CN115289316B - 一种小管径小流量油气管道智能维抢修机器人及方法 - Google Patents

Abstract

一种小管径小流量油气管道智能维抢修机器人，由骨架、控速机构、制动机构、锚定机构和封堵机构组成。控速机构由电机、转子等组成，通过转子调节泄流量实现控速；制动机构由制动橡胶筒和挤压环II组成，通过挤压制动橡胶筒膨胀摩擦管壁实现制动；锚定机构由橡胶锥形筒、卡瓦等组成，通过卡瓦伸出摩擦管壁实现锚定；封堵机构由封堵橡胶筒和挤压环I组成，通过液压杆带动挤压环I挤压封堵橡胶筒，使其膨胀挤压管壁实现封堵。本发明实现了集调速、过弯、制动、锚定和封堵等功能一体的小管径小流量管道管内智能维抢修机器人，具有控速响应好，调速范围大，过弯道能力强，制动过程平稳和封堵可靠性高的特性，并具有高集成、小体积、轻量化等特点。

Description

一种小管径小流量油气管道智能维抢修机器人及方法

技术领域

本发明属于油气管道抢修封堵技术领域，具体涉及一种小管径小流量油气管道智能维抢修机器人。

背景技术

油气能源仍然是各国战略性能源储备的必要能源，输送油气则是必不可少的过程。原油、成品油、天然气等油气能源的输送主要使用管道运输的方式，由此，管道运输得到急速的发展，尤其是用于成品油、燃气输送的小流量、小管径等油气管道得到广泛使用，里程数量庞大。该类油气管道长时间在外界环境中会受到各种不确定的因素从而导致破坏，因此，对其进行维抢修作业必不可少。当前，管道维抢修作业普遍采用的是人工封堵修复的方式，但其作业效率低、成本高。在管道的维抢修作业中，首先管道维抢修封堵机器人从发球装置进入管道，在管道内运行到需要封堵的目标位置后进行封堵作业，封堵完成后进行管道维修，进而降低由于管道泄漏导致的油气资源损失，确保油气正常输送。

然而，目前现有的管道维抢修封堵机器人多应用于大流量、大压力、大通径管道，不能用于小流量、小管径管道维抢修作业。同时，现有的机器人在进行封堵作业过程中还存在诸多不足之处，主要表现如下：

(1)现有的管道维抢修封堵机器人主要由牵引装置和封堵装置构成，装置之间由万向连接器连接，牵引装置在前面拖动封堵装置，依靠牵引装置改变泄流量进而改变装置前后的压力降进行调速。然而实际上现有的机器人在管道中运行时由于牵引装置后面存在封堵装置，此时控制机器人前后压力降进而达到调节速度的方法响应较慢，影响机器人上下坡等情况时对速度的调节。

(2)现有的管道维抢修封堵机器人的过流泄压面积有限，调速范围不高。

(3)现有的管道维抢修封堵机器人由于组成的功能模块较多，导致整体的尺寸偏大，长度增加，在有限的管道内径中行进，其过弯能力不佳且结构过于复杂。

(4)现有的管道维抢修封堵机器人模块较多，整体质量大，调速时惯性大，制动过程易发生颤动，卡瓦锚定时制动不到位会对管道内壁造成划伤，极大地降低了封堵效果。

为了满足小流量、小管径油气管道维抢修作业过程中管内智能封堵的需求，同时解决现有的管道维抢修封堵机器人调速响应慢、调速范围小、过弯能力不佳、制动过程易发生颤动和封堵可靠性低的问题，目前亟需发明一种应用于小管径、小流量管道的新型管道智能维抢修机器人。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明的目的在于针对现有的油气管道封堵装置在使用中存在的问题，提供一种小管径小流量油气管道智能维抢修机器人。本发明采用骨架、控速机构、制动机构、锚定机构和封堵机构相结合的方式，按封堵作业需要实现集调速、过弯、制动、锚定和封堵等功能于一体；本发明采用控速机构和封堵机构相结合的方式，解决现有的管道维抢修封堵机器人在管道中运行时由于牵引装置后连接封堵装置，此时通过调节机器人泄流量改变前后压降进而控制机器人速度的方法响应并不及时的问题；本发明采用在端面转阀外侧开泄流孔的方法，解决传统的过流泄压装置过流面积小、调速范围有限和调速效果不佳的问题，使管内流体的泄流通道在骨架外侧，旁通率得到有效提高，其调速范围得到大幅增加，同时提高了骨架内部空间利用率；本发明整体尺寸小、结构简单，解决现有的管道维抢修封堵机器人过弯能力不佳的问题，有效提高机器人的过弯能力；本发明整体质量小并采用制动橡胶筒和封堵橡胶筒分别进行制动和封堵的方法，解决现有的管道维抢修封堵机器人调速时惯性大、制动过程易发生颤动和封堵可靠性低的问题，实现平稳制动和有效封堵。

