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        大型儲(chǔ)罐防腐蝕涂層厚度智能檢測技術(shù)

        2015-11-29 08:04:06樊三新劉玉玲樊一蒙李昊城
        石油化工腐蝕與防護(hù) 2015年2期
        關(guān)鍵詞:測量檢測系統(tǒng)

        樊三新,劉玉玲,樊一蒙,李昊城

        (1.大慶油田工程建設(shè)公司天宇設(shè)計(jì)院,黑龍江 大慶 163712;2.東北石油大學(xué),黑龍江 大慶 163318;3.大慶油田井下作業(yè)分公司,黑龍江 大慶 163453)

        大型儲(chǔ)罐防腐蝕技術(shù)是儲(chǔ)罐建設(shè)的一項(xiàng)核心技術(shù),防腐蝕質(zhì)量的好壞不但影響儲(chǔ)罐的使用壽命和生產(chǎn)運(yùn)營成本,而且也是影響儲(chǔ)備物資安全的重要指標(biāo),因此在儲(chǔ)罐建設(shè)中不但要研究防腐蝕結(jié)構(gòu),也要對防腐蝕施工質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制。傳統(tǒng)的儲(chǔ)罐防腐蝕質(zhì)量檢測是人工檢測,高處的罐壁必須借助腳手架才能進(jìn)行檢測,這給涂層檢測帶來了很多不便,無法隨機(jī)檢測大罐的任意一點(diǎn)的防腐蝕質(zhì)量,研究開發(fā)儲(chǔ)罐自動(dòng)檢測系統(tǒng),可大大拓寬罐體的檢測范圍,從而有效地控制防腐蝕質(zhì)量,保證儲(chǔ)罐施工質(zhì)量總體水平的提高。罐壁涂層質(zhì)量自動(dòng)檢測儀的研制,實(shí)現(xiàn)了鋼質(zhì)油水儲(chǔ)罐防腐蝕涂層任意點(diǎn)自動(dòng)測厚,其數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后,自動(dòng)顯示,并能自動(dòng)打印記錄和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,給出測量結(jié)果的最大值、最小值、平均值和測量曲線。這在檢測技術(shù)上是一個(gè)很大的飛躍,對提高儲(chǔ)罐防腐蝕質(zhì)量具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

        1 儲(chǔ)油罐涂層概況

        大慶油田開發(fā)建設(shè)50 a 來,建設(shè)各種儲(chǔ)罐近7 000 座,其中儲(chǔ)油罐占60%以上。罐的單體容積從早期的幾十立方米到現(xiàn)在的200 dam3超大型儲(chǔ)油罐群遍布油田各個(gè)角落。大慶油田地面上的儲(chǔ)油罐和儲(chǔ)水罐明顯的標(biāo)志是外涂層顏色不同,油罐是灰色的涂層,水罐是綠色的涂層。儲(chǔ)罐的外涂層分底層和面層,底層涂料主要的功能是以防腐蝕為主,其性能不但要阻燃而且要求和鋼材具有很好的黏結(jié)性,與鋼材的黏結(jié)(剝離)強(qiáng)度符合相關(guān)規(guī)范要求,一般以環(huán)氧類涂料為基料。面層主要功能是防老化,其性能要求是阻燃以及美觀,一般以改性調(diào)和類涂料為基料。

        2 儲(chǔ)罐防腐蝕工藝及涂層檢測現(xiàn)狀

        儲(chǔ)罐防腐蝕涂層的涂裝工藝分手工涂裝和機(jī)械涂裝,手工涂裝是采用人工毛刷涂刷,機(jī)械涂裝是采用高壓無氣噴涂,大慶油田目前絕大多數(shù)儲(chǔ)罐都采用高壓無氣噴涂技術(shù),該技術(shù)噴涂效率高,涂層質(zhì)量容易控制。

        油田儲(chǔ)罐防腐蝕涂層檢測是按照相關(guān)規(guī)范要求,根據(jù)防腐蝕層面積和儲(chǔ)罐內(nèi)存介質(zhì)的性質(zhì)抽查點(diǎn)數(shù),檢測的項(xiàng)目主要是涂層厚度和擊穿電壓,目前采用的儀器是超聲波測厚儀和電火花檢漏儀,檢測的方式是人工檢測,檢測的精度受人為因素影響不穩(wěn)定。研制的儲(chǔ)罐涂層自動(dòng)檢測儀,可對儲(chǔ)罐任何一點(diǎn)的涂層厚度和擊穿電壓進(jìn)行檢測并可實(shí)時(shí)顯示、儲(chǔ)存和打印結(jié)果,科學(xué)性和精度大大提高,對油田儲(chǔ)罐防腐蝕涂層檢測的技術(shù)進(jìn)步起到推動(dòng)作用。

