基于智能化技術(shù)的埋地燃?xì)夤艿罊z測(cè)裝置研究

湛立寧* 盧俊文 周璐璐 陳 敏 王肖逸

（河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院唐山分院）

0 引言

壓力管道是一種輸送流體的特殊工具，常用于輸送石油、天然氣等易燃易爆介質(zhì)，一般采用埋地鋪設(shè)的方式，甚至?xí)┰胶恿?、湖泊、沼澤等惡劣環(huán)境。作為承壓類(lèi)特種設(shè)備之一，埋地燃?xì)夤艿朗艿酵饨绛h(huán)境及安裝質(zhì)量的影響，在服役過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種缺陷，其中，外防腐層破損是最常見(jiàn)的缺陷[1]。因此壓力管道應(yīng)進(jìn)行定期檢測(cè)，目前采用的外防腐層檢測(cè)技術(shù)均是在非開(kāi)挖狀態(tài)下進(jìn)行檢測(cè)，通常由人工操作信號(hào)接收儀器，人工繪制路由圖及標(biāo)注檢測(cè)點(diǎn)，導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)追溯性較差[2]。本文研制的管道外防腐智能化檢測(cè)裝置，可以根據(jù)管道衰減電流大小判斷防腐層破損點(diǎn)位置并實(shí)現(xiàn)管道檢測(cè)的智能化布點(diǎn)、自動(dòng)繪制管線(xiàn)圖、自動(dòng)記錄管道埋深等功能，實(shí)現(xiàn)埋地燃?xì)夤艿劳夥栏瘷z測(cè)的智能化操作。

1 智能檢測(cè)裝置的組成

1.1 智能檢測(cè)裝置硬件結(jié)構(gòu)

為了便于智能檢測(cè)裝置在野外各種環(huán)境下行走，主體結(jié)構(gòu)采用四輪獨(dú)立懸掛形式，驅(qū)動(dòng)裝置采用低功耗大扭矩的輪轂電機(jī)，可以為檢測(cè)裝置提供足夠動(dòng)力?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境的特殊性，在運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向方面采用單輪單轉(zhuǎn)向控制，單輪均可以360°轉(zhuǎn)動(dòng)，且沒(méi)有轉(zhuǎn)彎半徑限制，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)裝置向任意方向運(yùn)動(dòng)的目的，如圖1 所示為智能檢測(cè)裝置樣機(jī)。

圖1 智能檢測(cè)裝置樣機(jī)

智能檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)有一個(gè)60°×180°全景云臺(tái)相機(jī)及一臺(tái)定位高清攝像頭，操作人員可在后臺(tái)軟件界面實(shí)時(shí)觀(guān)察到檢測(cè)裝置整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及信號(hào)接收機(jī)顯示畫(huà)面，也可以通過(guò)信號(hào)接收機(jī)的界面顯示及判斷埋地管道的位置。檢測(cè)裝置在埋地管道上方運(yùn)動(dòng)時(shí)，遠(yuǎn)方控制系統(tǒng)對(duì)其發(fā)送記錄打點(diǎn)指令，舵機(jī)會(huì)根據(jù)接收的指令旋轉(zhuǎn)固定角度，運(yùn)用舵機(jī)上安裝的擺桿對(duì)信號(hào)接收機(jī)上的保存按鍵進(jìn)行點(diǎn)擊，代替人工手動(dòng)操作，圖2 所示為智能檢測(cè)裝置上的打點(diǎn)航機(jī)。

圖2 智能檢測(cè)裝置上的打點(diǎn)航機(jī)

承載信號(hào)接收機(jī)的x、y軸移動(dòng)裝置選用高精度工業(yè)級(jí)電動(dòng)十字滑臺(tái)，具有很高的傳動(dòng)效率及傳動(dòng)精度[3]，在檢測(cè)過(guò)程中確保信號(hào)接收機(jī)處于同一高度。

1.2 智能檢測(cè)的控制系統(tǒng)

智能檢測(cè)的原理是對(duì)管道施加一個(gè)電流信號(hào)，采用接收機(jī)接收電流信號(hào)，根據(jù)管中電流信號(hào)判斷管道的走向和埋深，根據(jù)電流信號(hào)衰減程度來(lái)尋找破損點(diǎn)。控制系統(tǒng)采用的是高性能STM32 單片機(jī)，并與后臺(tái)控制系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)傳輸[4]，檢測(cè)裝置運(yùn)動(dòng)形式有兩種：一是通過(guò)本身自帶的多通道遙控器進(jìn)行控制；另外是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)裝置遠(yuǎn)程控制。

