曹建樹(shù)，曹 振，李魁龍

（1.北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617；2.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠，黑龍江 163001）

機(jī)器人技術(shù)

天然氣管道內(nèi)徑激光測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

曹建樹(shù)1，曹 振1，李魁龍2

（1.北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617；2.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠，黑龍江 163001）

基于自主研制的模塊化管道機(jī)器人作為運(yùn)動(dòng)和檢測(cè)平臺(tái)，采用激光三角法對(duì)天然氣管道內(nèi)置凸起、凹陷缺陷進(jìn)行快速、高精度、非接觸內(nèi)徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)，提取管道變形數(shù)據(jù)，剔除粗大誤差進(jìn)行坐標(biāo)修正，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理繪制缺陷波動(dòng)曲線和二維坐標(biāo)重構(gòu)圖像。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該管道檢測(cè)機(jī)構(gòu)寬度、高度檢測(cè)精度均在0.1mm內(nèi)，較通徑儀法和超聲法的毫米級(jí)測(cè)量精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

激光；天然氣管道；內(nèi)徑測(cè)量；誤差

0 引言

截至2014年底，我國(guó)已建油氣管道總里程約11.7萬(wàn)千米[1]。由于受地殼運(yùn)動(dòng)、人為破壞和服役時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等原因，管道出現(xiàn)不同程度的變形，進(jìn)而引發(fā)各種事故。我國(guó)規(guī)定新建管道必須在1年內(nèi)檢測(cè)，以后視管道安全狀況每1～3年檢測(cè)1次[2]。大內(nèi)徑的自動(dòng)化測(cè)量是工業(yè)中常見(jiàn)的難題[3]，現(xiàn)有的測(cè)口板檢測(cè)方式各有優(yōu)劣，不能完全反映管道建設(shè)過(guò)程中的變形情況[4]。激光三角測(cè)量法是一種非接觸式位移測(cè)量法，廣泛應(yīng)用于物體位移、壁厚、圓度檢測(cè)[5]。基于激光的天然氣管道內(nèi)表面測(cè)量技術(shù)是通過(guò)裝載有激光傳感器的檢測(cè)機(jī)構(gòu)深入天然氣管道中非接觸采集管道內(nèi)壁信息，再通過(guò)數(shù)據(jù)處理得出管道內(nèi)壁變形、腐蝕、裂紋等缺陷尺寸和還原管道內(nèi)壁情況。

1 檢測(cè)模塊組成及工作原理

實(shí)驗(yàn)載體為管道機(jī)器人，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示，主要包括牽引模塊，檢測(cè)模塊，電子艙輔助模塊。圖2為檢測(cè)模塊三維模型，主要由支撐筒體、支撐機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)臂組件等組成。支撐機(jī)構(gòu)分成3組，圓周方向間隔120°均勻分布，每組長(zhǎng)連桿與底座和輔助輪支撐架組成平行四連桿機(jī)構(gòu)，保證同組兩個(gè)長(zhǎng)支撐桿運(yùn)動(dòng)一致，保證同組中兩個(gè)行走輪在同一平面上運(yùn)動(dòng)，并適應(yīng)不用的管徑。傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)臂上，通過(guò)控制電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂完成管壁圓周掃描。檢測(cè)模塊采用ZLDS-100激光位移傳感器，起始測(cè)量距離為25mm，量程為10mm，精度為±0.01%，分辨率為15nm，線性度為0.1%，響應(yīng)頻率為180kHz。

圖1 管道機(jī)器人實(shí)物圖

圖2 檢測(cè)機(jī)構(gòu)三維模型

檢測(cè)模塊中的激光三角檢測(cè)系統(tǒng)由半導(dǎo)體激光發(fā)生器、透鏡、透明窗和光敏接收元件（CMOS）組成[6,7]。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡，穿過(guò)透明窗后在照射到管道內(nèi)壁，由光反射作用經(jīng)過(guò)接收透鏡在CMOS陣列上成像，信號(hào)處理器通過(guò)三角函數(shù)關(guān)系分析CMOS陣列上光點(diǎn)信息，即可得到對(duì)應(yīng)截面點(diǎn)缺陷信息，原理圖如圖3所示。