        國外對爬壁機(jī)器人的研究很早,應(yīng)用主要集中于對核廢液罐進(jìn)行裂縫檢查,測厚及焊縫探傷等;用于對巨型壁面的噴涂,玻璃壁面的清洗,橋梁探傷等。

        國內(nèi)有自動(dòng)掃查爬壁機(jī)器人,利用在罐壁外鋪設(shè)的磁帶導(dǎo)航,采用光纖傳感器進(jìn)行檢測和油罐檢測爬壁機(jī)器人裝有傾斜計(jì)能監(jiān)測機(jī)器人姿態(tài)偏角,攜帶光電接近開關(guān)能判斷本體是否到達(dá)罐頂或罐底以及爬壁機(jī)器人借助了慣性導(dǎo)航單元及航位推算輪來定位機(jī)器人,這種方法智能化水平高,但設(shè)備成本大。

        3 主要技術(shù)原理及指標(biāo)

        3.1 技術(shù)原理

        罐壁涂層質(zhì)量自動(dòng)檢測儀由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)及軟件部分、人-機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)組成。

        驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力的,而控制系統(tǒng)是檢測儀的指揮系統(tǒng),可以讓執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定的時(shí)序和要求進(jìn)行工作。控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)檢測儀的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號(hào),支配檢測儀的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。感知系統(tǒng)是檢測儀感知自身工作狀態(tài)和作業(yè)環(huán)境狀態(tài)信息的系統(tǒng)。決策系統(tǒng)是檢測儀根據(jù)感知信息,通過學(xué)習(xí)和推理,自動(dòng)調(diào)整控制算法的軟硬件支持部分。軟件部分是指檢測儀系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和編程語言。人-機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)則是實(shí)現(xiàn)檢測儀與人,以及與外部環(huán)境相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。它包括指令給定裝置和信息顯示裝置,如計(jì)算機(jī)終端、指令控制臺(tái)、報(bào)警器等。

        檢測儀控制系統(tǒng)包括高性能的計(jì)算機(jī)、相應(yīng)的系統(tǒng)硬件、控制算法及軟件。控制系統(tǒng)分為上位機(jī)、下位機(jī)兩層結(jié)構(gòu)。上位機(jī)作為主控計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)的功能主要是對一些參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置、對檢測儀的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控等;下位機(jī)采用運(yùn)動(dòng)控制卡、單片機(jī)、微處理器等,可以對信號(hào)進(jìn)行采集、處理,也可以直接對電機(jī)等進(jìn)行控制等。上位機(jī)、下位機(jī)系統(tǒng)共同構(gòu)成爬壁機(jī)器人的軟件控制系統(tǒng),二者之間通過某種特定的通信協(xié)議進(jìn)行命令信號(hào)傳輸和反饋,兩者共同合作來完成整個(gè)機(jī)器人的軟件控制系統(tǒng)。根據(jù)檢測儀功能和應(yīng)用領(lǐng)域的不同,機(jī)械本體結(jié)構(gòu)會(huì)有很大差異,因此控制系統(tǒng)也各不相同。上位機(jī)控制系統(tǒng)方案的確定,下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制方案的選擇,以及上位機(jī)、下位機(jī)之間通信方式的選擇,都可以有很大的創(chuàng)新,但共同的目標(biāo)是更好地完成對檢測儀的控制,使其能安全、可靠地完成各項(xiàng)預(yù)定的任務(wù)作業(yè)。

        3.2 技術(shù)指標(biāo)

        涂層質(zhì)量檢測機(jī)器人主要技術(shù)指標(biāo):

        (1)測厚范圍:0~500 μm;

        (2)測厚誤差:1μm±測量值的3%;

        (3)測厚步距:1,2 和3 m;

        (4)行走速度:2~5 m/min;

        (5)檢測處理:測量時(shí)適時(shí)顯示,并可打印檢測結(jié)果給出統(tǒng)計(jì)參數(shù)及厚度曲線;

        (6)質(zhì)量:13 kg;

        (7)磁輪吸力:40 kg;

