WO2013167094A2 - Robotic platform for in-pipe inspection - Google Patents

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WO2013167094A2
WO2013167094A2 PCT/CO2013/000001 CO2013000001W WO2013167094A2 WO 2013167094 A2 WO2013167094 A2 WO 2013167094A2 CO 2013000001 W CO2013000001 W CO 2013000001W WO 2013167094 A2 WO2013167094 A2 WO 2013167094A2
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Abstract

The invention relates to an inspection robot for pipes used to transport different types of fluids (liquids or gases). The robot considers the interaction between the fluid, the pipe and the robot in order to prevent: overpressure in the pipe above the maximum operating pressures, and pressure drops below vapour pressure, thereby preventing cavitation in the case of liquids. The robot extracts energy from the fluid and uses said energy to move itself, the speed of the robot also being controlled such that it can move at a constant speed, eliminating variations in speed typical of fluid transport. The reconfigurable constant speed is achieved using a control system which maintains the speed at a reference value and evaluates the interaction between the robot, the pipe and the fluid in order to maintain safe operating conditions.

Description

PLATAFORMA ROBÓTICA PARA INSPECCIÓN INTERNA DE TUBERIAS  ROBOTIC PLATFORM FOR INTERNAL INSPECTION OF PIPES
1. Campo de la Invención El presente invento está relacionado con aparatos robóticos y más particularmente, pero no exclusivamente, a aparatos robóticos adaptados para viajar a través de tuberías u otro tipo de conductos tubulares de diferentes diámetros, propulsado por el flujo que llevan dichos conductos, para realizar inspección, limpieza y otro tipo de actividades de mantenimiento. 2. Descripción del estado del arte 1. Field of the Invention The present invention relates to robotic devices and more particularly, but not exclusively, to robotic devices adapted to travel through pipes or other types of tubular ducts of different diameters, propelled by the flow carried by said ducts. , to perform inspection, cleaning and other maintenance activities. 2. Description of the state of the art
La integridad de tuberías para transporte de líquidos y gases es de suma importancia para las ciudades e industrias. Cuando se trata de tuberías para transporte de hidrocarburos la herramienta estándar de inspección corresponde al PIG, de su acrónimo en inglés Pipeline Inspection Gauge, empleado para labores de mantenimiento e inspección. En dichas labores (mantenimiento e inspección) es necesario tener en cuenta diversos parámetros a la hora de realizar la inspección con PIGs. El primero es la presión máxima de operación de la tubería donde se realizará la inspección, debido a la interacción entre el fluido, el PIG y la tubería. Es posible alcanzar presiones por encima de la presión de operación llegando a causar daños mayores a la tubería. El segundo corresponde a la velocidad con la cual es realizada la inspección, ya que las altas velocidades o las aceleraciones en el recorrido reducen la eficiencia de la inspección y aumenta la posibilidad de ocurrencia de daños en el PIG y en la tubería. El tercero corresponde a generar presiones por debajo de la presión de vapor. En el caso de trabajar con líquidos, dicha presión genera el conocido fenómeno de cavitación generando daños en la tubería. The integrity of pipelines for transporting liquids and gases is of the utmost importance for cities and industries. When it comes to pipelines for transporting hydrocarbons, the standard inspection tool corresponds to the PIG, its acronym in English Pipeline Inspection Gauge, used for maintenance and inspection. In these tasks (maintenance and inspection) it is necessary to take into account various parameters when conducting the inspection with PIGs. The first is the maximum operating pressure of the pipe where the inspection will be carried out, due to the interaction between the fluid, the PIG and the pipe. It is possible to reach pressures above the operating pressure causing major damage to the pipe. The second corresponds to the speed with which the inspection is carried out, since high speeds or accelerations in the path reduce the efficiency of the inspection and increase the possibility of damage to the PIG and the pipeline. The third corresponds to generating pressures below the vapor pressure. In the case of working with liquids, this pressure generates the known phenomenon of cavitation generating damage to the pipe.
La patente estadounidense US 864,544 divulga un método para limpieza de tuberías impulsado por el fluido sin considerar los efectos que dicha actividad genera en la integridad de la tubería y la opción de inspección. La patente US 1 ,547,440 al igual que la anterior patente utilizada para limpieza, no considera su interacción con la tubería y posibilidad de inspección. La patente US 3,292,197 a diferencia de las anteriores utilizó un sistema de limpieza magnético aun sin tener en cuenta la interacción PIG - tubería. La patente US 3,755,908 divulga un PIG que inspecciona la pared de la tubería buscando desviaciones en su diámetro interno registrando los datos mecánicamente. Dicha patente incluye la función de inspección sin considerar la influencia del robot con la tubería. Los PIGs de inspección actuales utilizan métodos de medición como MFL (Magnetic Flux Lckeage), presente en las patentes US 4,789,827, US 5,864,232, US 7,218,102 B2, y otras patentes que utilizan ultrasonido y corrientes de Eddy, como por ejemplo en la patente US 4,153,875. Los métodos de inspección utilizados en las patentes anteriormente mencionadas son sensibles a los cambios en la velocidad del movimiento del PIG dentro de la tubería, hecho que es tenido en cuenta en la presente invención, pero no consideran la interacción entre el robot y la tubería. Es importante resaltar que los métodos de inspección por medio de PIGs generan variaciones en las presiones internas de operación de la tubería y podrían generar incluso el daño de las mismas. La patente US 6,370,721 B l , concedida en 2002, está compuesta por una serie de pasajes cada uno de ellos con una configuración tipo venturi, los cuales permiten el flujo del fluido a través del cuerpo del robot. El tamaño y la forma de los pasajes pueden cambiar para variar la caída de presión en el cuerpo del PIG, variando la velocidad del PIG en la tubería. Esta patente obstruye en un mayor porcentaje el paso del fluido y no considera el efecto del robot en la variación de presión del fluido; tampoco posee un sistema de locomoción actuado por la captura de energía del fluido, y no controla la fuerza de contacto de las ruedas con la tubería ni adapta su forma a la misma. US Pat. No. 864,544 discloses a method for fluid-driven pipe cleaning without considering the effects that said activity generates on the integrity of the pipe and the inspection option. US Patent 1,547,440, like the previous patent used for cleaning, does not consider its interaction with the pipeline and the possibility of inspection. US Patent 3,292,197, unlike the previous ones, used a Magnetic cleaning system even without taking into account the PIG - pipe interaction. US Patent 3,755,908 discloses a PIG that inspects the pipe wall for deviations in its internal diameter by recording the data mechanically. This patent includes the inspection function without considering the influence of the robot with the pipe. Current inspection PIGs use measurement methods such as MFL (Magnetic Flux Lckeage), present in US 4,789,827, US 5,864,232, US 7,218,102 B2, and other patents that use Eddy ultrasound and currents, such as in US patent 4,153,875 . The inspection methods used in the aforementioned patents are sensitive to changes in the speed of movement of the PIG within the pipe, a fact that is taken into account in the present invention, but does not consider the interaction between the robot and the pipe. It is important to highlight that the inspection methods by means of PIGs generate variations in the internal operating pressures of the pipe and could even cause damage to them. The US patent 6,370,721 B 1, granted in 2002, is composed of a series of passages each with a venturi-like configuration, which allow the fluid to flow through the robot body. The size and shape of the passages may change to vary the pressure drop in the PIG body, varying the speed of the PIG in the pipe. This patent obstructs in a greater percentage the passage of the fluid and does not consider the effect of the robot in the variation of fluid pressure; It also does not have a locomotion system operated by the capture of energy from the fluid, and does not control the contact force of the wheels with the pipe or adapt its shape to it.
