CN1266986A - 超小型管道内自动爬行x射线探伤机 - Google Patents

Abstract

本发明是一种超小型管道内自动爬行X射线探伤机。该机管内部分是由三节组成的机、电、讯自动探伤作业小车,包括驱动行走、定位测长、变径调节机构,控制及微波信号发收系统、交直流电源等。管外部分包括微波信号收发系统和监视器等。主要特点是X射线机头直径只有120毫米,探伤机各机构设计新颖紧凑,使整机达到小型化,可应用于Φ159—219毫米管道,实现内照法单壁透射拍片探伤。无线遥控操作,交直流两用电源,安全、高效。

Description

超小型管道内自动爬行X射线探伤机

本发明涉及到X射线照相设备、自动控制和微波信号传输等技术领域，具体而言是一种超小型管道内自动爬行X射线探伤机。

管道焊缝质量是关系到其安全运行和使用寿命的重要因素。在管道施工中，国内外常用的焊缝无损探伤技术有超声波探伤、γ射线探伤、X射线探伤等。其中X射线探伤通常都是采取外照法双壁透射拍片，也就是将X射线机置于管外一侧，胶片置于与主射线相迎的管外另一侧。这种外照法探伤方法缺点很多：射线强度高，拍片次数多，片子质量差，工作效率低，人身防护难，要挖操作坑，劳动强度大。经检索查明，国外已有钢管道内照法单壁透射拍片设备。例如，美国专利3904878，是一种管道内爬行式X射线机，用液化气发电机提供驱动电源，在管外用γ射线源控制管内爬行小车及X射线机工作。又例如，英国JME公司研制的管道X射线爬行器，用蓄电池为动力源，以X射线源或γ射线源作为管内探伤射线源，以同位素铯137或钴60源在管外控制。再例如，中国专利92232940.0，称作“一种管道探伤爬机”，也是采用γ射线源作为管内探伤源，在管外接收管内γ射线源泄漏信号，并通过管外仪表对管内爬机进行有线控制。上述管内爬行探伤设备是管道焊缝探伤技术的一大进步，克服了外照法双壁透射拍片的诸多弊端。但仍有一些缺点和不足之处：采用γ射线源探伤或控制，对人身安全防护很不利，给运输、保管和使用带来很多麻烦；其控制方式、供电方式也不令人满意；其应用范围只限于大口径管道。另有一项中国专利96221410.8，名称为“钢管道内X射线探伤自动装置”，是到目前为止检索到的一种最先进的管内自动爬行探伤设备。其主要优点是采用了X射线探伤源，避免了γ射线源的上述缺点，并且采用了无线遥控方式操作，无需拖信号电缆。但是，由于受到X射线机头直径和体积较大的限制，它也只能用φ273～529毫米大口径钢管道。还有不足之处是变径调节机构和爬行小车中间连接机构体积较大，不够紧凑，不利于小型化；其微波图像传输信号和微波遥控信号采用的是L波段，并且是模拟遥控信号，在管内损耗大，传输距离短，信号有邻频干扰并且易受外界干扰；采用12块蓄电池作为供电电源，体大笨重，也不利于小型化。由于管径越小，管内自动爬行探伤设备的直径和体积也就越小，技术难度就越大。经检索至今未发现有直径小于φ120毫米的X射线机头，也未发现有用于直径φ159毫米管道的自动爬行探伤设备。

本发明的目的就在于为φ159-219毫米钢管道对口焊缝提供一种超小型管道内自动爬行X射线探伤机。既能克服上述外照法双壁透射拍片的一系列缺点，又能克服上述管内爬行探伤设备采用γ射线源、体大笨重、控制方式、电源等方面的缺点，为小口径钢管道焊缝内照法单壁透射拍片探伤填补一项专用设备空白。