智能檢測(cè)裝置的圖像傳輸采用大功率網(wǎng)橋系統(tǒng)，網(wǎng)橋圖像傳輸距離可達(dá)5 km，傳輸效率可達(dá)900 M/s，傳輸穩(wěn)定性強(qiáng)，且可以有效避免外界環(huán)境干擾[5]。根據(jù)管道定檢項(xiàng)目及信號(hào)接收機(jī)操作原理，智能化檢測(cè)裝置主要對(duì)管道電流接收模塊、管道定位模塊、管道埋深檢側(cè)模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)?？梢酝ㄟ^(guò)攝像頭查看信號(hào)接收機(jī)面板，將定位模式調(diào)成“波峰法或波谷法”，利用管線(xiàn)定位箭頭確定大致位置[6]，再利用數(shù)字信號(hào)定位管道中心線(xiàn)并記錄管道埋深、電流強(qiáng)度等。

當(dāng)軟件操控平臺(tái)通過(guò)網(wǎng)橋發(fā)出指令后，智能檢測(cè)裝置中的GPS 將收到一個(gè)記錄坐標(biāo)的指令，并在打點(diǎn)指令完成后，將GPS 采集到的經(jīng)緯度坐標(biāo)上傳至軟件操控平臺(tái)，計(jì)算機(jī)將收到的經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)行匯總，最終生成一個(gè)準(zhǔn)確完整的管線(xiàn)路由圖。同時(shí)檢測(cè)裝置依據(jù)接收的管中電流信號(hào)記錄管道埋深，并根據(jù)電流數(shù)值變化尋找管道防腐層破損點(diǎn)，當(dāng)遇到有毒有害區(qū)域地段、狹窄空間等惡劣環(huán)境不適合人員徒步介入的地帶，也可以正常完成對(duì)埋地管道的檢測(cè)。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

智能檢測(cè)裝置樣機(jī)研制成功后，在某燃?xì)夤镜囊欢温竦厝細(xì)夤艿肋M(jìn)行了性能測(cè)試，該管線(xiàn)設(shè)計(jì)壓力為4.0 MPa，管道規(guī)格為 325 mm×10 mm，材質(zhì)為L(zhǎng)290N,長(zhǎng)度為39 km，對(duì)其中2 km 管道進(jìn)行了智能化檢測(cè)，同時(shí)也進(jìn)行了人工檢測(cè)做數(shù)據(jù)比對(duì)，智能化檢測(cè)與人工檢測(cè)比對(duì)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 智能化檢測(cè)與人工檢測(cè)比對(duì)數(shù)據(jù)

從表1 可以看出，智能化檢測(cè)數(shù)據(jù)和人工檢測(cè)的電流衰減數(shù)據(jù)基本一致，說(shuō)明智能檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠性較高，完全可以取代人工檢測(cè)。根據(jù)衰減電流換算出的絕緣電阻數(shù)值將等級(jí)評(píng)價(jià)劃定為五個(gè)等級(jí)，其中KD25 段管線(xiàn)電流衰減信號(hào)Y為51 dB/km，絕緣電阻值＜1 kΩ/m2,防腐層評(píng)價(jià)等級(jí)為五級(jí)劣，說(shuō)明外防腐層存在較大破損點(diǎn)，對(duì)比自動(dòng)繪制的管道路由圖，找出了破損點(diǎn)的GPS 定位并開(kāi)挖進(jìn)行了驗(yàn)證，圖4 所示為KD25 管段的破損狀態(tài)，破損面積約為270 mm×120 mm。

圖4 KD25管段破損狀態(tài)

測(cè)試區(qū)間的KD11 與KD40 管段絕緣電阻值均大于10 kΩ/m2，防腐層基本無(wú)老化，防腐層評(píng)價(jià)等級(jí)為一級(jí)優(yōu)；KD15 管段的絕緣電阻值為5 ～10 kΩ/m2，說(shuō)明防腐層老化校輕微、無(wú)剝離和損壞現(xiàn)象，防腐層評(píng)價(jià)等級(jí)為二級(jí)良；KD31 管段絕緣電阻值為3 ～5 kΩ/m2，防腐層基本完整、老化較輕，防腐層評(píng)價(jià)等級(jí)為三級(jí)可；KD23 管段的電流衰減信號(hào)Y為38 dB/km，絕緣電阻值為1 ～3 kΩ/m2，說(shuō)明防腐層老化較重、有剝離現(xiàn)象，防腐層評(píng)價(jià)等級(jí)為四級(jí)差。對(duì)比自動(dòng)繪制的管道路由圖，找出了KD23 管段破損點(diǎn)的GPS 定位并進(jìn)行了開(kāi)挖驗(yàn)證，圖5 所示為KD23 管段破損狀態(tài)，破損面積約為140 mm×30 mm。

