陳剛，楊旭，黃橋生，汪勢杰，黃浩

（1.國能長源湖北新能源有限公司；2.國家能源集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，湖北 漢川 431614）

近年來，由于我國經(jīng)濟持續(xù)增漲，國家各地區(qū)對電力系統(tǒng)的需求也在不斷攀升。穩(wěn)定而強大的電網(wǎng)系統(tǒng)是由無數(shù)輸電線路桿塔組成的，因此，對鋼管桿塔質(zhì)量問題的關(guān)注也越來越受到關(guān)注。

電力行業(yè)中，在役輸電鋼管桿塔的焊縫質(zhì)量對于桿塔的使用壽命等具有重要的影響，因此，對于焊縫質(zhì)量的檢測要求也越來越高。

傳統(tǒng)的檢測方法是人工檢測法，即檢測人員負重高空作業(yè)，存在安全成本高、勞動強度大、工作效率低等問題，事倍功半，而且對檢測人員的身心等綜合素質(zhì)要求很高，亟需一種取而代之的自動化檢測系統(tǒng)。若能有效解決針對鋼管桿塔的無損檢測問題，將能把工人從這種高空極限作業(yè)中解放出來，減少人力投入，減少安全隱患，避免人身安全及財產(chǎn)的損失。傳統(tǒng)人工相控陣/TOFD/導(dǎo)波檢測圖如圖1。

圖1 傳統(tǒng)人工相控陣/TOFD/導(dǎo)波檢測

1 風(fēng)機塔筒焊縫

風(fēng)機塔筒是風(fēng)力發(fā)電的塔桿，在風(fēng)力發(fā)電機組中主要起支撐、吸收機組震動的作用。其主要制作工藝是將鋼板卷制焊接成筒體，再將多個筒體焊接裝配到一起，最后形成一個風(fēng)機塔筒。風(fēng)機塔筒的定期維護工作主要包括焊縫檢測、清洗表面、打磨銹蝕部位、補噴面漆等。如果在檢查中發(fā)現(xiàn)了不符合要求的焊接缺陷，則必須做標(biāo)記和記錄，再根據(jù)進一步的檢測結(jié)果作出相應(yīng)處理。目前，風(fēng)機塔筒的維護需要工人通過繩索吊在高空中或搭建塔架扶梯來進行。這種方法的缺點是費時、費力，并且十分危險。開展風(fēng)機塔筒智能監(jiān)督檢測系統(tǒng)研究，設(shè)計用于風(fēng)機塔筒焊縫自動檢測爬壁機器人，可以將工人從這種高空極限的作業(yè)中解放出來，節(jié)約人工成本，避免發(fā)生因焊縫開裂造成的風(fēng)機塔筒倒塌事故，實現(xiàn)風(fēng)機塔筒的智能化檢測。

2 TOFD檢測技術(shù)

TOFD超聲波衍射時差法，主要是通過超聲波在缺陷端部產(chǎn)生的衍射信號進行對缺陷的定位及定量，該方法不同于利用反射波進行探測的常規(guī)超聲探傷法。TOFD超聲波衍射時差法對焊縫缺陷，尤其是危害性大的裂紋類缺陷有極強的檢出能力，而且定位、定量精度也高，該方法測量的是缺陷的真實尺寸而非當(dāng)量尺寸，是一種能夠?qū)z測數(shù)據(jù)數(shù)字化圖像化的成熟檢測方法。TOFD法具有的突出特點及其在焊縫缺陷檢測中的成功應(yīng)用，使之已成為焊縫超聲檢測和缺陷定量中的一個極具發(fā)展前景的新技術(shù)。TOFD檢測技術(shù)本身是一種較為成熟的無損檢測技術(shù)，目前，已大量應(yīng)用到工業(yè)檢測中。結(jié)合本領(lǐng)域的具體檢測需求，需要將TOFD檢測技術(shù)加載至爬行機器人平臺上并對塔筒焊縫進行有效TOFD檢測，該技術(shù)需求又是一個全新的技術(shù)難題。針對整個市場所需要的爬行檢測系統(tǒng)，目前，市面上沒有類似的成熟產(chǎn)品甚至解決方案。

3 爬壁機器人技術(shù)