La patente US 5,208,936, concedida en 1993, divulga un PIG para gasoductos y contiene una serie de agujeros en el cuerpo del robot con la intención de permitir el paso del gas a través del cuerpo del PIG. La velocidad se controla con una placa giratoria que obstruye o permite el paso del gas por el cuerpo del PIG. Esta patente obstruye en mayor porcentaje el área de paso del fluido y es solo para gas. El PIG divulgado no puede interactuar en diferentes fluidos (líquidos o gases), tampoco posee un mecanismo de locomoción ni considera la influencia del robot en el flujo del gas y su presión. Finalmente, tampoco controla la fuerza de contacto con la tubería ni adapta su forma a la misma. La patente GB 2,305,407, concedida en 2005, divulga un sistema de locomoción y obtiene la energía para su locomoción a partir de la energía del fluido. Dicha energía es tomada por medio de una turbina compuesta por un estator y un rotor, y es llevada a un sistema de levas de tornillo la cual transforma el movimiento de rotación de la turbina en un movimiento cíclico de traslación el cual actúa sobre unos cepillos que se apoyan en las paredes de la tubería generando su propia locomoción. La turbina se ubica en el centro de la tubería y tiene una configuración tipo Kaplan. No tiene en cuenta la influencia del PIG en la variación de presión del fluido dentro de la tubería y no controla la fuerza de contacto con la tubería ni adapta su forma a la misma. US Patent 5,208,936, issued in 1993, discloses a PIG for pipelines and contains a series of holes in the robot body with the intention of allowing the passage of gas through the PIG body. The speed is controlled with a turntable that obstructs or allows the passage of gas through the body of the PIG. This patent obstructs the passage area of the fluid to a greater extent and is only for gas. The disclosed PIG cannot interact in different fluids (liquids or gases), nor does it have a locomotion mechanism nor does it consider the robot's influence on the gas flow and its pressure. Finally, it does not control the contact force with the pipe or adapt its shape to it. Patent GB 2,305,407, granted in 2005, discloses a locomotion system and obtains the energy for its locomotion from the energy of the fluid. Said energy is taken by means of a turbine composed of a stator and a rotor, and is taken to a screw cam system which transforms the turbine's rotation movement into a cyclic translation movement which acts on brushes that they lean on the walls of the pipe generating their own locomotion. The turbine is located in the center of the pipe and has a Kaplan type configuration. It does not take into account the influence of the PIG in the variation of fluid pressure inside the pipe and does not control the contact force with the pipe or adapt its shape to it.
La patente US 7,182,025 B2, concedida en 2007, divulga un robot para tuberías de 2 a 6 pulgadas de diámetro, presenta un sistema de toma de energía por medio de una turbina, pasajes en el cuerpo del robot y un mecanismo de movimiento helicoidal. El PIG está limitado para operación en tuberías de hasta 6 pulgadas. Tampoco considera la influencia del robot en la presión del fluido en la tubería, y no controla la fuerza de contacto de las ruedas con la tubería ni adapta su forma a la misma. US Patent 7,182,025 B2, granted in 2007, discloses a robot for pipes from 2 to 6 inches in diameter, presents a power take-off system by means of a turbine, passages in the robot body and a helical movement mechanism. The PIG is limited for operation in pipes up to 6 inches. Nor does it consider the robot's influence on the pressure of the fluid in the pipe, and does not control the contact force of the wheels with the pipe or adapt its shape to it.
Las anteriores patentes aportan al estado de la técnica en la toma de energía del fluido y el control de la velocidad del movimiento del PIG. Utilizan diversos mecanismos como turbinas, escobas y placas, permitiendo el paso del fluido. Sin embargo, los diseños de PIGs ' en estas patentes obstruyen en gran medida el paso del fluido, generando configuraciones que solo podrían ser usadas para fluidos de densidad baja. De otro lado se centran en la toma de energía del fluido para generar su movimiento dentro de la tubería y no tienen en cuenta su influencia en la operación total de la tubería. The foregoing patents contribute to the state of the art in the fluid intake and control of the speed of the PIG movement. They use various mechanisms such as turbines, brooms and plates, allowing the passage of fluid. However, the PIG designs ' in these patents greatly obstruct the passage of fluid, generating configurations that could only be used for low density fluids. On the other hand, they focus on the energy intake of the fluid to generate its movement within the pipe and do not take into account its influence on the total operation of the pipe.
3. Breve descripción de las Figuras 3. Brief description of the Figures
La Figura 1 es una vista en sección del Robot. Figure 1 is a sectional view of the Robot.
