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供热管道内检测机器人发展现状及关键技术

2024-08-24 71 上传者：管理员

摘要：随着运行年限的增加，供热管道将不可避免地出现裂纹、腐蚀、管壁减薄等缺陷。对管道内检测机器人的发展现状进行了调研，根据行走方式将其分为7类，并对各类机器人的优缺点、适用性进行系统归纳。针对供热管道的特点，研究了内检测机器人在供热管道中应用需具备的性能和能力，包括耐高温性能、越障能力、管径适应能力、过弯能力和能源供给能力，以保障机器人稳定、可靠地在管内行走。研究成果可为供热管道内检测机器人的研发及应用提供思路和方向，有助于管道内检测机器人尽早在供热管道中推广应用。

关键词：
传感器
供热管道
机器人
社会经济
缺陷检测
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供热管网的安全稳定运行关乎人民幸福、社会和谐。随着社会经济的高速发展，中国城镇基础设施布局逐步完善，人们生活质量逐步提高，对供热管网的安全、稳定运行提出了更高的要求。由于供热管网一般运行年限较长，受到高温、磨蚀、冲蚀、物理和化学等作用，不可避免地出现裂纹、腐蚀、管壁减薄等缺陷，甚至发生管道断裂、漏水等事故。管道内检测机器人是一种可携带多个传感器或操作装置（如位置和姿态传感器、声学传感器、高清摄像机）在管道内部行走的特种机器人，由操作人员远距离控制完成管道内作业任务。管道内检测机器人为供热管道内壁的缺陷检测提供了一种新形式，有助于降低大规模开挖的成本，提高管道检测效率，及时发现缺陷，从而提前采取措施预防事故发生。

1、管道内检测机器人发展现状

自20世纪40年代起，国外开始对管道机器人进行研究；20世纪70年代后，随着计算机技术、通信技术、机械制造技术等的发展，管道内检测机器人由实验室开发阶段逐步走向实际应用阶段[1]。法国的VERTUT提出了轮式管内机器人的行走机构模型，虽然该机器人结构简单、功能单一，但实现了机器人在管道内的自主行走。为使管内机器人能够在管径小、距离长且转弯多的燃气管道中运动，东京工业大学设计了Theseus系列轮式机器人，可检测的最小管道直径为25 mm。德国HERMANN等设计了蠕动式管道机器人MAKRO，实现了机器人在管道内的前进、后退、转弯和越障，所携带的蓄电池能使机器人运行2 h。美国卡内基梅隆大学与纽约煤气集团共同研发了无缆式管道机器人Explorer，能通过90°弯管和T形管[2]。

20世纪80年代后，国内相继开展了对管道机器人的研究。邓宗全和李金彪（1997)[3]开发了适用于野外管道无损检测的管道机器人，李庆凯等（2012)[4]研发了三轴差动式轮式机器人，解决了其弯管运行的干涉问题。哈尔滨工业大学团队在管道机器人的研究中取得了大量研究成果，推动了中国管道机器人的发展。中国科学院沈阳自动化研究所设计的螺旋驱动管内机器人具备轴向和周向的探测能力，单台电动机的驱动方式降低了机器人系统的成本和运动控制系统的复杂性[5]。刘洪斌和冀楠（2022)[6]设计了一款蠕动式管道检测机器人，用于天然气管道内壁缺陷检测，机器人可实现复杂工况下的运行和检测。

国内外研究人员不断从机械结构、运动方式、驱动方式等方面着手，致力于研究稳定性强、运动灵活、动力持久、操纵便捷、适应能力强的管道内检测机器人。在技术快速发展与需求高速增长的双重作用下，越来越多的管道内检测机器人产品被研发并逐步投入实际应用中。目前，内检测机器人在供排水管道、油气管道、化工管道中应用广泛，在供热管道中也开展了开发研究及试点应用。

2、管道内检测机器人的分类

管道内检测机器人可按行走方式分为7类[7-8]，各类管道机器人的结构特点、运动形式各有不同，使得各类机器人各有其优势与劣势，故在实际应用中各有其适用性，具体如下。

流体驱动式机器人：依靠管内流体的压力流动，无需外界提供动力，故设备整体质量轻、尺寸小，但因受管内流动介质影响，运动方向、运动速度难以控制。

轮式机器人：采用电机直接驱动机器人的轮子，结构简单，运行平稳，易于控制，行进效率高，是目前实际工程中应用最多的一类机器人，但轮子与管壁的摩擦力有限，故适用于平直、干净的管道，无法在垂直管道和流速很高的管道中行走。

