放射性復雜管段檢查機器人的設計探析

熊樹欽，劉碩

（1.山東核電有限公司，山東 海陽 265100；2.國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233）

1 概述

隨著近年來我國核能工業的快速發展，越來越多的涉核管道被投入使用，涉核管道內狀態檢查需求越發強烈。

管道內狀態檢測一般采用探測器如內窺鏡、管道爬行機器人等檢查和記錄管道的劃痕、腐蝕等損傷情況；通過管道內檢測可事先發現各種缺陷和損傷，了解各管段的損傷程度，可預防和有效減少事故并節約管道維修資金，是保證管道安全的重要措施。

由于管道設計時需考慮空間與現場布局，因此部分管道存在多段彎管三通變徑等連續復雜情況，一般的內窺鏡或爬行機器人很難檢查，通常只能采用流阻法或拆除可能存在異常管段的方法進行檢查，成本較高且用時較長，因此，本文根據常見的幾種情況進行分析，設計探討開發專用爬行機器人的可行性。

2 結構可行性分析

參考目前常見的管道爬行機器人可知，機器人目前主要采用兩種爬行方式，分別是通過磁力輪或履帶爬行的管道車與通過支撐力爬行的爬行機器人。

其中爬行車主要適用于大型、無大傾角爬行或垂直上升的管道，如部分城市的地下供水管、部分石油化工的供液、氣管等等，優勢是爬行效率高，可通過減小車體大小而不受管道彎折半徑的限制等；對于存在垂直爬升的管道，因磁力吸附的可靠性無法保證，一般采用機體寬度等于管道直徑的爬行機器人，動力足通過支撐力產生的摩擦力進行爬行。

為滿足通過彎頭的要求，假設爬行機器人截面為長方形，通過彎頭的彎轉半徑為1D，彎轉角度90°，如圖1 所示。

圖1

當通過彎頭的彎轉半徑為1.5D，彎轉角度90°，如圖2 所示。

圖2

綜上情況可知，彎頭的彎轉半徑越大，對于此類型爬行機器人的車體結構限制越小，機器人越容易通過。

目前，常見的三通結構一般為等徑三通，當車體需要通過三通時，為防止車身單側懸空導致車體側翻喪失動力，整體車長B 應大于1D；因此如車體需通過彎轉半徑為1D 的彎頭，則伸縮性變化量較車體寬度A 變化量較大；考慮此狀態時，兩端4 個方向的動力輪僅有1 個可提供動力，因此負載難度較大。當車體需通過彎轉半徑為1.5D 的彎頭時，車身長度滿足三通通過要求，且同時4 個方向動力輪至少有2 個可提供動力，在不需要存在較大伸縮性變化量作為前提的情況下，負載難度相較可通過1D 彎頭的車體下降50%，較為符合現實需要。

當不考慮車身寬度A 存在變徑a 時，分析認為，阻礙車體通過彎頭的主要原因為車體中部車身過大，當采用剛性結構車體且動力輪位于車體4 角時，如機器人正常爬行于管道中軸線上，中部車身體積對動力輪的支撐無明顯影響；當車體與管道中軸線存在角度時，可通過調整車體4 角動力輪的速度進行修正。

爬行機器人采用8 角驅動中間收縮的雙傘形支撐結構時，通過90°1D 彎頭情況如圖3 所示。

圖3

為滿足動力的基本要求車身兩端寬度為D，由圖可知，存在不需要變徑a 即可正常通過1D 彎頭的可能，但在通過管道中位后的下一個時刻時，依然只有一個動力輪可提供動力，因此不推薦采用。

參照GB12459-2017《鋼制對焊管件類型與參數》，當管道為DN100 時，1D 彎頭實際彎轉半徑為102mm，與實際計算誤差在2mm 左右，且管道直徑越大，彎轉半徑與計算誤差越大；同時彎頭加工可能存在一定的工業誤差，因此爬行裝置自適應伸縮性也是必要的。

綜上所述，設計了如圖4 所示爬行機器人傘形切面結構。

圖4

如圖4 所示，支撐桿和傳動桿為剛性桿體長度不變，且傳動桿長度根據所需檢查管道范圍變化，以保證動力輪對管道壁的支撐力，進而保證動力輪的動力，兩端通過轉軸連接至推力盤上；手輪與中部軀殼通過螺紋連接，并通過多根彈簧連接至移動推力盤上；當轉動手輪時，手輪通過彈簧的支撐力改變移動推力盤位置，進而改變支撐桿角度，改變支撐半徑L，從而主動變徑提高爬行裝置的支撐力，進而提升動力輪動力；在爬行機器人爬行的過程中管徑發生改變時，彈簧通過彈性形變改變移動推力盤位置，進而對支撐半徑L 進行微調，從而達到自適應管道變徑的目的，自適應范圍由彈簧的可變形范圍而定。