La Figura 2 es una turbina para aprovechamiento de la energía del fluido. Figure 2 is a turbine for harnessing the energy of the fluid.
La Figura 3A es un sistema de generación de fuerza normal. La Figura 3B es el detalle del mecanismo de generación de fuerza normal. Figure 3A is a normal force generation system. Figure 3B is the detail of the normal force generation mechanism.
La Figura 4 es la vista frontal del sistema de generación de fuerza y adaptación geometrías diversas para 4 puntos de contacto o apoyos. Figure 4 is the front view of the power generation system and adaptation of various geometries for 4 contact points or supports.
La Figura 5 es la vista frontal del sistema de generación de fuerza y adaptación geometrías diversas para 3 puntos de contacto o apoyos. Figure 5 is the front view of the power generation system and adaptation of various geometries for 3 contact points or supports.
La Figura 6 muestra el sistema de dirección para el robot. Figure 6 shows the steering system for the robot.
La Figura 7 muestra el esquema de control del robot para inspección. Figure 7 shows the robot control scheme for inspection.
La Figura 8 muestra el ensamble completo del robot para inspección. 4. Breve descripción del Invento Figure 8 shows the complete assembly of the robot for inspection. 4. Brief description of the invention
La presente invención consiste en un robot de inspección para tuberías que transportan diferentes tipos de fluidos (líquidos o gases). El robot considera la interacción entre el fluido, la tubería y el robot, con el fin de evitar las sobre presiones en la tubería por encima de las presiones máximas de operación y las caídas de presión por debajo de la presión de vapor, previniendo así la cavitación en el caso de líquidos. El robot toma la energía del fluido y con la misma genera su propia locomoción controlando también su velocidad de tal forma que pueda moverse a velocidad constante eliminando las variaciones de velocidad típicas del transporte de fluidos. The present invention consists of an inspection robot for pipes that carry different types of fluids (liquids or gases). The robot considers the interaction between the fluid, the pipe and the robot, in order to avoid overpressures in the pipe above the maximum operating pressures and the pressure drops below the vapor pressure, thus preventing the Cavitation in the case of liquids. The robot takes the energy from the fluid and with it generates its own locomotion also controlling its speed so that it can move at a constant speed eliminating the speed variations typical of fluid transport.
Dadas las características anteriormente descritas se evitan las sobrepresiones y presiones de vapor que perjudican considerablemente las tuberías y se proporciona una velocidad de movimiento del robot constante y reconfigurable, disminuyendo el error de los métodos de inspección actuales (MFL, corrientes de Eddy, ultrasonido, entre otros) gracias al control de la velocidad del robot y por consiguiente la velocidad de inspección. El robot de la presente invención permite la incorporación de diferentes técnicas de inspección haciéndolo flexible al uso de diferentes tipos de instrumentación. Given the characteristics described above, overpressures and vapor pressures that significantly damage the pipes are avoided and a constant and reconfigurable robot movement speed is provided, reducing the error of current inspection methods (MFL, Eddy currents, ultrasound, between others) thanks to the robot speed control and therefore the inspection speed. The robot of the present invention allows the incorporation of different inspection techniques making it flexible to the use of different types of instrumentation.
La velocidad constante y reconfigurable la logra mediante el sistema de control el cual es el encargado de mantener la velocidad en un valor de referencia y evaluar la interacción entre el robot, la tubería y el fluido con el fin de mantener condiciones de operación seguras (evitar sobrepresiones, presiones de vapor o cambios bruscos de velocidad). The constant and reconfigurable speed is achieved through the control system which is responsible for maintaining the speed at a reference value and assessing the interaction between the robot, the pipe and the fluid in order to maintain safe operating conditions (avoid overpressures, vapor pressures or sudden changes in speed).
5. Descripción detallada de la invención 5. Detailed description of the invention
Haciendo referencia a las Figuras 1 a 8, el robot de la presente invención consta de 5 sistemas principales: Referring to Figures 1 to 8, the robot of the present invention consists of 5 main systems:
• el cuerpo tubular (Figura 1);  • the tubular body (Figure 1);
• el sistema para tomar energía del flujo de fluido con el fin de convertirla en energía mecánica (Figuras 1 y 2);  • the system to take energy from the fluid flow in order to convert it into mechanical energy (Figures 1 and 2);
• el sistema de generación de fuerza normal (Figuras 3A, 3B, 4 y 5);  • the normal force generation system (Figures 3A, 3B, 4 and 5);
• el sistema de direccionamiento o transmisión helicoidal (Figura 6); y  • the helical routing or transmission system (Figure 6); Y
• el sistema de control (Figura 7). 6. Descripción detallada  • the control system (Figure 7). 6. Detailed Description
Haciendo referencia a la Figura 1 , se describe el cuerpo tubular del robot. El cuerpo tubular del robot se dispone al interior de la tubería donde se realizará la inspección de manera que el eje del cuerpo tubular sea paralelo al eje longitudinal de flujo del fluido. El robot de la presente invención está contemplado para tuberías que transportan diferentes tipos de fluidos (líquidos o gases) en su interior. El cuerpo tubular consiste en al menos dos secciones modulares unidas a través de una sección diametral menor (8), en donde se ubica un sistema para tomar energía del flujo del fluido. Cada sección tiene una serie de mecanismos de sujeción que permiten la unión entre dichas secciones. Referring to Figure 1, the tubular body of the robot is described. The tubular body of the robot is placed inside the pipe where the inspection will be carried out so that the axis of the tubular body is parallel to the longitudinal axis of fluid flow. The robot of the present invention is contemplated for pipes that carry different types of fluids (liquids or gases) inside. The tubular body consists of at least two modular sections joined through a smaller diametral section (8), where a system for taking energy from the fluid flow is located. Each section has a series of clamping mechanisms that allow the union between said sections.