履带式机器人：采用电机直接驱动机器人的履带，越障能力强，但由于结构复杂、体积较大，故控制难度大、灵活性不强，因此适用于大管径、内部环境复杂的管道。

行走式（多足式、腿型）机器人：通过机械足运动，行走灵活，能完成复杂的运动，能在垂直管道中运动，同时与管道的接触面小，对管道内表面造成的损伤较小，但这类机器人需要多组驱动器，机械结构非常复杂，控制难度较大，故适用于精密的管道或特殊作业。

腹壁式（支撑式、压壁式）机器人：通过伸张的机械臂紧贴管内壁，为机器人提供牵引力，运动稳定性强，能量消耗小，能够在垂直管道中行走，但结构复杂、速度控制难度大，且由于摩擦力较大，可能会损坏管道的内表面。

蠕动式机器人：通过不断重复的收缩和伸长运动向前移动，整体尺寸相对较小、与管壁摩擦较小、越障性能好，但由于不能连续移动，故运动速度慢，且驱动牵引力有限，能量损失较大，故适用于小管径、短距离管道。

螺旋式机器人：螺旋式机器人的驱动轮轴线与管道轴线之间形成夹角，使驱动轮沿螺旋线行走，轴向驱动力大，便于控制速度，且螺旋旋转运动不会损坏管内壁，但管径适应能力较差、驱动效率低、灵活性差，故适用于管径变化范围小的管道。

3、供热管道内检测机器人的关键技术分析

供热管道系统具有弯管多、输送介质温度高、管径变化范围大、管道分支多等特点，这对管道内检测机器人的性能提出了更高要求，需要管道内检测机器人具备更高的耐高温性能、越障能力、管径适应能力、过弯能力和能源供给能力。

3.1耐高温性能

在供暖期，供热管道内的介质温度可达100℃以上，因此与供排水管道相比，供热管道内检测机器人需具备较强的耐高温性能。管道内检测机器人包含很多温度敏感的部件，如电子器件、电机、电池、线缆等，电子器件（包括控制器、电机驱动器及各类传感器等）在环境温度和自身产热的双重影响下，随着温度升高，其失效率快速增长；电机、电池在高温下的运行效率与寿命受到较大影响；普通线缆的持续允许工作温度不超过90℃，在高温环境中易产生绝缘老化和烧焦现象。这些温度敏感部件的存在使得管道内检测机器人在高温条件下的检测性能、使用寿命受到影响。当前，通过采取冷却技术、进行产热控制、设计热防护结构等技术能够增强机器人的耐高温性能[9]，但这类方法在管道内检测机器人中还未得到应用。目前，市场上的管道内检测机器人产品的允许使用温度大多小于70℃，无法在更高温度的环境中运行，故在应用于供热管道时，应持续关注管内介质温度。

3.2越障能力

越障能力即机器人克服管内障碍的能力。管道内检测机器人的工作环境多为非结构化环境，由于阀门、焊缝、腐蚀缺陷等的存在，管内壁并不能持续保持光滑状态，这些缺陷的存在可能使机器人在运动时震动、受阻，甚至失衡，影响其平稳运动。与油气管道、供排水管道的内腐蚀过程相比，供热管道内腐蚀的特殊性在于其介质的高温，而温度又对腐蚀过程有着重要影响。供热管道内的循环水温度越高，氧的扩散速率越快，管内壁的腐蚀程度、腐蚀速率越大，故供热管道内检测机器人需具备较强的越障能力，主要体现为驱动力和稳定性，即在经过障碍物时具有足够的驱动力，并在越障过程中仍保持运动的稳定性。

3.3管径适应能力

由于供热管网的管径变化范围大，管道内检测机器人在行进过程中会经过不同管径的管道，因此需要具备适应一定范围内管径变化的能力，以提升机器人的自动化水平，提高工作效率。目前较成熟的管道内检测机器人的变径技术可分为2类：①通过机器人的机械结构实现变径，如涡轮蜗杆调节方式、升降机调节方式等。这种方式虽然能使机器人适应管径变化，但也使机器人的轴向尺寸增大，影响机器人过弯，且针对管径变化的判断存在一定延时和误判。②利用弹性元件实现变径。这种方式结构简单、设计方便，具有实时调节的性能，但各驱动模块的牵引力较难保持一致，适应管径变化的范围较小[10]。