上述目的是由下述技术方案实现的：

超小型管道内自动爬行X射线探伤机包括管内探伤机和管外监控两大部分。管内探伤机是一种机、电、讯一体化自动探伤作业小车，由三节相连而成，主要包括由X射线发生器及其控制器组成的X射线机头、驱动行走机构、定位测长机构、变径调节机构、机载控制系统、机载发收信号系统和电源等。管外监控部分主要包括收发信号系统、图像监视器和电源等。其特征是管内探伤机的前节小车最前端是一对被动行走轮，通过变径调节机构安装在超小型X射线机头的前端，定位摄像头和遇水传感器分别安装在X射线控制器壳体侧面和底部，后端是球头式万向连接器。中间一节小车的最前端是球头式万向连接器，再向后是驱动机构的安装支架、变径调节机构、主驱动轮及上方压紧滚轮，中间部位是PLC可编程控制器和继电器组，上面有X射线机头操作面板，构成机载控制系统，后部是开关电源和机载发收信号系统。后节小车是交、直流电源互换组件，交流电源组件由变径调节机构、定位测长机构、后被动轮、信号天线和交流电源插座组成，直流电源组件比交流电源组件增加蓄电池组和逆变电源，去掉交流电源插座，交、直流电源组件均通过联接件与中间一节小车后端相连。管外监控部分的收发信号系统主要由微波图像信号接收、数字遥控信号发射主机组成，配有专用微波天线、手持操作器、监视器和电源等。其变径调节范围是φ159-219毫米。

上述超小型管道内自动爬行X射线探伤机中的超小型X射线机头的X射线发生器内部结构主要部件由前向后依次是：阴极高压变压器、阴极连接插头座、X射线管、X射线管散热器、X射线管固定座、固定弹簧、阳极固定螺钉、连接压簧、阳极高压变压器、冷却油泵和油温开关。阴极高压变压器安装在变压器铁芯座上，并由压环压紧固定。阳极高压变压器先安装在X射线管固定座上，并由压环压紧固定，再将X射线管固定座安装在变压器铁芯座上。两个变压器铁芯座都点焊到X射线发生器管筒内表面上。管筒前后两端都点焊上内法兰，前端盖和油膨胀器装在前内法兰上，后端盖装在后内法兰上。管筒外径最小为120毫米，其内部充满绝缘冷却油，也可采用风冷方式。

上述超小型管道内自动爬行X射线探伤机中的超小型X射线机头的控制器内部结构主要部件由前向后依次是：接线座、连接螺栓、风扇、连接环、内扣式屏蔽骨架、控制电路、线路板、连接环和电源板。其前端通过6根螺栓和连接环与X射线发生器的后端固定连接。其后端是与中间一节小车连接的球头式万向连接器。其外壳直径与X射线发生器管筒相同。

上述超小型管道内自动爬行X射线探伤机中的超小型X射线机头的控制器电路部分主要由供电电路、斩波电路、控制电路三部分组成，固定在内扣式屏蔽骨架上。交流供电时，220伏的交流电压经半控桥整流电路变换成连续可调的直流电压。蓄电池供电时，经罗氏DC-DC升压电路变换成连续可调的直流电压。由控制电路根据工作要求自动调整并稳定电压，供斩波电路使用。斩波电路把直流电压变换成方波，使X射线发生器的高压变压器产生高压。

上述超小型管道内自动爬行X射线探伤机中的驱动行走机构由伺服电机、星形二级减速器、主驱动轮、主动轮架、两对被动轮和被动轮架组成。电动机、减速器、主驱动轮都安装在主动轮架上，主动轮架安装在中间一节小车前端外壳上。两对被动轮分别安装在作业小车最前端和最后端。

上述超小型管道内自动爬行X射线探伤中的定位测长机构由测长编码器、测长编码轮和后被动轮组成。测长编码轮上的齿轮与固定到后被动轮上的齿轮啮合而一同转动计数测长，安装在作业小车的后端。

上述超小型管道内自动爬行X射线探伤机中的变径调节机构有三处，紧靠前、后被动轮各有一处，中部主驱动轮之前有一处。该机构由调节丝杠、锁紧螺母、调节丝母和滑道组成，与轮架连接成为一体，能调节轮轴上下移动，使作业小车轴线与管道轴线重合，以适应φ159-219毫米范围内不同直径管道。