En una modalidad preferida mostrada en la Figura 1, el cuerpo tubular tiene secciones esencialmente cónicas encontradas que unidas adoptan una forma tipo venturi. Esta configuración está determinada por la contracción de entrada (1), una sección de garganta (2) y una expansión de salida (3). Esta configuración de secciones aprovechan la energía del fluido generando un efecto tipo venturi. La forma del cuerpo del robot tipo venturi permite intercambiar la energía de flujo por energía cinética del fluido, incrementando la misma en la sección de garganta (2) del sistema, lugar donde se ubica un sistema para tomar energía del flujo del fluido acoplado al cuerpo tubular. In a preferred embodiment shown in Figure 1, the tubular body has essentially conical sections found which together adopt a venturi-like shape. This configuration is determined by the input contraction (1), a throat section (2) and an output expansion (3). This configuration of sections harness the energy of the fluid generating a venturi effect. The body shape of the venturi-type robot allows the flow energy to be exchanged for kinetic energy of the fluid, increasing the same in the throat section (2) of the system, where a system is located to take energy from the flow of the fluid coupled to the tubular body.
Este sistema para tomar la energía cinética del flujo para convertirla en energía mecánica rotacional en la modalidad preferida es una turbina (9) (ilustrada en la Figura 2). La forma del cuerpo tubular del robot también interviene en la fuerza de empuje generada por el fluido y permite un flujo a la salida con disminución de los posibles vórtices generados por la geometría interna del cuerpo del robot. La turbina (9) y el sistema de generación de fuerza normal y de dirección son solidarios, de tal manera que cuando el flujo del fluido pasa a través del robot, la turbina (9) se mueve armónicamente al mismo tiempo que los sistemas mencionados y éstos a su vez impulsan todo el cuerpo tubular del robot. La configuración cilindrica del cuerpo tubular del robot mostrado en la Figura 1 y la configuración tipo venturi en la parte interior del cuerpo tubular permite alojar un sistema de inspección (5). Esta cavidad tiene el objetivo de alojar la instrumentación necesaria que se encargará de la inspección de la tubería. El sistema de inspección (5) puede realizar la inspección de la tubería según la necesidad; puede ser geométrica, visual, espesor de tubería, corrosión, espesor de recubrimiento, etc. Dependiendo del tipo de medición a realizar, el equipo de instrumentación puede ubicarse en la zona de inspección (5) alrededor de la tubería. En algunas realizaciones donde se desea hacer inspección de corrosión, se puede emplear instrumentación tipo MFL (Magnetic Flux Lekage, por sus siglas en Inglés) ubicado alrededor del cuerpo tubular sobre la zona del sistema de inspección (5). Cualquier tipo de instrumentación necesaria para hacer dichas mediciones se adapta en el cuerpo del robot, específicamente en la cámara del sistema de inspección (5). En realizaciones donde la inspección es geométrica, se utilizan palpadores o sensores inductivos. Por lo tanto, la presente invención actúa como plataforma para diferentes técnicas de inspección. Siguiendo con la Figura 1, el cuerpo tubular del robot tiene una pluralidad de discos (6) que facilitan el movimiento del robot a través de la tubería. Estos discos (6) por lo general tienen el mismo diámetro al diámetro nominal de la tubería por donde van a moverse, esto con el propósito de generar una interferencia radial y una fuerza de presión entre los discos y la tubería y así permitir la alineación axial del robot dentro de la tubería. Los discos (6) generan una fuerza opuesta a la dirección de movimiento en función de la interferencia radial entre los discos y la tubería. Dicha fuerza es compensada por el sistema de generación de fuerza normal y el de locomoción helicoidal, contemplado por el sistema de control de movimiento del robot. This system for taking the kinetic energy of the flow to convert it into rotational mechanical energy in the preferred mode is a turbine (9) (illustrated in Figure 2). The shape of the tubular body of the robot also intervenes in the thrust force generated by the fluid and allows a flow to the outlet with decrease of the possible vortices generated by the internal geometry of the robot body. The turbine (9) and the normal and steering force generation system are integral, so that when the flow of fluid passes through the robot, the turbine (9) moves harmoniously at the same time as the mentioned systems and these in turn drive the entire tubular body of the robot. The cylindrical configuration of the tubular body of the robot shown in Figure 1 and the venturi-like configuration in the inner part of the tubular body allows to house an inspection system (5). This cavity is intended to accommodate the necessary instrumentation that will be responsible for the inspection of the pipe. The inspection system (5) can perform the inspection of the pipe according to need; It can be geometric, visual, pipe thickness, corrosion, coating thickness, etc. Depending on the type of measurement to be performed, the instrumentation equipment can be located in the inspection area (5) around the pipe. In some embodiments where corrosion inspection is desired, MFL (Magnetic Flux Lekage) instrumentation located around the tubular body above the inspection system area (5) can be used. Any type of instrumentation necessary to make these measurements is adapted in the robot body, specifically in the inspection system chamber (5). In embodiments where the inspection is geometric, probes or inductive sensors are used. Therefore, the present invention acts as a platform for different inspection techniques. Following Figure 1, the tubular body of the robot has a plurality of discs (6) that facilitate the movement of the robot through the pipe. These disks (6) usually they have the same diameter to the nominal diameter of the pipe where they are going to move, this with the purpose of generating a radial interference and a pressure force between the disks and the pipe and thus allow the axial alignment of the robot inside the pipe. The discs (6) generate a force opposite to the direction of movement as a function of the radial interference between the discs and the pipe. Said force is compensated by the normal force generation system and the helical locomotion system, contemplated by the robot's motion control system.
Haciendo referencia a la Figura 2, se describe un sistema, para tomar la energía del flujo del fluido con el fin de convertirla en energía mecánica, que consiste en una turbina (9). La turbina (9) se encarga de tomar la energía de flujo de la sección de garganta (2) (ver Figura 1) para convertirla en energía mecánica rotacional. El ángulo de los álabes (11), su forma y el diámetro de la turbina es variable en función del fluido por el que se transporta y el diámetro de la tubería con el fin de obtener la velocidad de rotación adecuada a las necesidades de la inspección a realizar. Por ejemplo para una tubería que transporte agua se utilizan álabes tipo turbina Kaplan; para transporte de gas, los álabes tienen la forma de turbinas para gas conservando una geometría similar. Referring to Figure 2, a system is described, to take the energy from the fluid flow in order to convert it into mechanical energy, which consists of a turbine (9). The turbine (9) is responsible for taking the flow energy from the throat section (2) (see Figure 1) to convert it into rotational mechanical energy. The angle of the blades (11), its shape and the diameter of the turbine is variable depending on the fluid through which it is transported and the diameter of the pipe in order to obtain the speed of rotation appropriate to the needs of the inspection To make. For example, for a pipe that carries water, Kaplan turbine blades are used; For gas transport, the blades have the shape of gas turbines while retaining a similar geometry.
