天然氣管道內徑激光測量系統實驗研究

曹建樹，曹 振，李魁龍

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

機器人技術

天然氣管道內徑激光測量系統實驗研究

曹建樹1，曹 振1，李魁龍2

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

基于自主研制的模塊化管道機器人作為運動和檢測平臺，采用激光三角法對天然氣管道內置凸起、凹陷缺陷進行快速、高精度、非接觸內徑測量實驗，提取管道變形數據，剔除粗大誤差進行坐標修正，并經過數據處理繪制缺陷波動曲線和二維坐標重構圖像。對比實驗結果，該管道檢測機構寬度、高度檢測精度均在0.1mm內，較通徑儀法和超聲法的毫米級測量精度提高一個數量級。

激光；天然氣管道；內徑測量；誤差

0 引言

截至2014年底，我國已建油氣管道總里程約11.7萬千米[1]。由于受地殼運動、人為破壞和服役時間過長等原因，管道出現不同程度的變形，進而引發各種事故。我國規定新建管道必須在1年內檢測，以后視管道安全狀況每1～3年檢測1次[2]。大內徑的自動化測量是工業中常見的難題[3]，現有的測口板檢測方式各有優劣，不能完全反映管道建設過程中的變形情況[4]。激光三角測量法是一種非接觸式位移測量法，廣泛應用于物體位移、壁厚、圓度檢測[5]。基于激光的天然氣管道內表面測量技術是通過裝載有激光傳感器的檢測機構深入天然氣管道中非接觸采集管道內壁信息，再通過數據處理得出管道內壁變形、腐蝕、裂紋等缺陷尺寸和還原管道內壁情況。

1 檢測模塊組成及工作原理

實驗載體為管道機器人，采用模塊化結構設計，如圖1所示，主要包括牽引模塊，檢測模塊，電子艙輔助模塊。圖2為檢測模塊三維模型，主要由支撐筒體、支撐機構、旋轉臂組件等組成。支撐機構分成3組，圓周方向間隔120°均勻分布，每組長連桿與底座和輔助輪支撐架組成平行四連桿機構，保證同組兩個長支撐桿運動一致，保證同組中兩個行走輪在同一平面上運動，并適應不用的管徑。傳感器安裝在旋轉臂上，通過控制電機帶動旋轉臂完成管壁圓周掃描。檢測模塊采用ZLDS-100激光位移傳感器，起始測量距離為25mm，量程為10mm，精度為±0.01%，分辨率為15nm，線性度為0.1%，響應頻率為180kHz。

圖1 管道機器人實物圖

圖2 檢測機構三維模型

檢測模塊中的激光三角檢測系統由半導體激光發生器、透鏡、透明窗和光敏接收元件（CMOS）組成[6,7]。半導體激光器發出的激光束經過會聚透鏡，穿過透明窗后在照射到管道內壁，由光反射作用經過接收透鏡在CMOS陣列上成像，信號處理器通過三角函數關系分析CMOS陣列上光點信息，即可得到對應截面點缺陷信息，原理圖如圖3所示。

圖3 激光三角測量原理圖

首先根據檢測要求，對激光位移傳感器軸向距離Z坐標及激光點在管壁方向角度坐標X、Y進行標定，再通過步進電機控制旋轉臂旋轉角度，經過數據處理得出任意旋轉角度下激光點在局部坐標系中的X、Y坐標，利用伺服電機控制檢測機構在管道中的位置，根據里程輪記錄傳感器在管道中的軸向Z坐標。隨著機器人沿管道前進和測量旋轉臂旋轉，管道檢測機構完成管道內壁的掃描測量。測量流程如圖4所示。

圖4 測量流程圖

圖5 缺陷示意圖

2 實驗及結果分析

2.1 內部凸起障礙檢測

實驗以一個長方體標準塊作為高凸缺陷，對長方體標準塊寬度10次測量，高度10次測量值，人為缺陷如圖5所示。對此缺陷進行多次掃描測量實驗，選取其中10組數據進行數據分析處理，得出管道半徑及缺陷尺寸測量結果如表1所示。

