輔助定位技術在危化品儲罐漏磁檢測中的應用研究*

朱君君，胡華勝，肖 黎

（1.廣東省特種設備檢測研究院，廣東佛山 528251；2.武漢工程大學，武漢 430205）

0 引言

隨著我國經濟高速發展，危化品儲罐得到廣泛應用。危化品儲罐壁板受環境因素及介質腐蝕影響，腐蝕減薄時常發生，嚴重時引發腐蝕穿孔、裂紋擴展甚至破裂，以致介質泄漏，影響安全生產。為使危化品儲罐安全運行，降低危險事故，國家制定了相關的檢測行業標準，中國石油天然氣管道局發布了《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護修理規程》（SY/T 5921-2011）和《油罐的檢驗、修理、改建及翻建》（SY/T 6620-2014）。在這兩個行業標準中，明確指出儲罐壁板的檢測是儲罐檢測的一項必需內容[1-2]。位于儲罐最底層的罐底板一般由中幅板和極邊板按一定的排板形式焊接而成，其上表面接觸含水的存儲介質，下表面與儲罐的支撐物接觸，是儲罐最容易發生腐蝕的區域[3-7]。因此，在儲罐實際檢測中，底板是最關鍵的檢測對象，也是最容易出現問題、導致事故的部件。

漏磁檢測技術對底板鋼板上下表面體積型缺陷（包括穿孔）具有優良的檢測能力，尤其是對底板下表面點狀腐蝕的檢測能力突出[8-10]，其結論對于做出不修、修補和更換底板的決定起著重要作用，使維修保養更具針對性，客觀降低維修保養費用，廣泛運用于危化品儲罐底板可靠性檢測。但傳統的漏磁檢測實際操作時勞動強度高、檢測時間長，而且儲罐的受限空間不允許工作人員長時間工作。近年來隨著我國新建大型儲罐增多，檢測任務加劇，傳統的手工漏磁檢測方法已不適應新的環境和發展客觀要求[11]。

本文開展定位裝置相關研究，通過定位樁輔助定位技術使漏磁檢測設備在儲罐內能夠精確定位和檢測全覆蓋，同時具有路徑偏移糾正、翻越一般焊縫等障礙物功能，將漏磁技術和智能技術較好結合，自動進行漏磁檢測，提高儲罐底板的檢測效率，降低勞動強度。

1 漏磁檢測原理及智能系統構成

1.1 漏磁檢測原理

漏磁檢測原理是利用磁敏元件對空氣中的漏磁信息進行探測。當鐵磁性板材被外加磁化裝置磁化后，在板材內可產生感應磁場，若板材上存在腐蝕或機械損傷等體積性缺陷，則磁力線會泄漏到板材外部，從而在其表面形成漏磁場。在磁化裝置中部放置一個磁場傳感器（通常采用霍爾元件或線圈等磁場傳感器），磁場傳感器將底板上由缺陷產生的（漏磁場）漏磁信號轉換為電信號，然后通過放大、濾波和信號處理，對于儲罐底板壁厚減薄缺陷，可給出缺陷深度的當量，對于裂紋性質的缺陷，可以通過漏磁信號標準《無損檢測常壓金屬儲罐漏磁檢測方法》（JB/T 10765-2007）進行分析[12]。

1.2 智能系統構成

漏磁檢測儀主要基于漏磁檢測的原理，一般系統包含3個部分：檢測部分、驅動部分和控制顯示部分。本文討論的危化品儲罐底板漏磁智能檢測系統，具體包括兩方面功能模塊研究以及整機應用：（1）選擇合適的漏磁檢測儀，優化結構，搭建移動驅動模塊、攝像模塊、通信模塊、打標模塊；（2）設計移動控制終端，包括系統操作平臺、通訊模塊、實時成像及檢測數據分析模塊、控制模塊、智能輔助定位裝置（路徑規劃）、數據存儲模塊等。整個檢測過程實現自動化，存儲超出閾值顯示區域位置對應的圖像信息。其中漏磁檢測儀移動驅動模塊，擬采用單車雙履帶結構的車體結構，內置輔助定位裝置（路徑規劃），能夠攜帶檢測儀在儲罐表面平穩可靠地運動以及糾正路徑偏移、定位、翻越一般障礙物，并完成檢測任務，具有一定的穩定性和靈活性。而定位裝置是實現底板漏磁智能檢測的關鍵部分之一。本文研究的定位樁輔助定位技術使裝備通過傳感器感知環境信息和自身狀態，實現在儲罐內沿規劃路徑自主運動，并能夠保證一定的行走精度，最終確定缺陷在儲罐底板上的準確位置，對實現檢測設備自動化功能具有非常重要的作用。