上述超小型管道内自动爬行X射线探伤机中的机载控制系统，以PLC可编程工业控制器为核心，配有210条用梯形图语言编制的控制程序指令，还包括接口扩展电路和控制继电器。

上述超小型管道内自动爬行X射线探伤机中的机载发收信号系统，包括微波图像信号发射和微波数字遥控信号接收两个通道。图像信号发射通道由摄像头、视频信号放大器、5GHz本振电路、锁相器、微波调制器、图像信号滤波器、环形器和天线组成，其载波频率为5GHz。遥控信号接收通道由天线、环形器、数字微波解调器、4GHz本振电路、锁相器、放大器和数字逻辑电路组成，其载波频率为4GHz，可传输6路遥控数字信号，两个通道频段相差1000MHz，共用一个环形器和一个天线。

上述超小型管道内自动爬行X射线探伤机中的管外监控部分收发信号系统包括微波图像信号接收和微波遥控信号发射两个通道。图像信号接收通道由天线、环形器、图像信号滤波器、微波图像解调器、5GHz本振电路、锁相器、视频信号放大器和图像监视器组成，其载波频率为5GHz。遥控信号发射通道由6路数字信号逻辑编码器、微波数字信号、调制器、锁相器、环形器和天线组成，其载波频率为4GHz。两个通道频段相差1000MHz共用一个环形器和一个天线。

按照上述技术方案制成的超小型管道内自动爬行X射线探伤机，由于其中的X射线机头结构有独特之处，结构紧凑合理，直径缩小到120毫米，长度不到1米，同时探伤机整体作业小车的结构也很紧凑合理，所以适用管径最小为159毫米，最大为219毫米。终于实现了小口径管道焊缝内照法单壁透射拍片探伤的目的。周向360°拍照一道φ159×14毫米管道环形焊缝只需要42秒，比外照法双壁透射拍片提高工效30倍。不再需要挖操作炕和大量辅助工作，减轻了劳动强度。采用了X射线源虽然耗电量较大，但只在拍片的短时间内发出X射线，其余时间不产生X射线，耗电较少。还由于该机在管道内工作，泄漏X射线极少，仅为外照法泄漏量的九分之一，能确保工作人员的人身安全。该机的驱动行走机构、变径调节机构、节间连接机构都比上述已有技术更加先进。该机的无线遥控部分信号频率采用更高频段，并且遥控发射信号由模拟信号改为数字信号，所以管内损耗更小，抗干扰能力更强。由于直流供电时采用四节大容量小体积蓄电池和高频逆变电源，逆变电源经整形处理后成为50Hz交流电，不再有高电压和低电压共地问题，安全可靠，真正实现了交、直流两种供电方式任意选择，非常灵活方便。

附图1是本发明的管内探伤机作业小车整体结构示意图。

附图2是图1中变径调节机构部分的A-A剖视示意图。

附图3是管内探伤机作业小车后部直流供电组件示意图。

附图4是附图1中管内探伤机的X射线机头结构示意图。

附图5和6是附图4中X射线管的阴极高压变压器与X射线管阴极之间的安装连接示意图。其中附图5是插座部分，附图6是插头部分。

附图7和8是附图4中X射线管的阳极与阳极高压变压器之间的安装连接示意图。

附图9是附图4中X射线发生器管筒及其内法兰和变压器铁芯座示意图。

附图10是附图4中X射线控制器内扣式屏蔽骨架纵向示意图。

附图11是附图10的B-B横断面示意图。

附图12是附图4中X射线控制器的电路组成及连接关系方框图。

附图13是附图1中管内探伤机的机载发收信号系统电路组成及连接关系示意图。

附图14是管外监控部分收发信号系统电路组成及连接关系示意图。

附图15是本发明工作过程及控制原理方框图。

结合附图对其实施例阐述如下：

附图1、2、3中，1是前被动轮，2是变径调节机构，3是X射线发生器，4是摄像头，5是X射线控制器，6是遇水传感器，7是球头式万向连接器，8是主驱动轮，9是压紧轮支架，10是压紧轮，11是减速器，12是伺服电机，13是PLC可编程控制器，14是继电器组，15是电源，16是机载发收信号系统，17是测长编码器，18是后被动轮，19是操作面板，20是交、直流电源组件连接件，21是天线，22是交流电源插座，23是逆变电源，24是蓄电池组，25是变径调节丝杠，26是锁紧螺母，27是测长编码轮，28是调节丝母，29是滑道，30是被动轮架，31是固定挡环，32是轴承。