圖5 KD23管段破損狀態(tài)

通過(guò)開(kāi)挖驗(yàn)證可以看出，智能化檢測(cè)裝置可以檢測(cè)出埋地管道的外防腐層破損點(diǎn)，破損點(diǎn)的面積與電流衰減信號(hào)dB 值相互對(duì)應(yīng)，并根據(jù)路由圖找出破損點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，為使用單位開(kāi)挖修復(fù)提供了技術(shù)支持。

3 分析與討論

通過(guò)將工程實(shí)例與人工檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明智能化裝置的檢測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，同時(shí)由于智能化裝置安裝了數(shù)據(jù)控制平臺(tái)，可以對(duì)日常檢測(cè)中積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析出電流衰減信號(hào)與破損點(diǎn)面積的關(guān)系，管道絕緣電阻Rg與防腐層老化狀況的關(guān)系，可以對(duì)后續(xù)的修復(fù)工作提供了數(shù)據(jù)支持[7]。

3.1 電流衰減信號(hào)與破損點(diǎn)面積的關(guān)系

埋地燃?xì)夤艿榔毡椴捎? 層PE 防腐，具有較好的熱穩(wěn)定性，不易發(fā)生老化現(xiàn)象，對(duì)土壤的酸堿性有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，防腐層開(kāi)裂的可能性很低[8]。防腐層失效幾乎都是由破損引起的，根據(jù)電流衰減率判斷破損點(diǎn)的準(zhǔn)確率很高，通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)的積累，可以總結(jié)出電流衰減信號(hào)與破損點(diǎn)面積的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表2所示，表2 中的面積應(yīng)理解為等效圓直徑計(jì)算值[9]。

表2 電流衰減信號(hào)與破損點(diǎn)面積關(guān)系表

3.2 絕緣電阻Rg與防腐層老化狀況的關(guān)系

埋地管道的絕緣電阻Rg代表著防腐層的完好狀態(tài)，絕緣電阻Rg數(shù)值越大，說(shuō)明管道的防腐層越完好[10]。通過(guò)智能化檢測(cè)對(duì)絕緣電阻Rg數(shù)據(jù)的積累與分析，可以總結(jié)出采用3PE 防腐的管道絕緣電阻Rg、管道的分布電容C與防腐層老化狀況的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表3 為絕緣電阻Rg與防腐層綜合等級(jí)評(píng)價(jià)表。

表3 絕緣電阻Rg與防腐層綜合等級(jí)評(píng)價(jià)表

4 結(jié)論

（1）埋地燃?xì)夤艿乐悄芑瘷z測(cè)裝置通過(guò)可遙控的接收機(jī)接發(fā)管道電流信號(hào)，解決了檢測(cè)人員手持信號(hào)接收機(jī)造成的人工打點(diǎn)稀疏、工作量大、人工操作數(shù)據(jù)真實(shí)性存疑等問(wèn)題，也解決了在一些危險(xiǎn)、復(fù)雜環(huán)境狀態(tài)下無(wú)法檢測(cè)的技術(shù)難題。

（2）通過(guò)與人工檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)后可知，埋地燃?xì)夤艿乐悄軝z測(cè)裝置既能保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，又能大幅提高檢測(cè)效率、降低檢測(cè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，隨著智能化檢測(cè)水平不斷提高，其勢(shì)必會(huì)取代傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方式。

（3）為了進(jìn)一步提高埋地燃?xì)夤艿赖闹悄芑瘷z測(cè)水平，后續(xù)可研發(fā)遙控?zé)o人飛機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)，將管道電流接收模塊、定位模塊、埋深檢側(cè)模塊、GPS 坐標(biāo)系統(tǒng)裝置于無(wú)人飛機(jī)中，在空中完成對(duì)埋地燃?xì)夤艿赖闹悄芑瘷z測(cè)工作。