根據誤差觀察法，殘余誤差無明顯變化情況，可以判斷測量數據無系統誤差存在，根據貝塞爾公式計算測量數據標準差。

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 長方體標準塊缺陷測量數據 （單位：mm）

剔除最大誤差法可得，半徑R測量結果為：

半徑測量誤差：

修正后半徑測量結果為：

修正后半徑測量誤差：

同理，缺陷寬度W測量結果為：

寬度誤差為：

缺陷高度H測量結果為：

高度誤差為：

圖6 管道半徑測量值與真實值對比圖

圖7 缺陷高度測量值與真實值對比圖

圖8 缺陷寬度測量值與缺陷真實值對比圖

圖9 修正前后管道極坐標截面重構圖像

根據數據分析：管道半徑直接測量值與真實值相比差0.0637mm，修正后測量值與真實值相比差0.0619mm，修正后測量誤差減小2.83%。缺陷寬度傳感器測量值與游標卡尺測量值差為0.032mm，缺陷高度傳感器測量值與卡尺測量值為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為管道半徑測量值與真實值對比圖，圖7為缺陷高度測量值與缺陷真實值對比圖，圖8為缺陷寬度測量值與缺陷真實值對比圖，圖9為修正前后管道截面重構圖像。

2.2 內壁腐蝕凹陷檢測

為了驗證管道檢測機器人激光檢測機構對內壁腐蝕凹陷缺陷的測量精度，實驗采用電火花加工在管道內壁人工制造腐蝕缺陷。對管道同一截面進行多次掃描測量，每個截面取16000個采樣點，計算腐蝕缺陷寬度值和高度值，測量數據如表2所示。

表2 腐蝕缺陷測量數據 （單位：mm）

寬度實際測量值：

通過剔除誤差法，去除誤差點1、4、5后，求得缺陷寬度W測量結果為：

寬度測量誤差值為：

缺陷高度真實測量值結果為：

缺陷高度H測量結果為：

缺陷高度測量誤差ΔH為：

根據數據分析：缺陷寬度測量值與真實值相差為3um，測量值極限誤差波動較大，主要是由激光點在腐蝕缺陷與管壁非缺陷過渡區的棱邊反射偏差引起，導致寬度測量時采樣點丟失，從而引起極限誤差波動大。缺陷高度測量值與真實值之差為0.006mm，是因為缺陷高度真實測量中采用卡尺測量，首先卡尺不能像激光點一樣精確測到缺陷最深處，其次卡尺測量精度沒有激光傳感器精度高，所以存在誤差。繪制檢測缺陷寬度波動曲線如圖10所示，腐蝕缺陷高度波動曲線如圖11所示。

圖10 腐蝕寬度測量值波動曲線

圖11 腐蝕缺陷高度測量值波動曲線

根據測量數據重構管道缺陷截面極坐標圖像，由于腐蝕缺陷大小相對于管道直徑很小，很難清晰辨別缺陷位置，繪制截面圖像半徑值為真實值減去160mm，修正前后極坐標重構圖像如圖12所示，對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，距離標準分度圓的距離偏差更小，測量精度更高。

圖12 修正前后管道極坐標截面圖像

3 結論

針對管道檢測的需求，本文提出利用自主研制的模塊化管道機器人，基于非接觸的激光三角法原理對天然氣管徑進行凸起缺陷和凹陷腐蝕缺陷檢測實驗研究。利用剔除粗大誤差和坐標修正法，經過數據處理、擬合得出被測管道寬度、高度測量值和修正前后半徑值、圓度值，并繪制缺陷波動曲線、二維極坐標重構圖像。通過與真實值對比，表明該管道檢測機構寬度、高度檢測精度均在0.1mm內，較通徑檢測儀法和超聲法的毫米級測量精度有很大提高，對我國天然氣管線內徑檢測及保障其安全運行有重要的借鑒意義。

[1] 高鵬,王培鴻,王海英,等.2014年中國油氣管道建設新進展[J].國際石油經濟,2015,23(3):68-74.

[2] 盛華仁.石油天然氣管道安全監督與管理暫行規定[J].中華人民共和國國務院公報,2000,31(02):18-21.

[3] 孟旭,張鎖懷,萬武勇,等.一種大尺寸孔軸線非接觸測量方法研究[J].機械設計與制造,2013(1):92-94.

[4] 張福民,曲興華,劉紅軒.激光內徑測量系統參數校正及算法優化[J].納米技術與精密工程,2011,9(5):459-463.

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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（1971 -），男，內蒙古豐鎮人，副教授，博士，研究方向為油氣管道檢測機器人技術研究。