元的定位方法示意图(无噪声污染以及传感器误差等因素情况下,三个虚线圆交于一点示意图)。
图5-B是本发明储罐底板在线检测装置中定位单元的定位方法示意图(有噪声污染以及传感器误差等因素情况下,内切圆修正示意图)。
图5-C是本发明储罐底板在线检测装置中定位单元的定位方法示意图(有噪声污染以及传感器误差等因素情况下,外切圆修正示意图)。
主要附图标记说明:
1-储罐,10-储罐底板,11-储罐液面,12-顶部人孔,2-检测机器人,21-机械臂,211-机械臂旋转机构,212-机械臂伸缩机构,213-机械手,2130-对中信号接收器,3-缆绳,31-缆绳钩,310-对中信号发射器,4-低频脉冲声信号发射器,5-信号收发装置,6-防爆移动式计算机。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的具体实施方式进行详细描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其他明确表示,否则在整个说明书和权利要求书中,术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分,而并未排除其他元件或其他组成部分。
在本文中,为了描述的方便,可以使用空间相对术语,诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等,来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是,空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如,如果在图中的物件被翻转,则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在所述元件或特征的“上方”。因此,示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。
在本文中,术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位,并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之,在一些实施例中,术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。
实施例1
本发明的储罐底板在线检测装置包括检测机器人2、收放单元、行走单元以及定位单元。如图1所示,检测机器人2搭载储罐底板腐蚀检测器,腐蚀检测器包括但不限于漏磁检测器、涡流检测器、电磁超声检测器和超声检测器中的一种或多种组合。检测机器人2具有行走、吸附、定位、导航等功能,在储罐不停产的状态下可对储罐1的储罐底板10表面金属损失、裂纹等缺陷进行检测,并对缺陷位置进行准确定位。检测机器人2具有密封、防爆功能,无需外接电源,依靠电源模块可完成储罐底板的检测工作,用于原油、成品油以及化工介质等储罐的在线检测。
收放单元可从储罐顶部人孔12将检测机器人2释放至储罐底板10并在检测结束后进行回收。具体地,如图1、2所示,收放单元包括机械臂21和缆绳3,机械臂21设置于检测机器人2上并可通过旋转机构211和伸缩机构212进行伸缩和旋转,机械臂2的自由端设有机械手213,该机械手213上设有电磁铁和对中信号接收器2130。缆绳3的自由端设有由磁性材料制作的缆绳钩31,该缆绳钩31上设有对中信号发射器310。机械手213与缆绳钩31之间可自动脱钩、自动对中和锁定。缆绳钩31采用铁磁性材料制作,优选但不限于碳钢。机械手可采用电磁铁制作或其上设有电磁铁。检测机器人2通过缆绳3放入储罐1的液面11以下,当检测机器人2到达储罐底板10后,机械手213的电磁铁断电,并打开,完成与缆绳钩31之间的脱离。检测完成后,机械手213上的对中信号接收器2130,接收缆绳钩31上的对中信号发射器310发出的脉冲信号,通过脉冲信号分析判断检测机器人2与缆绳钩31的方位和距离,对所述检测机器人2发出行走指令,检测机器人2向缆绳3所在位置移动。机械臂21通过伸缩、旋转进行微调,找到缆绳钩31并通过电磁铁锁定。缆绳通过机械的方式上升,将检测机器人2进行回收。
行走单元可通过检测机器人2的自主规划或远程控制,确定并调整检测机器人的行走姿态、方向和/或速度。行走单元具体包括行走轮组、路线规划模块以及行走控制模块等。具体地,行走轮组采用永磁性材料制作,在检测机器人行走、检测作业过程中吸附于储罐底板10上。路线规划模块通过声呐对检测机器人2周围障碍物的距离进行判断并避障,并通过导航系统对检测机器人2的行走路线进行自主规划或通过外部控制系统进行远程控制,如图1所示,外部控制系统可以是防爆移动式计算机6。优选而非限制性地,如图1、3所示,储罐顶部人孔12处设有信号收发装置5,检测机器人2通过该信号收发装置5与防爆移动式计算机6进行无线通信,用于数据和动作指令信号传输。行走控制模块用于在规划后的行走路线上对检测机器人2的行走姿态、方向以及速度进行实时控制,以满足检测的需要。在行走并检测过程中检测机器人2的位置信息存储在检测模块中,并通过无线通信的方式将位置信息传送到防爆移动式计算机6,防爆移动式计算机6的控制软件实时显示检测机器人2在储罐底板10上的位置以及检测过的区域。优选而非限制性地,如图4所示,行走控制模块还可包括视觉子模块和惯性测量子模块,视觉子模块用于在检测机器人2作业时采集实时图像,进行人工干预调整检测机器人2的行走姿态;惯性测量子模块用于采集检测机器人2的惯性数据,并与上一时刻的惯性数据进行对比,当偏差超过设定阈值时,可自动调整行走姿态。