Haciendo referencia a las Figuras 3, 4 y 5, se divulga un sistema de generación de fuerza normal. El sistema de generación de fuerza normal es el encargado de generar la fuerza de contacto entre el robot y la tubería para permitir la locomoción helicoidal. Dicha locomoción depende de la generación de fuerza normal sobre la tubería y el ángulo (16) de los puntos de fricción selectiva el cual da el avance y velocidad de traslación. Los puntos de dirección selectiva pueden estar conformados por cualquier elemento que permita el rodamiento entre el robot y las paredes de la tubería, que en modalidades preferidas del presente invento son ruedas direccionables (7). Por ejemplo, para que el robot pueda alcanzar una velocidad de 5m/s, el ángulo α puede variar entre [-45 a 45] grados, en donde dicho ángulo está en función de la velocidad de inspección deseada. Debe entenderse para una persona versada en la materia, que la configuración del sistema de generación de fuerza normal permite variar los valores del ángulo de giro (16) de las ruedas direccionables (7), variando la velocidad de movimiento del robot, y por lo tanto los valores de giro de las ruedas direccionables (7) de éste ejemplo no son limitativos permitiendo un rango de movimiento mucho más amplio. Referring to Figures 3, 4 and 5, a normal force generation system is disclosed. The normal force generation system is responsible for generating the contact force between the robot and the pipe to allow helical locomotion. Said locomotion depends on the generation of normal force on the pipe and the angle (16) of the selective friction points which gives the advance and translation speed. The selective direction points can be formed by any element that allows the bearing between the robot and the pipe walls, which in preferred embodiments of the present invention are addressable wheels (7). For example, so that the robot can reach a speed of 5m / s, the angle α can vary between [-45 to 45] degrees, where said angle is a function of the desired inspection speed. It should be understood for a person versed in the art, that the configuration of the normal force generation system allows varying the values of the angle of rotation (16) of the addressable wheels (7), varying the speed of movement of the robot, and so both the turn values of the addressable wheels (7) of this example are not limiting allowing a much wider range of motion.
Adicionalmente, en la modalidad preferida, el sistema de generación de fuerza normal consta de un conjunto de barras articuladas (13) accionadas por un motor que gobierna un sistema de engranajes ( 17) y rueda dentada (18). Este sistema de engranajes, que hace parte del sistema de generación de fuerza normal, es el encargado de transmitir la fuerza a las barras articuladas (13) quienes a su vez generan la fuerza sobre las paredes de la tubería. Los engranajes (17) pueden ser cónicos, rectos o helicoidales, siendo los engranajes rectos la realización preferida de la presente invención. A su vez, un tornillo (14), mostrado en la Figura 3B, es solidario al engranaje (17) y tuerca (15), que son los encargados de abrir y cerrar el mecanismo de barras articuladas (13) incrementando la fuerza de contacto entre el robot y la tubería adaptándolo también a variaciones geométricas presentes en tuberías del mismo diámetro estándar comercial. El sistema de generación de fuerza es solidario a la turbina (9) girando con ella, aprovechado la energía de flujo, como se muestra en la Figura 1 (9) y (7). Additionally, in the preferred embodiment, the normal force generation system consists of a set of articulated bars (13) driven by a motor that governs a gear system (17) and cogwheel (18). This gear system, which is part of the normal force generation system, is responsible for transmitting the force to the articulated bars (13) which in turn generate the force on the walls of the pipe. The gears (17) can be conical, straight or helical, with the straight gears being the preferred embodiment of the present invention. In turn, a screw (14), shown in Figure 3B, is integral to the gear (17) and nut (15), which are responsible for opening and closing the mechanism of articulated bars (13) increasing the contact force between the robot and the pipe also adapting it to geometric variations present in pipes of the same commercial standard diameter. The force generation system is integral to the turbine (9) rotating with it, taking advantage of the flow energy, as shown in Figure 1 (9) and (7).