(二)技术方案

本发明专利为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种小管径小流量油气管道智能维抢修机器人，主要由骨架、控速机构、制动机构、锚定机构和封堵机构组成，骨架前端设有八个周向的螺栓连接孔I，中段设有凸板I、凸板II和四个周向的安装槽I，后端设有六个周向的螺栓连接孔II和六个周向的安装槽II，控速机构和泄流板盘通过螺栓与骨架前端的螺栓连接孔I连接，液压缸筒、机舱和机舱盖通过螺钉安装在泄流板盘上，液压缸筒和液压缸盖采用螺钉连接，通讯模块和控制模块置于骨架的凸板I前，封堵机构置于骨架的凸板I后面，制动机构置于骨架的凸板II后面，橡胶皮碗II置于骨架的螺栓连接孔II后面，锚定机构和橡胶皮碗II通过螺栓与骨架后端的螺栓连接孔II连接。其特征在于：所述的控速机构由泄流板、橡胶皮碗I、电机、机舱、机舱盖、转子和轴承组成，泄流板和橡胶皮碗I通过螺栓连接，机舱和机舱盖通过螺钉连接，电机与转子通过键连接，轴承置于泄流板中间的轴承安装孔内，轴承外圈与轴承安装孔之间和轴承内圈与电机转轴之间均采用过盈配合；所述的制动机构由制动橡胶筒和挤压环II组成，挤压环II安装在骨架的安装槽II上，通过螺母固定在液压杆上；所述的锚定机构由橡胶锥形筒、卡瓦、卡瓦杆、卡瓦底座和连接块组成，橡胶锥形筒置于连接块上，卡瓦置于橡胶锥形筒上，卡瓦、卡瓦杆和卡瓦底座通过圆柱销连接，卡瓦底座的螺栓连接孔V和挤压环I的连接架前端的螺栓连接孔IV通过螺栓连接；所述的封堵机构由封堵橡胶筒和挤压环I组成，挤压环I安装在骨架的安装槽I上，通过螺母固定在液压杆上。

所述的泄流板外边缘设有八个周向的螺栓连接孔III，里面设有四个周向的泄流孔，中间设有轴承安装孔。

所述的转子设有四个周向的泄流板，中间设有键槽和凸台。

所述的挤压环II设有六个周向的加强肋I，中间设有通孔I。

所述的挤压环I设有四个周向的加强肋II，中端设有通孔II和连接架，连接架前端设有六个螺栓连接孔IV。

所述的卡瓦底座周向设有八个卡瓦连接槽，卡瓦连接槽中设有相对称的连接孔，中间设有通孔III和六个周向的螺栓连接孔V。

一种小管径小流量油气管道智能维抢修机器人的封堵方法，其特征在于：在进行油气管道封堵作业时需要成对使用机器人，其工作程序可分为控速行进、柔性制动、卡瓦锚定、橡胶封堵与解封回收五个阶段，步骤如下：

S1、控速行进阶段：两个相同的机器人搭载通讯模块和控制模块通过发球装置先后进入油气管道内，通讯模块实现管内外信号的快速稳定传输，增大机器人工作的响应速度与控制的准确性，控制模块实现机器人制动、锚定和封堵动作，可快速到达所需要封堵的目标位置，机器人在管道内运行时，其运动速度由控速机构通过调节泄流孔的大小调节其运动速度在合理范围内，当机器人出现速度过高、通过弯道等情况需要降速时，电机带动转子转动，泄流孔被打开，管内流体沿骨架外侧的泄流通道运动，机器人前后端的压力降被减小，其驱动力减小，运动速度降低，反之，电机带动转子转动，泄流孔被关闭机器人运动速度增加；