機器人領(lǐng)域中，爬壁機器人技術(shù)一直是一個眾多學(xué)者關(guān)注的重點，針對大型的儲罐、高樓墻幕、船體等高大結(jié)構(gòu)的檢測和施工作業(yè)，人力難以到達的位置就需要爬壁機器人代替進行相關(guān)作業(yè)。項目中研究的機器人本體就是用于風(fēng)機塔筒焊縫自動檢測的爬壁機器人。面向風(fēng)機塔筒的爬壁機器人，既要吸附可靠，又要運動靈活，因此，機器人吸附方案選擇和運動機構(gòu)的設(shè)計顯得尤為重要。爬壁機器人分為真空吸附、磁吸附及推力吸附三大類，各方式爬壁機器人的優(yōu)缺點如表1所示。目前，針對磁吸附爬壁機器人的研究比較多，永磁吸附式爬壁機器人具有吸附可靠性高、承載能力強等優(yōu)勢，非常適合大型鐵磁性結(jié)構(gòu)件的攀爬，而且在磁吸附方式上通常都是采用固定吸附力的工作方式，即機器人在工作過程中，機器人的磁吸附力基本不變。考慮到風(fēng)機塔筒是鋼質(zhì)材料裝配焊接而成，所以在風(fēng)機塔筒壁面上進行焊縫檢測作業(yè)的爬壁機器人適宜采用永磁吸附作為其吸附方式。

表1 各方式機器人對比

4 檢測系統(tǒng)設(shè)計

爬行器主要分為分體式車身、把手、掃查架安裝臂、高強度永磁車輪、電源轉(zhuǎn)換盒、編碼器等，如圖2所示。在設(shè)計上，爬壁機器人使用稀土磁體制作高強度永磁輪，從而使得其在意外突然掉電后不會發(fā)生車體從被檢測表面掉落的危險。因此，爬壁機器人可以安全地進行垂直、水平和倒置等不同方式掃描被測目標(biāo)。通過搭載高精度電子編碼器，可以進行毫米級的程序設(shè)定和實際檢測。機器人在做沿焊縫直線檢測時，通過高精度的機械傳動，可以實現(xiàn)偏離焊縫軌跡不超過2mm，且依靠激光光柵器的校準(zhǔn)功能，隨時對行進路線進行精密微調(diào)，從而確保檢測的精度和一致性。

圖2 爬行機器人

針對風(fēng)機塔筒的焊縫進行檢測，還需要設(shè)計與爬壁機器人相匹配的TOFD掃查架（如圖3所示），通過夾持合適的TOFD探頭就可進行焊縫檢測。由于TOFD技術(shù)通常采用兩個對稱放置且頻率、尺寸、角度都相同的探頭一發(fā)一收。通常采用在固體中具有較強穿透能力的縱波斜探頭，這是TOFD法的一大特點。當(dāng)焊縫位于垂直軸線方向時獲得的檢測波形最明顯，評估結(jié)果也最準(zhǔn)確。

圖3 爬行裝置

其次，耦合一直是超聲檢測領(lǐng)域中的重要環(huán)節(jié)。在考慮到風(fēng)機塔筒焊縫的高空檢測環(huán)境，選擇耦合泵送裝置為探頭部分穩(wěn)定、持續(xù)的輸送耦合劑，確保檢測的有效進行，如圖所示。泵送裝置可隨時控制耦合劑輸出流量，并可通過爬行機器人前端高清攝像頭監(jiān)控耦合狀態(tài)，無須人工涂抹耦合劑，真正做到自動化檢測。由圖3可以看到，在風(fēng)機塔筒TOFD檢測應(yīng)用中，將多組探頭固定在爬壁機器人上，探頭間距可根據(jù)工件厚度進行調(diào)節(jié)。爬壁機器人根據(jù)實際情況由電機驅(qū)動，靠附有磁鐵的四個輪子，沿在焊縫方向布置的導(dǎo)軌進行掃描。探傷位置和探傷距離由磁性或光學(xué)編碼器傳輸給上位機。探頭檢測數(shù)據(jù)通過中間連接的一根很長的數(shù)據(jù)導(dǎo)線連接到檢測儀器上，進行檢測數(shù)據(jù)的分析。針對本項目，風(fēng)機塔筒的環(huán)焊縫直徑：R≥1.2m，爬壁機器人爬行時爬行面與水平面最大夾角為90°。因此設(shè)計的爬壁機器人的整體尺寸長×寬×高：≤245mm×295mm×122mm，最小高度為85mm（不含把手）。其他主要技術(shù)指標(biāo)表如表2所示。