2 定位樁輔助定位分析

底板間焊縫的余高一般為10～20 mm左右，粗細大概是10 mm左右，目前未見比較合適的物理外設或者傳感器可以感知、識別出儲罐內的焊縫。利用高精度攝像頭的圖像識別技術，在儲罐內光線極暗的條件下無法準確清晰地識別如此小的焊縫。利用紅外技術，由于儲罐底板材質一致，無法區分焊縫。利用多線激光雷達，無法保證激光掃描到焊縫區域的地面，而且焊縫尺寸較小，目前360°多線激光雷達也難以進行識別。

針對儲罐內焊縫的智能識別，本文提出一種多線激光雷達配合輔助定位樁識別焊縫的獨特方法，利用樁子擺放在一條焊縫兩側，通過多線激光雷達識別兩個樁子的位置確定這條焊縫的所在位置，這里的樁子稱為定位樁。定位樁的選取要滿足識別的便利性，本文主要針對這種定位樁的選擇進行相關分析。

通過激光雷達以及輔助定位樁計算確定小車（即漏磁檢測儀）位置的方法主要步驟如下。

第一步：通過雷達掃描小車周邊物體，根據雷達數據計算小車周邊物體相對小車自身的位置信息，距離信息k1、k2、k3，以及k1、k2、k3出現位置相對小車的角度，如圖1所示。

圖1 小車定位示意圖Fig.1 trolley positioning diagram

第二步：將小車周邊物體位置信息每3個一組進行計算，根據小車距離物體的3個距離k1、k2、k3，計算得到物體之間的長度和寬度以及垂直角度，然后與已知定位樁之間的長度和寬度進行比較，進而確定哪3個物體是已知的3個定位樁，最終確定小車周邊定位柱的位置。

第三步：如圖1所示，在確定3個定位樁以及3條邊的位置關系后，可以結合長寬信息算出小車坐標（x，y），例如，如圖1所示，x可由k1以及k1出現位置的夾角r計算得到x=sinr×k1。

第四步：小車角度校準，計算小車朝向角度與水平兩個定位樁連線之間夾角，調整小車使其與水平兩個定位樁連線保持平行。

2.1 定位樁的直徑選取

定位樁的直徑尺寸不宜過大。儲罐內的障礙物一般較多，無法確保焊縫附近都能擺放一個大直徑的定位樁。同時，直徑過大的定位樁本身容易帶來定位誤差，并且也不方便攜帶，因此定位樁的直徑選取要盡量小。

儲罐內的鋼板的長度一般在1～20 m范圍內。這里選取市面上較為主流的鐳神16線激光雷達進行測試。鐳神16線激光雷達以10 Hz掃描頻率工作時，其角度精度是0.18°。一塊鋼板一般要掃描的最遠端是10 m左右。要準確地在10 m遠的地方識別出輔助定位樁，需要保證至少有一個掃描點落在定位樁上，因此定位樁的直徑至少要10×sin(0.18°/2)×2≈0.016 m。綜合考慮，本文選定的定位樁直徑建議為0.05 m。

2.2 定位樁的材質選取

為了更快速、準確地與儲罐內的其他障礙物進行區分，利用多線激光雷達對不同透明度的物體可以識別出不同反射激光強度信息的原理，本文對實心透明亞克力材質、空心透明PVC塑料材質和完全不透明PVC塑料材質等3種材質定位樁進行測試。為了保證輔助定位樁被激光雷達掃描到，定位樁到激光雷達的距離設置為0.32 m，測試數據如表1所示。

表1 激光雷達測試不同材料的定位樁數據Tab.1 Data of positioning piles of different materials tested by radar

從表1實驗數據可以看出，隨著激光光線角度增大，激光雷達到達透明材料輔助定位樁的測量數據偏差越大，而激光雷達對實心不透明材料定位樁測量數據偏差在±2 mm范圍以內，另外幾乎不受激光光線角度變化的影響。