S2、柔性制动阶段：当两个机器人即将到达所需要封堵的目标位置时，电机带动转子转动，泄流孔被打开，机器人运动速度降低，与此同时，液压油注入活塞后侧，活塞带动液压杆向前运动，此时挤压环II随着液压杆向前运动并挤压制动橡胶筒，制动橡胶筒受力发生径向变形膨胀摩擦管道内壁，实现减速制动功能；

S3、卡瓦锚定阶段：继续向活塞后侧注入液压油，此时液压杆将带动卡瓦底座向前移动，驱使卡瓦沿橡胶锥形筒向前移动，卡瓦接触管道内壁，随着液压杆继续向前运动卡瓦卡入管道内壁，两个机器人分别被锚定在目标位置前后侧、停止在管道内运行；

S4、橡胶封堵阶段：同时向两个机器人的活塞后侧注入液压油，此时挤压环I将挤压封堵橡胶筒，封堵橡胶筒发生径向膨胀与管道内壁贴合直至完成封堵；

S5、解封回收阶段：同时向两个机器人的活塞前侧注入液压油，液压杆将随着活塞向后运动，挤压环I向后运动，封堵橡胶筒受力减小往原始状态回缩，封堵状态被解除，继续注入液压油，机器人锚定状态被解除，其受管内流体驱动向前运动，机器人在管内运动到收球装置，完成回收工作。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：(1)实现管道智能维抢修机器人控速响应及时；(2)提高管道智能维抢修机器人调速范围；(3)提高管道智能维抢修机器人通过弯道的能力；(4)实现管道智能维抢修机器人制动过程平稳和封堵可靠性高。

附图说明

图1为本发明半剖示意图

图2为本发明外观斜侧图

图3为本发明骨架外观示意图

图4为本发明泄流板半剖外观示意图

图5为本发明转子外观示意图

图6为本发明挤压环II外观示意图

图7为本发明挤压环I外观示意图

图8为本发明卡瓦底座外观示意图

图9为本发明阀门全开外观示意图

图10为本发明阀门半开外观示意图

图11为本发明阀门关闭外观示意图

图12为本发明锚定机构外观示意图

图13为本发明控速机构外观示意图

图14为本发明自行走一次的流程示意图

图15为本发明提供的一种小管径小流量油气管道智能维抢修方法流程图

图中，1-泄流板，101-泄流孔，102-螺栓连接孔III，103-轴承安装孔，2-橡胶皮碗I，3-泄流板盘，4-骨架，401-螺栓连接孔I，402-安装槽I，403-安装槽II，404-螺栓连接孔II，405-凸板II，406-凸板I，5-通讯模块，6-控制模块，7-封堵橡胶筒，8-挤压环I，801-加强肋II，802-通孔II，803-连接架，804-螺栓连接孔IV，9-制动橡胶筒，10-挤压环II，1001-加强肋I，1002-通孔I，11-橡胶皮碗II，12-橡胶锥形筒，13-卡瓦，14-卡瓦杆，15-卡瓦底座，1501-连接孔，1502-螺栓连接孔V，1503-通孔III，1504-卡瓦连接槽，16-液压杆，17-连接块，18-液压缸盖，19-活塞，20-液压缸筒，21-电机，22-机舱，23-机舱盖，24-转子，2401-泄流板，2402-键槽，2403-凸台，25-轴承。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下描述：