圖3 激光三角測(cè)量原理圖

首先根據(jù)檢測(cè)要求，對(duì)激光位移傳感器軸向距離Z坐標(biāo)及激光點(diǎn)在管壁方向角度坐標(biāo)X、Y進(jìn)行標(biāo)定，再通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)角度，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得出任意旋轉(zhuǎn)角度下激光點(diǎn)在局部坐標(biāo)系中的X、Y坐標(biāo)，利用伺服電機(jī)控制檢測(cè)機(jī)構(gòu)在管道中的位置，根據(jù)里程輪記錄傳感器在管道中的軸向Z坐標(biāo)。隨著機(jī)器人沿管道前進(jìn)和測(cè)量旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，管道檢測(cè)機(jī)構(gòu)完成管道內(nèi)壁的掃描測(cè)量。測(cè)量流程如圖4所示。

圖4 測(cè)量流程圖

圖5 缺陷示意圖

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 內(nèi)部凸起障礙檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)以一個(gè)長(zhǎng)方體標(biāo)準(zhǔn)塊作為高凸缺陷，對(duì)長(zhǎng)方體標(biāo)準(zhǔn)塊寬度10次測(cè)量，高度10次測(cè)量值，人為缺陷如圖5所示。對(duì)此缺陷進(jìn)行多次掃描測(cè)量實(shí)驗(yàn)，選取其中10組數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，得出管道半徑及缺陷尺寸測(cè)量結(jié)果如表1所示。

根據(jù)誤差觀察法，殘余誤差無(wú)明顯變化情況，可以判斷測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)系統(tǒng)誤差存在，根據(jù)貝塞爾公式計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差。

式中求極限誤差采用t分布，取α=0.01，查t分布表得tα=1.372，平均值的極限誤差為：

表1 長(zhǎng)方體標(biāo)準(zhǔn)塊缺陷測(cè)量數(shù)據(jù) （單位：mm）

剔除最大誤差法可得，半徑R測(cè)量結(jié)果為：

半徑測(cè)量誤差：

修正后半徑測(cè)量結(jié)果為：

修正后半徑測(cè)量誤差：

同理，缺陷寬度W測(cè)量結(jié)果為：

寬度誤差為：

缺陷高度H測(cè)量結(jié)果為：

高度誤差為：

圖6 管道半徑測(cè)量值與真實(shí)值對(duì)比圖

圖7 缺陷高度測(cè)量值與真實(shí)值對(duì)比圖

圖8 缺陷寬度測(cè)量值與缺陷真實(shí)值對(duì)比圖

圖9 修正前后管道極坐標(biāo)截面重構(gòu)圖像

根據(jù)數(shù)據(jù)分析：管道半徑直接測(cè)量值與真實(shí)值相比差0.0637mm，修正后測(cè)量值與真實(shí)值相比差0.0619mm，修正后測(cè)量誤差減小2.83%。缺陷寬度傳感器測(cè)量值與游標(biāo)卡尺測(cè)量值差為0.032mm，缺陷高度傳感器測(cè)量值與卡尺測(cè)量值為0.01mm。修正前圓度誤差為2.7605mm，修正后圓度誤差為0.7214mm，誤差減小73.86%。圖6為管道半徑測(cè)量值與真實(shí)值對(duì)比圖，圖7為缺陷高度測(cè)量值與缺陷真實(shí)值對(duì)比圖，圖8為缺陷寬度測(cè)量值與缺陷真實(shí)值對(duì)比圖，圖9為修正前后管道截面重構(gòu)圖像。

2.2 內(nèi)壁腐蝕凹陷檢測(cè)