3.4过弯能力

过弯能力指的是机器人平稳通过弯管的能力，既要求机器人在不同弯曲角度、不同弯曲半径的弯管内具有良好的通行能力，又要求机器人在弯管内的运动性能不受影响。针对在通过弯管时机器人的自身尺寸无法满足弯管的几何尺寸、弯管曲率影响机器人运动性能等问题，可以通过设计变径结构、调整运动方式、设计差动机构等技术手段解决[11-12]。对于供热管道，一方面，为了防止流体升温时，由于热伸长或温度应力而引起管道变形或破坏，设置了很多管道伸缩补偿器；另一方面，由于热用户分布区域广，故供热管道分支管道、三通数量较多。这些因素使得供热管道存在较多弯曲处，这对管道内检测机器人的过弯能力提出了更高要求。

3.5能源供给能力

在供暖期发生泄漏事故时，需快速、准确地定位泄漏点，低能耗、持久续航的机器人是保证检测过程连续性、检测工作高效化的关键。管道内检测机器人依靠驱动装置将电能或其他形式能转换为供其行走的机械能。按能源供给方式分为有缆式和无缆式。有缆式是通过线缆将电源与机器人连接，为机器人提供可靠的电力供应，线缆还包含通信信号线，同时解决了机器人的通信问题，但线缆的存在限制了管道机器人的行进距离，线缆与管道间的摩擦力增加了机器人的能耗，因此不适合长距离行走；无缆式是依靠机器人携带的蓄电池或燃油发电机组供能，供能装置使机器人的体积和质量增加[13]，机器人的行走距离受其携带能量的限制。

4、结束语

管道内检测机器人为供热管道的缺陷检测提供了新形式，能够降低大规模开挖的成本，提升管道维护工作的效率。本文对管道内检测机器人的国内外发展现状进行了总结和分析，根据行走方式，将管道内检测机器人分为流体驱动式、轮式、履带式、行走式、腹壁式、蠕动式、螺旋式7类，各类机器人各有其优缺点，并且能够适用于特定的工作环境。供热管道系统具有弯管多、输送介质温度高、管径变化范围大、管道分支多等特点，这对管道内检测机器人的耐高温性能、越障能力、管径适应能力、过弯能力和能源供给能力等提出了更高的要求。随着现代工业技术的飞速发展，管道内检测机器人将被广泛地应用于包括供热管道在内的众多领域，并将稳定、高效、可靠地服务于管道内检测工作。

参考文献:

[1]凌张伟,缪存坚,唐萍,等.工业管道内检测机器人及其变径技术的研究进展[J].焊管,2020,43(3):31-34,40.

[2]秦德昭,李延锋,张用之.管内机器人的研究与发展趋势[J].工业控制计算机,2021,34(7):31-32,35.

[3]邓宗全,李金彪.野外大口径管道焊缝X射线检测机器人[J].哈尔滨工业大学学报,1997,29(1):48-49.

[4]李庆凯,唐德威,姜生元,等.三轴差动式管道机器人的驱动特性及仿真研究[J].哈尔滨工程大学学报,2012,33(6):753-758.

[5]李鹏,马书根,李斌,等.具有轴向和周向探查功能的螺旋驱动管内机器人[J].机械工程学报,2010(21):19-28.

[6]刘洪斌,冀楠.蠕动式管道机器人结构设计与运动特性分析[J].哈尔滨工程大学学报,2022(8):1169-1177.

[7]程航,喻九阳,戴耀南,等.油-气管道检测机器人技术现状及展望[J].武汉工程大学学报,2021,43(3):324-333.

[8]陆震云.基于管道机器人的管道检测技术研究[D].镇江:江苏科技大学,2018.

[9]高立龙,陈嵩,郑耿峰.机器人热控技术研究现状综述[J].机械科学与技术,2024,43(5):737-749.

[10]王伟,赵少魁.管道机器人的研究现状及其展望[J].兵工自动化,2019,38(12):24-30.

[11]李智强.变运动方式管道机器人的设计与研究[D].呼和浩特:内蒙古工业大学,2021.