如图1～14所示，一种小管径小流量油气管道智能维抢修机器人主要由骨架4、控速机构、制动机构、锚定机构和封堵机构组成，骨架4前端设有八个周向的螺栓连接孔I401，中段设有凸板I406、凸板II405和四个周向的安装槽I402，后端设有六个周向的螺栓连接孔II404和六个周向的安装槽II403，控速机构和泄流板盘3通过螺栓与骨架4前端的螺栓连接孔I401连接，液压缸筒20、机舱22和机舱盖23通过螺钉安装在泄流板盘3上，液压缸筒20和液压缸盖18采用螺钉连接，通讯模块5和控制模块6置于骨架4的凸板I406前面，封堵机构置于骨架4的凸板I406后面，制动机构置于骨架4的凸板II405后面，橡胶皮碗II11置于骨架4的螺栓连接孔II404后面，锚定机构和橡胶皮碗II11通过螺栓与骨架4后端的螺栓连接孔II404连接，所述的控速机构由泄流板1、橡胶皮碗I2、电机21、机舱22、机舱盖23、转子24和轴承25组成，泄流板1和橡胶皮碗I2通过螺栓连接，机舱22和机舱盖23通过螺钉连接，电机21与转子24通过键连接，轴承25置于泄流板1中间的轴承安装孔103内，轴承25外圈与轴承安装孔103之间和轴承25内圈与电机21转轴之间均采用过盈配合；所述的制动机构由制动橡胶筒9和挤压环II10组成，挤压环II10安装在骨架4的安装槽II403上，通过螺母固定在液压杆16上；所述的锚定机构由橡胶锥形筒12、卡瓦13、卡瓦杆14、卡瓦底座15和连接块17组成，橡胶锥形筒12置于连接块17上，卡瓦13置于橡胶锥形筒12上，卡瓦13、卡瓦杆14和卡瓦底座15通过圆柱销连接，卡瓦底座15的螺栓连接孔V1502和挤压环I8的连接架前端的螺栓连接孔IV804通过螺栓连接；所述的封堵机构由封堵橡胶筒7和挤压环I8组成，挤压环I8安装在骨架4的安装槽I402上，通过螺母固定在液压杆16上。