由上可知，當通過彎頭時，不同位置動力輪存在轉速差，且當不同動力輪可單獨控制時，可通過調整動力輪轉速調節機器人爬行角度，從而保證機器人正常爬行于管道中軸線上，進而保證負載不會集中在單一動力輪上從而導致機器人整體動力下降，因此設計如圖5 所示動力輪結構，每個動力輪由單獨電機控制，可通過外部指令或內部控制模塊改變各輪的轉速進行機器人姿態調整。

圖5

3 基礎功能分析

3.1 定位功能

管道內狀態檢查的核心是定性與定位，定性可通過在爬行機器人上安裝相機或攝像頭，通過爬行期間或爬行結束后人工圖像判斷來解決；定位精度由運動控制精度和計步精度2 部分共同決定。

爬行機器人運動時，控制邏輯如圖6 所示。

圖6

信號部分由外部的控制端根據操作員的執行發送運動指令，通過數據線纜傳輸至爬行機器人的控制模塊，控制模塊將運動信號編譯成多個脈沖信號發送至各個脈沖驅動模塊驅動步進電機拖動動力輪前進，當通過三通、彎頭等特殊工況時，可通過控制模塊改變動力輪轉速進而繼續前進；前部2 個動力輪上裝有齒輪脈沖發生器，將實際前進的步數轉換為脈沖信號返回至控制模塊后傳輸回外部控制段，控制端根據情況人為控制。

因動力輪可能存在打滑的問題，齒輪脈沖發生器脈沖可能根據管道內情況不同存在一定的誤差，因此，為進一步提升檢查精度，在爬行機器人后端線纜上加入距離坐標標記，因所需檢查管道在施工期間都有對應的圖紙，且機器人在前進過程中因線纜存在一定的阻力因此可認為線纜為緊繃狀態，可根據圖紙結合線纜上的坐標對爬行機器人位置進行二次分析，驗證位置的正確性。

3.2 放射性屏蔽

核工業管道的一大特殊性即管道內可能存在一定的放射性，已知放射性主要對感光元件及部分電路元件有一定的影響，但及具體影響情況無明計算準則，因此設計著手從時間防護與屏蔽防護兩方面降低放射性對爬行機器人的影響。

（1）時間防護。在保證檢查精度的前提下最大限度的提升機器人的爬行速度，進而降低裝置在受放射性影響的時間，降低輻射造成裝置損壞的風險。

（2）屏蔽防護。裝置整體采用整體包裹的形式，將所有電路包裹在金屬外殼內，且在電路板間空隙增加薄鉛板以降低輻射對其影響，具體設計結構如圖7 所示，在控制和圖像電路板被包裹在車身主體內，連接線纜從兩邊連接，中間預留加裝鉛板位置。

圖7

3.3 防異物設計

核工業管道的另一大特殊性是管道防異物要求高，因此爬行機器人采用包裹式設計，所有結構都被包裹至機器人中軸主體外殼中，以確保不會產生異物遺留在管道中；當機器人失電后，可將整個機器人整體視為一個異物，通過人工拖動后端線纜的方式將其拉出，為達到此效果設計了如圖8 所示防脫落結構。

圖8

線纜端和車體采用螺紋連接的方式，通過定位銷與較長的螺紋降低端接脫落的風險；線纜端內部存在2 個固定點，將線纜內部的抗拉纖維固定至固定點，防止線纜拖拽導致數據線纜接觸不良風險的確保人工拖拽時強度。

4 功能測試

根據上文分析設計，加工了如圖9 所示爬行機器人。

圖9

為驗證機器人滿足檢查基本要求，對機器人爬行及通過1.5D、三通的情況進行了實體測試。

測試條件1：垂直3m 亞克力管測試；測試結果：可正常上升、自鎖、下降，爬升3 次平均用時48 秒。

測試條件2：通過1.5D 彎管測試；測試結果：可正常通過，通過時車體行進速度較慢，耗時6 秒左右。

測試條件3：通過三通測試；試驗結果：當三通為水平垂直水平時，機器人沿水平方向前進可正常通過，無卡頓。

當三通為垂直水平垂直時，機器人在第一個動力輪到達三通后車體傾斜，無法前進，反轉動力輪方向后可正常退出；結合實際情況分析認為，當機器人進入三通后，分支通道方向的動力輪失去支撐力，導致車體前端3 個動力輪失去、降低摩擦力，導致機器人動力不足；且因車體前端3 個動力輪支撐力之和不等于0，導致機器人向分支方向傾斜，且下端動力輪提供的轉向力不足，進而導致機器人卡住，無法前進。

5 結語

綜合上述測試過程，認為爬行機器人無法通過三通的原因主要是動力不足與車體傾斜，因此需提供額外動力與軸向修正力才能通過三通。經二次調研，認為當采用多車體連接的多節結構時，可通過后節機器人提供推力以彌補動力不足問題；多節結構中連接選用軸向剛性非軸向彈性連接，在提供一定非軸向的修正力以降低車體傾斜問題，且非軸向的修正力不宜太強，否則，將導致多節結構形成一個長的剛性結構，當通過彎頭時如車體長度大于時，則會導致車體無法通過彎頭。