為了驗(yàn)證管道檢測(cè)機(jī)器人激光檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)內(nèi)壁腐蝕凹陷缺陷的測(cè)量精度，實(shí)驗(yàn)采用電火花加工在管道內(nèi)壁人工制造腐蝕缺陷。對(duì)管道同一截面進(jìn)行多次掃描測(cè)量，每個(gè)截面取16000個(gè)采樣點(diǎn)，計(jì)算腐蝕缺陷寬度值和高度值，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 腐蝕缺陷測(cè)量數(shù)據(jù) （單位：mm）

寬度實(shí)際測(cè)量值：

通過(guò)剔除誤差法，去除誤差點(diǎn)1、4、5后，求得缺陷寬度W測(cè)量結(jié)果為：

寬度測(cè)量誤差值為：

缺陷高度真實(shí)測(cè)量值結(jié)果為：

缺陷高度H測(cè)量結(jié)果為：

缺陷高度測(cè)量誤差ΔH為：

根據(jù)數(shù)據(jù)分析：缺陷寬度測(cè)量值與真實(shí)值相差為3um，測(cè)量值極限誤差波動(dòng)較大，主要是由激光點(diǎn)在腐蝕缺陷與管壁非缺陷過(guò)渡區(qū)的棱邊反射偏差引起，導(dǎo)致寬度測(cè)量時(shí)采樣點(diǎn)丟失，從而引起極限誤差波動(dòng)大。缺陷高度測(cè)量值與真實(shí)值之差為0.006mm，是因?yàn)槿毕莞叨日鎸?shí)測(cè)量中采用卡尺測(cè)量，首先卡尺不能像激光點(diǎn)一樣精確測(cè)到缺陷最深處，其次卡尺測(cè)量精度沒(méi)有激光傳感器精度高，所以存在誤差。繪制檢測(cè)缺陷寬度波動(dòng)曲線如圖10所示，腐蝕缺陷高度波動(dòng)曲線如圖11所示。

圖10 腐蝕寬度測(cè)量值波動(dòng)曲線

圖11 腐蝕缺陷高度測(cè)量值波動(dòng)曲線

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)重構(gòu)管道缺陷截面極坐標(biāo)圖像，由于腐蝕缺陷大小相對(duì)于管道直徑很小，很難清晰辨別缺陷位置，繪制截面圖像半徑值為真實(shí)值減去160mm，修正前后極坐標(biāo)重構(gòu)圖像如圖12所示，對(duì)比能反映出缺陷有向外的凸起及位置，修正后的圖像更加靠近中心，距離標(biāo)準(zhǔn)分度圓的距離偏差更小，測(cè)量精度更高。

圖12 修正前后管道極坐標(biāo)截面圖像

3 結(jié)論

針對(duì)管道檢測(cè)的需求，本文提出利用自主研制的模塊化管道機(jī)器人，基于非接觸的激光三角法原理對(duì)天然氣管徑進(jìn)行凸起缺陷和凹陷腐蝕缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究。利用剔除粗大誤差和坐標(biāo)修正法，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理、擬合得出被測(cè)管道寬度、高度測(cè)量值和修正前后半徑值、圓度值，并繪制缺陷波動(dòng)曲線、二維極坐標(biāo)重構(gòu)圖像。通過(guò)與真實(shí)值對(duì)比，表明該管道檢測(cè)機(jī)構(gòu)寬度、高度檢測(cè)精度均在0.1mm內(nèi)，較通徑檢測(cè)儀法和超聲法的毫米級(jí)測(cè)量精度有很大提高，對(duì)我國(guó)天然氣管線內(nèi)徑檢測(cè)及保障其安全運(yùn)行有重要的借鑒意義。

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Experimental study on inner diameter measurement system of natural gas pipe with laser

CAO Jian-shu1, CAO Zhen1, LI Kui-long2

TE9

A

1009-0134(2016)12-0068-04

2016-08-02

曹建樹(shù)（1971 -），男，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人，副教授，博士，研究方向?yàn)橛蜌夤艿罊z測(cè)機(jī)器人技術(shù)研究。