水下機器人坐管作業機構設計與分析*

王榮耀，高宇清，廖逍釗

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.中國石油大學(華東)， 山東 青島市 266580)

0 引 言

深海采礦揚礦管和海底油氣輸運管道在其服役過程中需要長時間經受管內流體沖蝕、海水腐蝕以及海底洋流的作用，隨著作業時間的累積其作業的安全性必將不斷下降。基于海底環境的特殊性，海底管道維護的條件也極其苛刻，對其檢測、維修的難度大。一旦發生事故，將引起作業設備和作業工時的重大損失，并對周圍海洋環境造成污染[1-4]。隨著我國海底管道保有量和使用年限的增加，其在役檢測和修復成為一個現實課題[5]。

近年來，水下機器人技術得到了快速發展，在深海礦產資源探采領域亦逐步應用[6]。通過水下機器人進行管外作業是海底管道檢修的重要方法，目前國內已有的水下作業機器人由于缺乏可以貼合管道外壁進行沿管道檢修作業的專用工具，無法直接用于海底管道的檢修作業。設計、開發一種用于水下作業機器人的沿管道檢修作業專用工具，對于降低海底管道檢測和修復作業成本、保障海底管道的長時間安全服役意義重大。

1 坐管機構選型與設計

1.1 坐管機構選型

目前國內外對于沿管行走裝置的研究中，坐管行走機構根據其運動形式主要分為如下4種[7]：

(1) 氣動蠕動式行走裝置。該裝置采用蠕動方式完成前進和后退，行走的動力來自于氣缸。結構簡單、控制方便，但行走速度受到限制。考慮到步進行走方式不便于海底管道的連續探測檢查作業，另外由于海底管道在水下環境工作，海水的壓力會使空氣壓縮嚴重，因此該方式不適用海底管道的檢修。

(2) 關節式管道行走裝置。該裝置通過其兩端的手爪交替抓緊管道實現沿管道的行走，通過各關節處的協調旋轉還可以實現沿管道的翻轉和扭轉行走。能順利通過彎管和T型管等特殊管段，但其結構復雜，可靠性低，因此不適用于對作業效率和可靠度具有較高要求的海底管道作業。

(3) 并聯式管道行走裝置。該裝置包括若干組腿，通過給每組腿輸入相應的指令，可以實現其沿著管道行走。其結構簡單，但控制較為復雜，同時步進行走方式不便于海底管道的連續探測檢查作業。

(4) 輪式管道行走裝置。該裝置通過輪子的轉動實現沿管道前進，類似汽車的行進方式。該裝置結構簡單且控制方便，適宜在平滑的管道上行走，但在彎管和不規則管道上行走時容易發生運動干涉。由于海底管道一般很少出現變外徑以及大角度轉彎，且海底管道平鋪在海底，基本沒有需要攀爬的管段。因此選擇輪式行走方式作為坐管和沿管道行走的機構形式。

1.2 坐管機構設計

設計的坐管機構主要包括用于連接水下機器人本體的卡箍、用于搭載作業工具的框架以及用于貼管壁行走的支撐輪，如圖1所示。其材料采用耐海水腐蝕能力比較強同時重量輕的高強度樹脂材料。

圖1 坐管機構

坐管機構與水下機器人本體的連接效果如圖2所示。系統浮心在上，重心在下，在海流等外力干擾下發生偏轉后，通過重力和浮力產生的力矩作用可以自動恢復豎直狀態，保證行進過程中不發生傾倒。同時，整個系統重量略大于浮力，沿管行進過程中通過富余重力的作用提供坐管的附著力，使坐管機構緊貼管壁。

圖2 坐管機構與水下機器人本體的連接效果

2 坐管機構結構強度分析

對設計的坐管機構進行應力和變形分析。在Solidworks軟件的Simulation模塊中建立分析模型，將坐管處視為固定約束，建立的模型見圖3。

圖3 坐管框架強度分析有限元模型

考慮10 kg的搭載重量，動載荷按照靜載荷的2倍考慮，假定此載荷均勻分布在搭載框架上，計算得出的應力情況如圖4所示。從圖4中可以看出，坐管框架的最大等效應力為27.2 MPa，發生在上層框架兩端的連接處，小于材料的拉伸強度35 MPa和彎曲強度67 MPa，結構強度符合要求。

計算得出的變形情況如圖5所示。從圖5中可以看出，坐管框架的最大變形為1.35 mm，發生在上層框架的中間位置，變形量不會導致結構的干涉。

圖4 應力分析結果

圖5 變形分析結

3 結 論

(1) 對管道外機器人沿管行走裝置的主要類型進行了對比和分析，最終選用了輪式行走方式作為水下機器人坐管機構的行走方式，在此基礎上對坐管機構的連接、搭載和行走支撐結構進行了設計。

(2) 采用有限元方法對坐管機構在工作載荷下的應力與變形情況進行了分析，結果表明坐管框架的最大等效應力發生在上層框架兩端的連接處，其大小在許可范圍內，最大變形發生在上層框架的中間位置，變形量不會導致結構的干涉。

(3) 本文研究的坐管作業機構可為海底管道的檢修提供一種作業工具的參考方案，對于降低海底管道檢測作業成本、保障海底管道的長時間安全服役具有重要意義。

參考文獻：

[1]張劍波,袁超紅.海底管道檢測與維修技術[J].石油礦場機械,2005,34(5):6-10.

[2]王忠巍,曹其新,欒 楠,等.海底管道檢測機器人智能控制器的研制[J].高技術通訊,2008,18(2):142-146.

[3]葛 彤,虞蘇芳,連 璉,等.淺海管線檢測維修潛水器控制系統自航模試驗[J].海洋工程,2005,23(2):49-55.

[4]陳 軍.海底管道檢測機器人技術的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2005.

[5]江 錦.幾種典型海底管道修復技術[A].中國海洋工程學會.第十五屆中國海洋(岸)工程學術討論會論文集(上)[C]//中國海洋工程學會:2011.

[6]王榮耀,高宇清,臧 龍,等.深海探礦機器人現狀與發展趨勢[J].采礦技術,2017,17(5):69-72.

[7]羅 潔.管道攀爬機器人結構設計及行走動力特性分析[D].武漢：武漢科技大學,2015.