        (8)越障能力:大于5 mm。

        3.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)示意圖見圖1。

        圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

        3.4 檢測儀現(xiàn)場測試

        3.4.1 厚度測量

        保證涂層厚度檢測機(jī)器人檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵設(shè)備是內(nèi)置的涂層測厚儀,為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確,要在每次現(xiàn)場測試之前都需要按照《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50341—2003 對涂層測厚儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

        (1)涂層測厚儀的校準(zhǔn)

        ①零點(diǎn)校準(zhǔn)

        先校對涂層測厚儀的零點(diǎn)位置。在實(shí)驗(yàn)室鋼板的任意位置上進(jìn)行一次測量,測厚儀屏幕顯示<312.12 μm >。然后按zero 復(fù)位鍵,屏幕如果顯示<0.0 >表示正確復(fù)位,如顯示數(shù)值需要按“↓”或“↑”鍵來修正度數(shù),直到屏幕顯示<0.0 >。重復(fù)上述過程,次數(shù)越多,得到的最終結(jié)果越準(zhǔn)確。

        ②試片

        準(zhǔn)備4 張厚度分別為50,100,300 和500 μm 的標(biāo)準(zhǔn)片,分別在4 張膜片上進(jìn)行一次測量,如屏幕顯示的值與標(biāo)準(zhǔn)厚度不一致,則需要按“↓”或“↑”鍵,來修正度數(shù)。直到顯示的值和標(biāo)準(zhǔn)值一致,則表示校準(zhǔn)已完成,可以開始測量數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)見表1。

        表1 校準(zhǔn)測量數(shù)據(jù) μm

        (2)涂層測厚儀數(shù)據(jù)采集

        把通過校準(zhǔn)之后的測厚儀,安裝到機(jī)器人上,連接好電路,打開電源開關(guān)。

        進(jìn)入軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊,選擇所使用無線模塊的端口號(hào),選定機(jī)器人移動(dòng)的速度,點(diǎn)擊“上”“左轉(zhuǎn)”“右轉(zhuǎn)”“后退”按鈕,通過無線模塊向機(jī)器人發(fā)送控制指令,控制機(jī)器人的移動(dòng)軌跡,同時(shí)開始采集數(shù)據(jù)。

        采集數(shù)據(jù)的測試將分為兩種場景。

        ①水平測量

        把鋼板放置在與地面平行的臺(tái)面上,控制機(jī)器人在鋼板上直線移動(dòng),接收機(jī)器人的返回?cái)?shù)據(jù),水平測量數(shù)據(jù)見表2。從表2 可以得知平均厚度為481.1 μm。

        表2 水平測量數(shù)據(jù)

        ②垂直測量

        把鋼板放置于垂直于地面的架臺(tái)上,控制機(jī)器人在鋼板上移動(dòng),得到返回?cái)?shù)據(jù)見表3。從表3可知平均厚度為479.6 μm。兩種測量方式得到平均值都在允許的誤差±25 μm 之內(nèi)。測量精確度完全符合要求。

        表3 垂直測量數(shù)據(jù)

        (2)現(xiàn)場測試

        2013 年8 月在采油六廠喇600 聯(lián)合站7 000 m3污水沉降罐進(jìn)行罐壁涂層質(zhì)量自動(dòng)檢測儀現(xiàn)場測試,經(jīng)試驗(yàn)罐壁爬行機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)罐壁的任意位置的涂層厚度測量。該檢測儀具有操作靈活方便,體積小,重量輕,無線控制等優(yōu)點(diǎn),能滿足現(xiàn)場需求。

        4 結(jié)束語

        大罐涂層厚度智能檢測儀是從設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、處理、保存為主線展開的研究。在檢測儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,對硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的探討。

        大罐涂層厚度智能檢測儀主要進(jìn)行了3 部分設(shè)計(jì):機(jī)械設(shè)計(jì)部分、硬件設(shè)計(jì)部分和軟件設(shè)計(jì)。每一個(gè)部分并不是獨(dú)立的,3 個(gè)主要部分的設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)相扣。硬件設(shè)計(jì)部分中的檢測儀控制模塊、無線數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)采集模塊安裝在檢測儀機(jī)身中,硬件部分使用無線接收模塊接收到軟件模塊發(fā)出的指令,通過匹配軟件部分和硬件部分之間的通信協(xié)議,來實(shí)現(xiàn)機(jī)械部分的動(dòng)作。對每一個(gè)部分都提出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案,并對這一方案進(jìn)行分析和拆解。

        該檢測儀在大慶油田大型儲(chǔ)罐涂層檢測上得到應(yīng)用,受到用戶和質(zhì)量監(jiān)測部門的一致好評(píng)。

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