附图4、5、6、7、8、9、10、11中，33是阴极端盖，34是油膨胀器，35和47是变压器压环，36是阴极高压变压器，37和48是绝缘纸板，38是阴极插座，39是阴极插头，40是X射线管，41是X射线管散热器，42是X射线管固定座，43是固定弹簧，44是阳极固定螺钉，45是连接压簧，46是阳极高压变压器，49是冷却油泵，50是油温开关，51是阳极端盖，52是密封垫圈，53和57是管筒内法兰，54和56是变压器铁芯座，55是X射线发生器外壳，58是连接环，59是X射线控制器外壳，60是接线座，61是连接螺栓，62是风扇，63和67是连接环，64和66是内扣式屏蔽骨架，65是线路板，68是电源板。

由附图1可见，本发明的管内探伤机作业小车分为三节。前节为X射机头，由X射线发生器3和X射线控制器5两部分组成。中间节包括驱动、变径、控制和信号发收等部分。后节为交、直流电源转换组件。前节与中间节之间采用球头式万向连接器7相连，结构紧凑并且组装方便。中间节与后节之间用连接件20相连，不但结构紧凑和便于组装，而且使交、直流电源组件具有互换性。交流供电时，管内工作距离可达300米；直流供电时，管内工作距离可达1000米。

由附图2可见，处于作业小车后端的变径调节机构、测长编码机构及后被动轮的相互位置关系。转动调节丝母28，可以使后被动轮18、测长编码轮27、测长编码器17沿滑道29同时上下移动，大管径向下调，小管径向上调，使作业小车轴心线与管道同心，X射线机头也就处于管道中心。结构紧凑并且便于组装调节。

由附图4可见，X射线机头由X射线发生器3和X射线控制器5两部分组成，其内部组件分别安装在管筒55和外壳59之内，二者之间通过七条连接螺栓、连接环58相连。尤其是X射线发生器3的内部组件，互相之间采用图5、图6插接方式和图7、图8压簧方式连接，与管筒55之间采用图9所示角钢形变压器铁芯座37和56安装固定，两端采用内法兰53和57安装固定，既有利于小型化，又便于加工、组装和防震。

由附图12所示，X射线控制器的电路由供电电路、斩波电路、控制电路三大部分组成。供电电路包括罗氏DC-DC升压电路、半控桥整流电路、供电切换及滤波电路、供电控制电路。斩波电路包括斩波电路和斩波驱动电路。控制电路包括单片机主控系统、数据采集电路和显示电路。其工作程序是：由图1中的操作面板19设定X射线机头的工作电压KV值和曝光时间，送入单片机系统，由程序控制供电电路产生相应的电压。通过数据采集电路采集电压信号，由单片机程序处理产生反馈信号，保持电压稳定。在接收到开机信号后，由程序启动斩波电路进行斩波，同时开始采集管电流信号，由数据采集电路送入单片机，由程序进行数字滤波和采样运算，产生相应的控制频率，驱动斩波电路工作，形成闭环控制系统以稳定管电流。单片机同时控制曝光时间。显示电路显示出工作电压KV值和曝光时间，并且监视整机的供电电压、X射线发生器的温度等。如超出正常范围，即可实现停机，达到保护的目的。