定位单元用于在腐蚀检测过程中对检测机器人2进行实时定位并在需要回收时准确识别检测机器人的具体位置。定位单元具体包括低频脉冲声信号发射器4(参见图1)和低频信号接收器。低频脉冲声信号发射器4的数量可以为三个或三个以上,且采用磁吸附的方式安装在储罐外壁底层圈板的同一高度位置。低频信号接收器(图中未显示)设置于检测机器人2上并接收来自低频脉冲声信号发射器4的不同频率的低频脉冲声信号。通过不同脉冲声信号的产生和接收时间的时间差和声波在储罐液态介质中的传播速度计算检测机器人2与不同低频脉冲声信号发射器4的距离,可实现检测机器人在储罐底板10上的准确定位。具体地,以设置三个低频脉冲声信号发射器4为例,将检测机器人2上的低频信号接收器与储罐外部的低频脉冲声信号发射器4时钟同步,使三个低频脉冲声信号发射器4同时发射不同频率的低频脉冲声信号。低频信号接收器接收到三个不同频率的低频脉冲声信号发射器发射的低频脉冲声信号,防爆移动式计算机6分别记录不同脉冲声信号的产生时间和接收时间,通过该产生时间和接收时间的时间差和声波在液态介质中的传播速度可计算出检测机器人2距不同低频脉冲声信号发射器的位置,通过与三个低频脉冲声信号发射器的距离即可实现检测机器人2在罐底位置的准确定位。
实施例2
本发明的储罐底板在线检测方法包括如下步骤:首先,将搭载储罐底板腐蚀检测器的检测机器人2从储罐1顶部人孔12释放至储罐底板10;其次,通过检测机器人的自主规划或远程控制,确定并调整检测机器人的行走姿态、方向和/或速度;最后,在腐蚀检测过程中对检测机器人2进行实时定位直至腐蚀检测结束并从储罐顶部人孔12回收检测机器人2。
具体地,“将搭载储罐底板腐蚀检测器的检测机器人2从储罐1顶部人孔12释放至储罐底板10”的步骤具体包括:将检测机器人2机械手213上设置的电磁铁通电,使检测机器人2吸附在缆绳3自由端的缆绳钩31上;当检测机器人2被释放至储罐底板10后,将电磁铁断电使得检测机器人2与缆绳3脱钩。
具体地,“回收检测机器人2”的步骤具体包括:机械手213上设置的对中信号接收装置2130接收缆绳钩31上设置的对中信号发射装置310发出的脉冲信号;识别并分析脉冲信号,判断检测机器人2与缆绳钩31之间的距离和方位,防爆移动式计算机6发出指令驱动检测机器人向缆绳所在位置移动;检测机器人2行走至缆绳3所在位置后,将电磁铁通电使检测机器人2的机械手213吸附在缆绳钩31上进行回收。
具体地,“通过检测机器人的自主规划或远程控制,确定并调整检测机器人的行走姿态、方向和/或速度”的步骤具体包括:通过声呐对检测机器人2周围障碍物距离进行判断,并通过导航系统对检测机器人2的行走路线进行自主规划或通过外部控制系统进行远程控制;在规划后的行走路线上对检测机器人的行走姿态、方向以及速度进行实时控制。在实时控制过程中,优选而非限制性地,可在检测机器人2行走、作业时采集实时图像,进行人工干预调整检测机器人2的行走姿态;还可采集检测机器人的惯性数据,并与上一时刻的惯性数据进行对比,当偏差超过设定阈值时,可自动调整检测机器人2的行走姿态。
具体地,“对检测机器人进行实时定位”的步骤具体包括:在储罐1的外壁底层设置三个或三个以上低频脉冲声信号发射器;在检测机器人上设置低频信号接收器;如果设置三个低频脉冲声信号发射器,通过三点定位方法,以三个低频脉冲声信号发射器为圆心,低频信号接收器分别到三个发射器的距离为半径所作的三个圆如果交于一点(参见图5-A),则可确定低频信号接收器的位置,即确定检测机器人的位置。每个低频脉冲声信号发射器4的位置可根据现场测量后在控制软件储罐平面模型坐标系中标出。进一步如图5-A所示,设三个发射器4的坐标为O1(x1,y1)、O2(x2,y2)、O3(x3,y3);根据声速计算接收器距三个发射器4之间的距离分别为d1,d2,d3;
得出如下方程组:
(x1-x)2+(y1-y)2=d1 2
(x2-x)2+(y2-y)2=d2 2
(x3-x)2+(y3-y)2=d3 2
通过该方程组可计算出接收器的位置坐标(x,y),从而得到检测机器人2在储罐底板10上的具体位置。
优选而非限制性地,由于噪声干扰、传感器误差等原因,以上三个圆可能存在最多六个交点,其中三个点距离较近,另外三个点距离较远。此时可通过三个较近的点确定接收器的位置,检测机器人2的位置在三条相交圆弧的内切圆圆心或外切圆圆心位置上。也即,当三个圆未交于一点,则在靠近储罐中心的两两相交的点内围合而成的圆弧三角形区域中设内切圆(参见图5-B)或外切圆(参见图5-C),设δ为所述内切圆或外切圆的半径,则前述接收器距三个发射器4之间的距离d1,d2,d3可修正为:内切圆修正值d1-δ,d2-δ,d3-δ;外切圆修正值d1+δ,d2+δ,d3+δ,修正后再通过求解方程组,算出接收器的坐标,得出检测机器人在储罐底板上的具体位置。
进一步地,当低频脉冲声信号发射器4的数量设置三个以上时(以四个为例),仍然应用三点定位方法通过前述方程组计算出每三个发射器4对应的接收器的位置坐标;再将求解出的多组位置坐标信息利用平均或加权的算法进行处理,从而确定接收器的所在位置。具体地,按每三个发射器一组,根据三点定位方法求出每组发射器4确定的接收器位置,可以得到四组接收器的位置信息,这些点在接收器的实际位置上或其附近。将四组位置中距离远的点舍去,然后对较集中的点的数据进行加权平均,最终确定接收器的位置。
本发明的储罐底板在线检测装置及方法,可在储罐不停产的状态下,完成对储罐底板的定量检测,检测成本较低,检测结果和定位准确性与开罐检测相当。本发明可防止储罐盲目开罐检测,节约检测和停产成本。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式,并且很显然,根据上述教导,可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用,从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰,都应落入本发明的保护范围。