圖2所示為完全不透明輔助定位樁的3D圖顯示，紅色方框中為空心透明定位樁掃描圖，可以看到3D圖中的空心透明定位樁強度信息是橘紅色，而且多線雷達所得的多根線條都在同一豎直平面內，相對更平整。這說明，通過激光雷達的內部數據校正，其不同角度的光線所得的測試距離數據是一致的。對于透明材料的定位樁，其點云圖的線條是比較扭曲的。造成這種扭曲的原因，是由于激光光線的在透明定位樁表面折射等原因造成的，其結果就是所得的距離等信息不準確。

圖2 完全不透明定位樁雷達3D圖Fig.2 Radar 3D diagram of completely opaque positioning pile

分析上述的實驗數據可知，針對透明材質定位樁，雖然通過多線激光雷達的強度信息確實能準確分辨定位樁和儲罐內其他物體，但是透明物體會對光線進行折射，導致最后雷達測量的距離不準確，無法準確確定焊縫位置。相比之下，采用完全不透明材質的定位樁，其所得的距離數據和角度數據都比較準確，因此確定采用完全不透明定位樁。

2.3 定位樁高度確定

由于采用的是非透明材質，為了區別現場的浮頂柱和定位樁，可以通過多線雷達計算定位樁的高度，利用高度的區別識別現場的浮頂柱和定位樁。為了更方便區分，需要為定位樁設計合適的高度。雷達光線散射的效果如圖3所示，雷達散射的光線條數為16條，向上向下各8條，每兩條之間相差2°，光線角度最大是15°。

圖3 雷達光線散射Fig.3 Radar light scattering diagram

雷達識別出定位樁需要確保幾點：（1）至少要有兩根光線打到定位樁上，確定定位樁是一個豎直的圓柱體；（2）要確保20 m左右雷達至少有兩個點掃描到定位樁上，如圖4所示。因此，定位樁的高度至少10×tan(1)×2≈0.0349 m。為使用方便，本文確定的定位樁高度為0.5 m。

圖4 雷達兩根光線掃描定位樁Fig.4 Schematic diagram of two light scanning positioning piles of radar

2.4 定位樁形狀的選取

雷達光線只能探射到定位樁表面，為了雷達從各個方向掃描到定位樁，確保定位樁的中心到雷達的距離都是可以通過計算得到，圓形定位樁的形狀可以滿足要求。即實際雷達到定位樁中心的距離L等于雷達光線測量的定位樁表面最短距離L1加上定位樁半徑R。同時雷達在儲罐內配合智能設備運動的過程中，雷達的垂直高度無法一直保持固定，因此定位樁從下到上的圓形半徑要保持一致。

綜上所述，定位樁的形狀只能是圓柱體形，而不能是圓錐體形，更不能是長方體形。

2.5 定位樁的擺放改進方案

為了更好地配合雷達確定焊縫的所在位置，定位樁的擺放必須要垂直于地面，而儲罐底板上會存在很多因素影響到定位樁的擺放，例如焊縫焊接的不平整、底板上有很大焊瘤、底板凹凸不平等。針對這個問題，對上述定位樁的結構進行改進，設計了一種可以移動的懸掛式定位樁結構，如圖5所示。這種定位樁可以改變接觸地面的位置，但是保持定位樁的實際位置保持不變，而且定位樁始終垂直于地面。

圖5 輔助定位樁改進裝置結構Fig.5 Structural diagram of the improvement device for positioning pile

3 結束語

本文研究了用于漏磁智能檢測導航的多線激光雷達輔助定位技術，給出了定位樁的直徑、材質、高度以及其放置方式等選取范圍，使測量的距離和角度數據更準確。在惠州某煉油廠10000 m3儲罐進行整體功能測試，漏磁檢測儀通過傳感器感知環境信息和自身狀態，實現在儲罐內沿規劃路徑自主運動及開展檢測，能夠平穩可靠地運動，掃描速率為0～10 m/min，移動精度為運動1 m的偏移量不超過10 mm。對8 mm厚度試板檢出直徑1.6 mm通孔和直徑10 mm深1.6 mm孔，檢出率95%以上，能夠在儲罐底板上對缺陷進行準確定位，達到精準的漏磁檢測的目的，同時可以提高檢測工作效率、降低檢測成本、改善作業條件。