由附图13所示，机载发收信号系统包括图像信号发射和遥控信号接收两个通道。图像信号发射过程是：探伤作业小车在管内自动爬行，当摄像头到达焊缝时，将焊缝图像转化成视频信号并进行放大，再经微波调制器处理，由5GHz本振电路提供5GHz的载波进行调制，再经图像信号滤波器和环形器，最后通过天线发射出管外。遥控信号接收过程是：先由机载天线接收到来自管外的载波频率为4GHz的数字遥控信号，再经环形器、数字微波解调器和4GHz本振电路解调处理，再进行信号放大、经数字逻辑电路处理，区分开6路控制信号，最后送到PLC可编程控制器去执行控制指令。

由附图14所示，管外监控部分收发信号系统包括图像信号接收和遥控信号发射两个通道。图像信号接收工作过程是：先由管外天线接收到来自管内机载波频率为5GHz的图像信号，再经环形器和图像信号滤波器，再经微波图像解调器和5GHz本振电路解调处理，再对视频信号放大，最后显示在图像监视器上。遥控信号发射工作过程是：根据控制动作要求，通过手持操作器或操作面板可以发出6路数字指令信号，先经数字信号逻辑编码电路，再经微波数字信号调制器处理，由4GHz本振电路提供4GHz的载波进行调制，再经环形器，最后通过管外天线向管内发射遥控信号。

由附图15所示，该探伤机包括管内机载部分和管外监控部分。其工作过程及控制原理是：将该探伤机置于待探伤的管道端部，并通过机载操作面板19设置X射线机头的工作电压KV值和曝光时间等参数。通过管外数字信号遥控器的键盘发“出前”进指令，并转换成4GHz的载波数字信号经天线向管内发射，管内天线收到此信号，使管内PLC可编程工业控制器控制探伤作业小车沿管道自动向前行走。当机载摄像头找到环形焊口时，焊口图像转换成视频电信号并以5GHz的载波频率经天线向管外发射出去。管外天线收到焊口图像信号，再转换成图像由监视器显示出来。此时按下“停车”键，使作业小车停住。再触动“前进”或“后退”键，使作业小车前、后微动进行焊口位置修正，即焊缝处于监视器中心位置。再按下“高压启动”键，作业小车自动后退预定距离，该距离由定位测长机构测得。此时X射线窗口正对准焊缝，延时之后起动X射线拍片，使贴在管外焊缝处的胶片自动曝光。然后再继续向前行走至下一道焊口。当完成预定的探伤检测任务，或作业小车在管内遇水、遇障碍、或电压不足等故障，均自动返回管端，实现自动保护。

Claims (10)

1.一种超小型管道内自动爬行X射线探伤机，包括管内探伤机和管外监控两大部分，管内探伤机是一种机、电、讯一体化自动探伤作业小车，由三节相连而成，主要包括由X射线发生器及其控制器组成的X射线机头、驱动行走机构、定位测长机构、变径调节机构、机载控制系统、机载发收信号系统和电源等，管外监控部分主要包括收发信号系统、图像监视器和电源等，其特征是管内探伤机的前节小车最前端是一对被动行走轮，通过变径调节机构安装在超小型X射线机头的前端，定位摄像头和遇水传感器分别安装在X射线控制器壳体侧面和底部，后端是球头式万向连接器，中间一节小车的最前端是球头式万向连接器，再向后是驱动行走机构的安装支架、变径调节机构、主驱动轮及其上方压紧滚轮，中间部位是PLC可编程控制器和继电器组，上面有X射线机头操作面板，构成机载控制系统，后都是开关电源和机载发收信号系统，后节小车是交、直流电源互换组件，交流电源组件由变径调节机构、定位测长机构、后被动轮、信号天线和交流电源插座组成，直流电源组件比交流电源组件增加蓄电池组和逆变电源，去掉交流电源插座，交、直流电源组件均通过联接件与中间一节小车后端相连，管外监控部分的发收信号系统主要由微波图像接收、数字遥控信号发射主机组成，配有专用微波天线、手持操作器、监视器和电源等，其变径调节范围是φ159-219毫米。