所述的泄流板1外边缘设有八个周向的螺栓连接孔III102，里面设有四个周向的泄流孔101，中间设有轴承安装孔103。

所述的转子24设有四个周向的泄流板2401，中间设有键槽2402和凸台2403。

所述的挤压环II10设有六个周向的加强肋I1001，中间设有通孔I1002。

所述的挤压环I8设有四个周向的加强肋II801，中端设有通孔II802和连接架803，连接架前端设有六个螺栓连接孔IV804。

所述的卡瓦底座15周向设有八个卡瓦连接槽1504，卡瓦连接槽1504中设有相对称的连接孔1501，中间设有通孔III1503和六个周向的螺栓连接孔V1502。

本发明的工作过程如下：

正常工作时，两个相同的小管径小流量油气管道智能维抢修机器人搭载通讯模块(5)和控制模块(6)通过发球装置先后进入油气管道内，通讯模块(5)实现管内外信号的快速稳定传输，增大机器人工作的响应速度与控制的准确性，控制模块(6)实现机器人制动、锚定和封堵动作，可快速到达所需要封堵的目标位置。此时机器人前端的控速机构的泄流孔(101)完全关闭，机器人在装置前后端压力降的作用下沿管道加速向所需要封堵的目标位置前进。当机器人出现速度过高、通过弯道等情况需要降速时，电机(21)带动转子(24)转动，泄流孔(101)被打开，管内流体沿骨架(4)外侧的泄流通道运动，机器人前后端的压力降被减小，其驱动力减小，运动速度降低。当机器人速度过低需要加速时，电机(21)带动转子(24)转动，泄流孔(101)被关小，泄流通道被关小，机器人前后端的压力降被增加，其驱动力增加、运动速度增加。两个机器人在管道内运行时，其运动速度由控速机构通过调节泄流孔(101)的大小调节其运动速度在合理范围内。当两个机器人即将到达所需要封堵的目标位置时，电机(21)带动转子(24)转动，泄流孔(101)被打开，机器人所受驱动力减小，运动速度降低，与此同时，液压油注入活塞(19)后侧，活塞(19)带动液压杆(16)向前运动，此时挤压环II(10)随着液压杆(16)向前运动并挤压制动橡胶筒(9)，制动橡胶筒(9)受力发生径向变形膨胀摩擦管道内壁，实现减速制动功能，继续向活塞(19)后侧注入液压油，此时液压杆(16)将带动卡瓦底座(15)向前移动，驱使卡瓦(13)沿橡胶锥形筒(12)向前移动，卡瓦(13)接触管道内壁，随着液压杆(16)继续向前运动卡瓦(13)卡入管道内壁，两个机器人分别被锚定在目标位置前后侧、停止在管道内运行，同时向两个机器人的活塞(19)后侧注入液压油，此时挤压环I(8)将挤压封堵橡胶筒(7)，封堵橡胶筒(7)发生径向膨胀与管道内壁贴合直至实现封堵功能，完成机器人的封堵作业。当完成管道维修作业后，同时向两个机器人的活塞(19)前侧注入液压油，液压杆(16)将随着活塞(19)向后运动，挤压环I(8)向后运动，封堵橡胶筒(7)受力减小往原始状态回缩，封堵状态被解除，继续注入液压油，机器人锚定状态被解除，其受管内流体驱动向前运动，机器人在管内运动到收球装置，完成回收工作。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本专利进行修改或者等同替换，而不能脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种小管径小流量油气管道智能维抢修机器人，由骨架(4)、控速机构、制动机构、锚定机构和封堵机构组成，骨架(4)前端设有周向分布的螺栓连接孔I(401)，中段设有凸板I(406)、凸板II(405)和周向分布的安装槽I(402)，后端设有周向分布的螺栓连接孔II(404)和周向分布的安装槽II(403)，控速机构和泄流板盘(3)通过螺栓与骨架(4)前端的螺栓连接孔I(401)连接，液压缸筒(20)、机舱(22)和机舱盖(23)通过螺钉安装在泄流板盘(3)上，液压缸筒(20)和液压缸盖(18)采用螺钉连接，通讯模块(5)和控制模块(6)置于骨架(4)的凸板I(406)前面，封堵机构置于骨架(4)的凸板I(406)后面，制动机构置于骨架(4)的凸板II(405)后面，橡胶皮碗II(11)置于骨架(4)的螺栓连接孔II(404)后面，锚定机构和橡胶皮碗II(11)通过螺栓与骨架(4)后端的螺栓连接孔II(404)连接，所述的控速机构由泄流板Ⅰ(1)、橡胶皮碗I(2)、电机(21)、机舱(22)、机舱盖(23)、转子(24)和轴承(25)组成，泄流板Ⅰ(1)和橡胶皮碗I(2)通过螺栓连接，机舱(22)和机舱盖(23)通过螺钉连接，电机(21)与转子(24)通过键连接，轴承(25)置于泄流板Ⅰ(1)中间的轴承安装孔(103)内，轴承(25)外圈与轴承安装孔(103)之间和轴承(25)内圈与电机(21)转轴之间均采用过盈配合；所述的制动机构由制动橡胶筒(9)和挤压环II(10)组成，挤压环II(10)安装在骨架(4)的安装槽II(403)上，通过螺母固定在液压杆(16)上；所述的锚定机构由橡胶锥形筒(12)、卡瓦(13)、卡瓦杆(14)、卡瓦底座(15)和连接块(17)组成，橡胶锥形筒(12)置于连接块(17)上，卡瓦(13)置于橡胶锥形筒(12)上，卡瓦(13)、卡瓦杆(14)和卡瓦底座(15)通过圆柱销连接，卡瓦底座(15)的螺栓连接孔V(1502)和挤压环I(8)的连接架前端的螺栓连接孔IV(804)通过螺栓连接；所述的封堵机构由封堵橡胶筒(7)和挤压环I(8)组成，挤压环I(8)安装在骨架(4)的安装槽I(402)上，通过螺母固定在液压杆(16)上。

2.根据权利要求1所述的一种小管径小流量油气管道智能维抢修机器人，其特征在于：所述泄流板Ⅰ(1)外边缘设有周向分布的螺栓连接孔III(102)，里面设有周向分布的泄流孔(101)，中间设有轴承安装孔(103)。

3.根据权利要求1所述的一种小管径小流量油气管道智能维抢修机器人，其特征在于：所述转子(24)设有周向分布的泄流板Ⅱ(2401)，中间设有键槽(2402)和凸台(2403)。

4.根据权利要求1所述的一种小管径小流量油气管道智能维抢修机器人，其特征在于：所述挤压环II(10)设有周向分布的加强肋I(1001)，中间设有通孔I(1002)。

5.根据权利要求1所述的一种小管径小流量油气管道智能维抢修机器人，其特征在于：所述挤压环I(8)设有周向分布的加强肋II(801)，中端设有通孔II(802)和连接架(803)，连接架前端设有螺栓连接孔IV(804)。

6.根据权利要求1所述的一种小管径小流量油气管道智能维抢修机器人，其特征在于：所述卡瓦底座(15)设有周向分布的卡瓦连接槽(1504)，卡瓦连接槽(1504)中设有相对称的连接孔(1501)，中间设有通孔III(1503)和周向分布的螺栓连接孔V(1502)。

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