El sistema de generación de fuerza normal puede ser accionado por un motor de pasos o un servomotor que actúa sobre la rueda dentada (18) que le transmite movimiento al sistema de engranajes (17) que hace girar los tornillos ( 14) dentro de la tuerca (15) la cual está libre y se traslada sobre el eje del tornillo, moviendo las barras articuladas ( 13) actuando sobre las ruedas (7) las cuales ajustan el valor de la fuerza normal a un valor que puede ir de 0 a 30.000 N dependiendo de las condiciones límite de la tubería a inspeccionar. El sistema de generación de fuerza puede tener como mínimo 3 puntos de contacto con la tubería como se presenta en la Figura 4 donde se presentan cuatro puntos de contacto (19a), (19b), (19c), (19d) y la Figura 5 que muestra tres puntos de contacto (20a), (20b), (20c). Las variaciones en la fuerza generada por el sistema de generación de fuerza normal, puede aumentar o disminuir su diámetro de contacto en un 5%. La persona versada en la materia entendería que pueden verse otros diseños que permitan generar fuerza normal sobre la superficie interna de la tubería, como lo son resortes, sistemas neumáticos, hidráulicos, tornillo sinfín. Haciendo referencia a la Figura 6, se describe el sistema de dirección para el robot. El sistema de dirección del robot funciona en conjunto con el sistema de fuerza normal, pero para efectos de comprensión de la figura, ésta no incluye la rueda dentada (18) que se muestra en la Figura 3Λ, que iría alrededor en la cara frontal, opuesta a la rueda dentada (22) que está en la cara posterior y que hace contacto con los engranajes (21), la cual es la encargada de hacer girar los engranajes (17) y modificar la fuerza de las ruedas sobre la tubería. El sistema de dirección mostrado en las Figuras 1, 3, 6 y 8, es el encargado de cambiar la orientación de las ruedas (7) del robot formando un ángulo de ataque α (16) (ver Figuras 3 y 6), definido como el ángulo (16) entre las ruedas del robot y la tubería, generando un movimiento helicoidal el cual transforma el movimiento rotacional de la turbina en movimiento longitudinal a lo largo de la tubería, algo similar a como lo haría un tornillo y una tuerca. El ángulo de ataque (16) cambia dependiendo de la velocidad deseada de movimiento del robot. El sistema de dirección está dirigido inicialmente por una rueda dentada conductora (22) (ver Figura 6) accionada por un servomotor o un motor de pasos. La rueda dentada (22) al girar acciona al sistema de engranajes conducidos (23), quienes por medio de un cardan (24) le transmiten el movimiento angular a las ruedas direccionables (7) del robot. The normal force generation system can be driven by a stepper motor or a servomotor that acts on the gearwheel (18) that transmits movement to the gear system (17) that rotates the screws (14) inside the nut (15) which is free and moves on the axis of the screw, moving the articulated bars (13) acting on the wheels (7) which adjust the value of the normal force to a value that can range from 0 to 30,000 N depending on the boundary conditions of the pipe to be inspected. The force generation system can have at least 3 points of contact with the pipe as shown in Figure 4 where four points of contact (19a), (19b), (19c), (19d) and Figure 5 are presented which shows three points of contact (20a), (20b), (20c). Variations in the force generated by the normal force generation system, can increase or decrease its contact diameter by 5%. The person versed in the matter would understand that other designs can be seen that allow to generate normal force on the internal surface of the pipe, such as springs, pneumatic, hydraulic systems, auger. Referring to Figure 6, the steering system for the robot is described. The robot's steering system works in conjunction with the normal force system, but for purposes of understanding the figure, it does not include the sprocket (18) shown in Figure 3Λ, which would go around on the front face, opposite to the cogwheel (22) that is on the back side and that makes contact with the gears (21), which is responsible for rotating the gears (17) and modifying the force of the wheels on the pipe. The steering system shown in Figures 1, 3, 6 and 8, is responsible for changing the orientation of the wheels (7) of the robot forming an angle of attack α (16) (see Figures 3 and 6), defined as the angle (16) between the wheels of the robot and the pipe, generating a helical movement which transforms the rotational movement of the turbine into longitudinal movement along the pipe, something similar to how a screw and a nut would. The angle of attack (16) changes depending on the desired speed of movement of the robot. The steering system is initially driven by a conductive cogwheel (22) (see Figure 6) driven by a servomotor or stepper motor. When turning, the cogwheel (22) drives the driven gear system (23), which by means of a cardan (24) transmits the angular movement to the addressable wheels (7) of the robot.
Haciendo referencia a la Figura 7, se divulga el sistema de control del robot. El sistema de control es el encargado de mantener la velocidad en un valor de referencia Vd(t) teniendo en cuenta la interacción entre el fluido, la tubería y el robot. El sistema de control es un sistema basado en la fuerza de empuje necesaria para mantener la translación en el valor de referencia y el monitoreo de la interacción entre el robot, la tubería y el fluido para no llegar a valores indeseados de presión. El sistema de control toma el valor de referencia de velocidad Vd(t), posteriormente por medio de un comparador (29) genera la señal de error E(t) la cual es transformada a fuerza normal y ángulo de las ruedas direccionables F(t) por medio de la ganancia (30) cambiando el movimiento del robot, cuya ecuación dinámica (3) está en el RIT (31) (acrónimo de Robot para Inspección de Tuberías). Este movimiento genera una señal de presión P(x,t) que modifica las condiciones de presión P(x,t) y velocidad del fluido V(x,t) preestablecidas en el control, reflejado en (32). Debido a la interacción de la planta (Interacción Tubería fluido) + RIT (Robot de Inspección de Tuberías) (32), se cambia la fuerza de empuje sobre el robot RIT (33) generando un nuevo ángulo de las ruedas direccionables y fuerza normal F(t) y por consiguiente su velocidad. Las fuerzas y velocidades son sensadas con una celda de carga (25) y un odómetro respectivamente y tratadas por medio del bloque K (34) obteniendo el valor de Velocidad real Vr(t) la cual es llevada al comparador (29) donde reinicia el ciclo de control comparando la velocidad real con la velocidad de referencia Vd(t) generando de nuevo la señal de error y así sucesivamente hasta alcanzar la velocidad deseada de referencia. En cada una de las etapas de control (29) a (34) se encuentran los algoritmos necesarios para llevar a cabo el cálculo y la medición de los datos. Dichos algoritmos pueden ser programados en un DSP (Digital Signal Processor), FPGA (Fiel Programmable Gate Array), Microcontrolador o Procesador disponibles comercialmente. Referring to Figure 7, the robot control system is disclosed. The control system is responsible for maintaining the speed at a reference value Vd (t) taking into account the interaction between the fluid, the pipe and the robot. The control system is a system based on the thrust force necessary to maintain the translation in the reference value and the monitoring of the interaction between the robot, the pipe and the fluid so as not to reach unwanted pressure values. The control system takes the speed reference value Vd (t), then through a comparator (29) generates the error signal E (t) which is transformed to normal force and angle of the addressable wheels F (t ) by means of the gain (30) by changing the movement of the robot, whose dynamic equation (3) is in the RIT (31) (acronym for Robot for Pipe Inspection). This movement generates a pressure signal P (x, t) that modifies the pressure conditions P (x, t) and fluid velocity V (x, t) preset in the control, reflected in (32). Due to the interaction of the plant (Fluid Pipe Interaction) + RIT (Pipe Inspection Robot) (32), the thrust force on the RIT robot (33) is changed generating a new angle of the addressable wheels and normal force F (t) and therefore its speed. The forces and velocities are sensed with a load cell (25) and an odometer respectively and treated by means of the block K (34) obtaining the real Speed value Vr (t) which is taken to the comparator (29) where it restarts the control cycle comparing the actual speed with the reference speed Vd (t) generating the error signal again and so on until reaching the desired reference speed. In each of the control stages (29) to (34) are the algorithms necessary to carry out the calculation and measurement of the data. These algorithms can be programmed in a DSP (Digital Signal Processor), FPGA (Faithful Programmable Gate Array), Microcontroller or Processor commercially available.