2.根据权利要求1所述的超小型管道内自动爬行X射线探伤机，其特征是超小型X射线机头的X射线发生器内部结构主要部件由前向后依次是：阴极高压变压器、阴极连接插头座、X射线管、X射线管散热器、X射线管固定座、固定弹簧、阳极固定螺钉、连接压簧、阳极高压变压器、冷却油泵和油温开关，阴极高压变压器安装在变压器铁芯座上，并由压环压紧固定，阳极高压变压器先安装在X射线管固定座上，并由压环压紧固定，再将X射线管固定座安装在变压器铁芯座上，两个变压铁芯座都点焊到X射线管发生器管筒内表面上，管筒前后两端都点焊上内法兰，前端盖和油膨胀器装在前内法兰上，后端盖装在后内法兰上，管筒外径最小为120毫米，其内部充满绝缘冷却油，也可采用风冷方式。

3.根据权利要求1所述的超小型管道内自动爬行X射线探伤机，其特征是超小型X射线机头的控制器内部结构主要部件由前向后依次是：接线座、连接螺栓、风扇、连接环、内扣式屏蔽骨架、控制电路、线路板、连接环和电源板，其前端通过6根螺栓和连接环与X射线发生器的后端固定连接，其后端是与中间一节小车连接的球头式万向连接器，其外壳直径与X射线发生器管筒相同。

4.根据权利要求3所述的超小型管道内自动爬行X射线探伤机，其特征是超小型X射线机头的控制器电路部分主要由供电电路、斩波电路、控制电路三部分组成，供电电路包括罗氏DC-DC升压电路、半控桥整流电路、供电切换及滤波电路、供电控制电路，斩波控制电路包括斩波电路和斩波驱动电路，控制电路包括单片机主控系统、数据采集电路和显示电路。

5.根据权利要求1所述的超小型管道内自动爬行X射线探伤机，其特征是驱动行走机构由伺服电机、星形二级减速器、主驱动轮、主动轮架、两对被动轮和被动轮架组成，电动机、减速器、主动轮都安装在主动轮架上，主动轮架安装在中间一节小车前端外壳上，两对被动轮分别安装在作业小车最前端和最后端。

6.根据权利要求1所述的超小型管道内自动爬行X射线探伤机，其特征是定位测长机构由测长编码器、测长编码轮、后被动轮组成，测长编码轮上的齿轮与固定到被动轮上的齿轮啮合，安装在作业小车的后端。

7.根据权利要求1所述的超小型管道内自动爬行X射线探伤机，其特征是变径调节机构有三处，紧靠前后被动轮各有一处，中部主驱动轮之前有一处，该机构由调节丝杠、锁紧螺母、调节丝母和滑道组成，与轮架连接成为一体，其变径范围为φ159-219毫米。

8.根据权利要求1所述的超小型管道内自动爬行X射线探伤机，其特征是机载控制系统由PLC可编程工业控制器、接口扩展电路和控制继电器组成，配有专用梯形图语言编制的210条控制程序指令。

9.根据权利要求1所述的超小型管道内自动爬行X射线探伤机，其特征是机载发收信号系统，包括微波图像信号发射和微波数字遥控信号接收两个通道，图像信号发射通道由摄像头、视频信号放大器、5GHz本振电路、锁相器、微波调制器、图像信号滤波器、环形器和天线组成，其载波频率为5GHz，遥控信号接收通道由天线、环形器、数字微波解调器、4GHz本振电路、锁相器、放大器和数字逻辑电路组成，可传输6路遥控数字信号，其载波频率为4GHz，两个通道频段相差1000MHz，共用一个环形器和一个天线。

10.根据权利要求1所述的超小型管道内自动爬行X射线探伤机，其特征是管外监控部分收发信号系统包括微波图像信号接收和微波数字信号发射两个通道，图像信号接收通道由天线、环形器、图像信号滤波器、微波图像解调器、5GHz本振电路、锁相器、视频信号放大器和图像监视器组成，其载波频率为5GHz，遥控信号发射通道由6路数字逻辑编码器、微波数字信号调制器、4GHz本振电路、锁相器、环形器和天线组成，其载波频率为4GHz，两个通道频段相并1000MHz，共用一个环形器和一个天线。

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