表2 爬壁機器人主要技術(shù)指標(biāo)

最后，在245mm×295mm×122mm這么小巧的車身內(nèi)，裝配了類似汽車的差速器機構(gòu)，從而實現(xiàn)機器人靈活轉(zhuǎn)向、四輪等功率勻速輸出。磁力爬行機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)精密，設(shè)計目標(biāo)是完全符合各類工況的焊縫和鋼板的檢測任務(wù)，最大限度地提升操控性和個人使用習(xí)慣。精密的諧波差速器系統(tǒng)可以使磁力爬行器人在2～254mm/s勻速或變速行進。優(yōu)質(zhì)的差速器還帶來扭矩的提升，磁力爬行器在碳鋼表面垂直運動時，要抵抗自身重力以及強大磁吸力的作用，如果磁輪扭矩不夠，就無法實現(xiàn)穩(wěn)定輸出，甚至?xí)l(fā)生倒滑、墜落的危險。

高級磁力機器人采用的精密諧波差速器除了可以負載自身重力和磁吸力外，還可以額外負重20kg，且能保持空載的運行狀態(tài)，這些都源自高性能電機和差速器的性能優(yōu)勢。綜上，本文中設(shè)計的風(fēng)機塔筒焊縫自動檢測爬壁高級磁力機器人具有車身小巧、磁吸力超強、適用范圍極廣、高精度的操控性、雙軸平面掃查、精妙的雙體車身設(shè)計、精準(zhǔn)的激光定位、高性能差速器、自動化泵送耦合裝置等特點。

整個檢測系統(tǒng)的檢測過程為通過操控爬行器在塔筒上進行吸附爬行，可前進、后退，轉(zhuǎn)彎等操作，在爬行到指定檢測位置后，開始噴水耦合。通過TOFD探頭在工件上獲取回波，爬行器帶動探頭以直線方式行進，掃查整個焊縫。數(shù)據(jù)以有線方式傳送至TOFD主機進行檢測評價。

5 檢測軟件設(shè)計

除此之外，檢測軟件根據(jù)某機組塔筒的塔筒焊縫分布結(jié)構(gòu)圖紙建立了相應(yīng)模型。通過該焊縫分布模型的建立，可以幫助使用人員快速識別及定位對應(yīng)的焊縫位置，進行針對性檢測。首先，該模型可以根據(jù)實際的塔筒焊縫分布修改對應(yīng)的層數(shù)和列數(shù)，形成與實際塔筒相對應(yīng)的焊縫分布模型。

在對整個塔筒進行檢測完成后，按照命名要求建立文件夾，通過點擊打開文件夾按鈕，選擇檢測數(shù)據(jù)文件夾的存儲路徑，軟件會自動判斷是否有對應(yīng)的圖譜文件。若文件存在，則相應(yīng)的焊縫顯示深灰色；若文件不存在，則顯示淺灰色，如圖4所示。點擊需要評圖的藍色焊縫，可以進入評圖軟件，軟件自動顯示相應(yīng)焊縫的TOFD檢測結(jié)果進行評圖工作。

圖4 塔筒局部模型示意圖

該技術(shù)目前已應(yīng)用到國電長源風(fēng)電行業(yè)公司，檢測效果良好，如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場檢測

6 結(jié)語

風(fēng)機塔筒焊縫在不搭腳手架的情況下進行快速高效的定期檢測，是提高定期檢測效率、降低檢測成本的關(guān)鍵。本文磁力爬行機器人搭載TOFD檢測技術(shù)，能實現(xiàn)自動化掃描檢測，是解決高空檢測需求的較好方法。磁力爬行機器人能到達人所不能及、復(fù)雜多變的工況環(huán)境中，通過其攜帶的無損檢測設(shè)備去完成對需求部位的檢測任務(wù)，可以大大提高檢測效率、降低人員危險性和勞動強度。未來通過搭載相控陣、導(dǎo)波、電磁等等多種檢測技術(shù)模塊就可以實現(xiàn)多方法檢測手段，為更復(fù)雜的檢測環(huán)境提供解決方法。