La Figura 8 muestra la configuración del robot de inspección en su modalidad preferida con todos sus sistemas, cuerpo tubular (27), discos de contacto (6), turbina (9) y sistema de locomoción helicoidal (26). Figure 8 shows the configuration of the inspection robot in its preferred mode with all its systems, tubular body (27), contact discs (6), turbine (9) and helical locomotion system (26).
Electrónica y sistema de control: Electronics and control system:
El sistema electrónico del robot está divido en dos partes: la electrónica para el control y la electrónica para instrumentación o electrónica utilizada en la inspección, esta ultima depende del servicio que sea solicitado, por ejemplo si es detección de corrosión es necesario utilizar un sistema MFL (Fuga de campo magnético), si es detección geométrica necesita palpadores o sensores inductivos, dichos sistemas son ubicados en el cuerpo del robot en la zona del sistema de inspección (5) según la necesidad solicitada. La electrónica para control consta de un odómetro o encoder que da la información de velocidad del robot. Dicha información va a un crocontrolador (el controlador puede ser de cualquier tecnología tales como DSP, FPGA, microcontrolador, etc) quien infiere según sea la diferencia con el valor de referencia y controla dos servomotores uno de ellos actúa sobre el sistema de generación de fuerza normal (ver la Figura 3), generando la fuerza de contacto necesaria para el movimiento. El segundo servomotor actúa sobre el sistema de transmisión helicoidal (ver Figura 6) controlando el ángulo (16) de incidencia de las ruedas direccionables (7) del robot con la tubería cambiando la velocidad de desplazamiento del robot. El controlador analiza la influencia del robot en las presiones y velocidades del fluido, ya que el mismo genera cambios en el comportamiento del flujo y este a su vez genera cambios en la fuerza de arrastre que actúa sobre el robot influyendo en su velocidad. Dicha interacción es evaluada en el controlador solucionando las ecuaciones 1, 2 y 3 siguientes, las cuales describen la influencia de la dinámica del robot (ecuación 3), la cantidad de movimiento del fluido (ecuación 2) y las condiciones de frontera generadas por la tubería y las propiedades físicas del fluido, descritas en la ecuación de continuidad (ecu The robot's electronic system is divided into two parts: the electronics for the control and the electronics for instrumentation or electronics used in the inspection, the latter depends on the service that is requested, for example if it is corrosion detection it is necessary to use an MFL system (Magnetic field leakage), if it is a geometric detection, you need probes or inductive sensors, these systems are located in the body of the robot in the area of the inspection system (5) according to the requested need. The control electronics consist of an odometer or encoder that gives the robot speed information. This information goes to a crocontroller (the controller can be of any technology such as DSP, FPGA, microcontroller, etc.) who infers according to the difference with the reference value and controls two servomotors one of them acts on the system of normal force generation (see Figure 3), generating the necessary contact force for the movement. The second servomotor acts on the helical transmission system (see Figure 6) by controlling the angle (16) of incidence of the addressable wheels (7) of the robot with the pipe by changing the travel speed of the robot. The controller analyzes the influence of the robot on the pressures and velocities of the fluid, since it generates changes in the flow behavior and this in turn generates changes in the drag force that acts on the robot influencing its speed. This interaction is evaluated in the controller by solving the following equations 1, 2 and 3, which describe the influence of the robot dynamics (equation 3), the amount of fluid movement (equation 2) and the boundary conditions generated by the pipe and the physical properties of the fluid, described in the continuity equation (ecu
Figure imgf000013_0001
d2x
Figure imgf000013_0001
d 2 x
m ( Pl - P2 ) A - mg sm 0 - Fe a (3) m (P l - P 2 ) A - mg sm 0 - F e a (3)
dt1 dt 1
Ejemplo ilustrativo: Illustrative example:
En una realización preferida del presente invento, el robot realiza una inspección en una tubería que transporta petróleo. El primer paso es hacer un recorrido por la tubería a inspeccionar con el fin de obtener la información plani-altimétrica del recorrido, infiriendo la posición a partir de la ecuación (4):
Figure imgf000013_0002
In a preferred embodiment of the present invention, the robot performs an inspection on a pipeline that carries oil. The first step is to make a route through the pipeline to be inspected in order to obtain the plani-altimetric information of the route, inferring the position from equation (4):
Figure imgf000013_0002
r' C COS Ó . .  r 'C COS Ó. .
J0~ + ca )dt (4)J 0 - ~ + ca ) dt (4)
Figure imgf000013_0004
Figure imgf000013_0004
Figure imgf000013_0003
En caso de tener el perfil del recorrido previamente, no se hace necesario hacer el primer recorrido y se cargan los datos del recorrido al controlador. Teniendo en cuenta la densidad relativa promedio del petróleo, que está entre 0,8 y 0,9kg/m3, y el flujo másico que es de 400 kg/s, se determinó un ángulo de los álabes de la turbina (9) en 30 grados, obteniendo un torque de 98 N-m y velocidad angular de 14,6 rad/seg. Bajo las anteriores condiciones el sistema genera una fuerza de contacto con la tubería entre 2.300 y 30.000 N, y un ángulo (16) de las ruedas direccionables (7) de 42 grados para una velocidad de desplazamiento de 5 m/s, la cual es la velocidad recomendada para la técnica de inspección por fuga de campo magnético MFL.
Figure imgf000013_0003
In case of having the route profile previously, it is not necessary to make the first route and the route data is loaded to the controller. Taking into account the average relative density of oil, which is between 0.8 and 0.9kg / m 3 , and the mass flow of 400 kg / s, an angle of the turbine blades (9) was determined in 30 degrees, obtaining a torque of 98 Nm and angular speed of 14.6 rad / sec. Under the above conditions the system generates a contact force with the pipe between 2,300 and 30,000 N, and an angle (16) of the addressable wheels (7) of 42 degrees for a travel speed of 5 m / s, which is The recommended speed for the MFL magnetic field leak inspection technique.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . Dispositivo para la inspección interna de tuberías con flujo de fluido interno caracterizado porque comprende: one . Device for internal inspection of pipes with internal fluid flow characterized in that it comprises:
a- un cuerpo tubular cuyo eje es paralelo al flujo del fluido;  a- a tubular body whose axis is parallel to the fluid flow;
b- un sistema para tomar energía del flujo del fluido acoplado operativamente al cuerpo tubular; y  b- a system to take energy from the fluid flow operatively coupled to the tubular body; Y
c- un sistema de dirección que permite variar la velocidad de locomoción rotacional y longitudinal del dispositivo dentro de la tubería.  c- a steering system that allows varying the rotational and longitudinal locomotion speed of the device inside the pipe.
2. El dispositivo de la Reivindicación 1 , caracterizado porque el cuerpo tubular tiene una superficie externa y una superficie interna donde el diámetro externo es sustancialmente constante y el diámetro interno varía de tal manera que se reduce en una sección de garganta (2) de tal manera que se genera un efecto venturi. 2. The device of Claim 1, characterized in that the tubular body has an external surface and an internal surface where the external diameter is substantially constant and the internal diameter varies in such a way that it is reduced in a throat section (2) of such so that a venturi effect is generated.
3. El dispositivo de la Reivindicación 1, caracterizado porque el cuerpo tubular está conformado por secciones modulares. 3. The device of Claim 1, characterized in that the tubular body is formed by modular sections.
4. El dispositivo de la Reivindicación 1, caracterizado porque el sistema para tomar energía del flujo del fluido es una turbina. 4. The device of Claim 1, characterized in that the system for taking energy from the fluid flow is a turbine.
5. El dispositivo de la Reivindicación 4, caracterizado porque la turbina es solidaria al sistema de dirección y está acoplada al cuerpo tubular. 5. The device of Claim 4, characterized in that the turbine is integral with the steering system and is coupled to the tubular body.
6. El dispositivo de las Reivindicación 4, caracterizado porque la turbina está ubicada en una sección de garganta (2) del cuerpo tubular. 6. The device of claim 4, characterized in that the turbine is located in a throat section (2) of the tubular body.
7. El dispositivo de la Reivindicación 4, caracterizado porque el ángulo de los álabes de la turbina es variable en función del fluido por el que se transporta y el diámetro de la tubería. 7. The device of Claim 4, characterized in that the angle of the turbine blades is variable depending on the fluid through which it is transported and the diameter of the pipe.
8. El dispositivo de la Reivindicación 1 , caracterizado porque el sistema de dirección ejerce un contacto sobre las paredes internas de la tubería en por lo menos 3 puntos. 8. The device of Claim 1, characterized in that the steering system exerts a contact on the internal walls of the pipe at least 3 points.
9. El dispositivo de la Reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de dirección está conformado por un sistema de generación de fuerza normal sobre las paredes internas de la tubería. 9. The device of Claim 1, characterized in that the steering system is formed by a system of generating normal force on the internal walls of the pipe.
10. El dispositivo de la Reivindicación 9, caracterizado porque el sistema de generación de fuerza normal hace contacto con las paredes internas de la tubería a través de unos puntos de fricción direccionalmente selectivos. 10. The device of Claim 9, characterized in that the normal force generation system makes contact with the internal walls of the pipe through directionally selective friction points.
1 1. El dispositivo de la Reivindicación 10, caracterizado porque los puntos de fricción direccionalmente selectivos son ruedas direccionables. The device of Claim 10, characterized in that the directionally selective friction points are addressable wheels.
12. El dispositivo de las Reivindicaciones 9 a 11 , caracterizado porque las ruedas direccionables están conectadas operativamente a un sistema de transmisión tipo corona-engranaje que le permite el movimiento angular. 12. The device of claims 9 to 11, characterized in that the addressable wheels are operatively connected to a crown-gear type transmission system that allows angular movement.
13. El dispositivo de las Reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque el sistema de dirección permite ejercer un contacto de fuerza normal variable sobre las paredes de la tubería. 13. The device of claims 1 to 12, characterized in that the steering system allows to exert a contact of variable normal force on the walls of the pipe.
14. El dispositivo de las Reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque el sistema de dirección está conformado por un sistema adicional de transmisión tipo corona- engranaje (22) que permite la articulación de una pluralidad de barras (13) para modificar la fuerza ejercida por las ruedas direccionables (7) sobre las paredes internas de la tubería. 14. The device of claims 1 to 13, characterized in that the steering system is formed by an additional crown-gear type transmission system (22) that allows the articulation of a plurality of bars (13) to modify the force exerted by the addressable wheels (7) on the internal walls of the pipe.
15. El dispositivo de la Reivindicación 14, caracterizado porque el sistema de transmisión transmite movimiento angular a las ruedas direccionables (7) a través de una unión tipo cardan (24). 15. The device of Claim 14, characterized in that the transmission system transmits angular movement to the addressable wheels (7) through a cardan-type joint (24).
16. El dispositivo de la Reivindicación 1 , caracterizado porque el cuerpo tubular tiene una pluralidad de discos (6) ubicados sobre su periferia que para mantener el dispositivo alineado axialmente a la tubería. 16. The device of Claim 1, characterized in that the tubular body has a plurality of discs (6) located on its periphery than to keep the device axially aligned to the pipe.
17. El dispositivo de la Reivindicación 1, caracterizado porque el cuerpo tubular cuenta además con un sistema de inspección (5) para alojar la instrumentación necesaria para la inspección de la tubería. 17. The device of Claim 1, characterized in that the tubular body also has an inspection system (5) to house the instrumentation necessary for the inspection of the pipe.
18. El dispositivo de la Reivindicación l, caracterizado porque cuenta además con un sistema de control que regula la velocidad del dispositivo en la tubería, evaluando la interacción entre el dispositivo, la tubería y el fluido. 18. The device of Claim 1, characterized in that it also has a control system that regulates the speed of the device in the pipe, evaluating the interaction between the device, the pipe and the fluid.
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