管內蛇形機器人設計及變形檢測研究

張佳偉，趙 弘

(中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院， 北京 102200)

0 引言

液態能源主要利用鐵磁性材料管道進行長距離輸送，因其老化、腐蝕等原因造成的變形極易導致事故發生，造成經濟損失及環境污染，需定期進行檢測和維修。漏磁檢測技術廣泛應用于管道變形檢測工程，利用磁敏傳感器對漏磁場進行檢測，獲得其位置、類型、變形程度等精確信息。管道內漏磁檢測器通常采用軸向和周向磁化的方式使管道檢測達到全覆蓋，采集軸向和徑向磁通泄漏信號，利用信號畸變補償準確確定變形邊緣特征[1-2]。

基于漏磁檢測原理設計了管內變形檢測機器人，主要包括探究漏磁機理和磁化機理、機器人整體結構設計、變形檢測及不同變形種類規律探究。基于漏磁檢測設計一款管內變形檢測仿蛇形機器人，利用三維軟件構造機械結構并進行可行性分析；用Maxwell對不同變形種類進行管道磁化模擬仿真并對結果進行規律分析。管內變形檢測機器人基于DN100管道進行設計，針對管道變形及不同變形種類探究實現對管內變形檢測的仿真研究。

1 主要研究內容及目標

1.1 管道漏磁內檢測基本模型

漏磁檢測法是目前應用范圍最廣、檢測效果最好的管道檢測技術。基本原理是：鐵磁性材料在外加磁場的作用下被磁化，若材料中無缺陷，大部分磁力線會通過鐵磁性材料內部；若鐵磁性材料存在缺陷，由于缺陷部位磁導率遠小于鐵磁性材料本身，導致缺陷處磁阻增大，使得該區域磁場發生畸變，部分磁力線泄露出材料表面，在缺陷處形成漏磁場。通過磁敏元件對漏磁場進行檢測，可獲得相應的電信號，對電信號進行處理，可以得知缺陷的特征狀況[3]。

管道漏磁內檢測器如圖1所示，磁敏元件置于管壁表面，永磁體對管壁磁化，管道內壁無變形時沒有磁力線泄漏。管道內壁存在變形時，部分磁力線會直接泄漏到管壁內表面，檢測器檢測到磁感應強度變化，從而進行變形檢測和識別[4]。

圖1 管道內檢測器示意圖

1.2 管道機器人技術現狀

目前管道機器人仍處于發展階段，市面上用于管道檢測工作的機器人行走方式多樣，且大多是針對單一管道直徑進行檢測的，適應管道能力還不完善；同時，基于無損檢測技術下的管內變形檢測機器人設計也很多，如漏磁檢測技術、超聲波檢測技術、渦流或射線檢測技術等；此設計旨在對不同管徑進行變形檢測；設計伸縮支撐結構與動力伸縮結構使得面對顛簸可以平穩通過；通過對磁化后管道內磁感應強度變化進行分析研究變形處特征[5-7]。

1.3 基本流程

1) 管內蛇形變形檢測機器人設計

① 基于國內外管內檢測研究現狀設計模型；② 設計漏磁檢測單元以檢測變形；③ 機器人的結構校核。

2) 永磁鐵磁化機理和仿真模型建立

① 探究漏磁場與變形檢測關系；② 研究永磁鐵磁化管道后某一點處磁感應強度大小關系式。

3) 磁場仿真及變形預測

① 基于Maxwell 建立模型，進行磁化仿真；② 進行模擬實驗，記錄管內磁場強度變化；③ 驗證變形處仿真數據與變形種類是否對應；④探究仿真參數與管內變形特征之間的關系。

2 管內蛇形變形檢測機器人的設計

2.1 設計要求

管內檢測機器人運行速度一般在0.5～5 m/s，由于要實現的功能不同，運行速度也不相同；針對基于漏磁檢測原理的管內變形檢測機器人，其運行速度應控制在0.5 m/s；管內檢測機器人設計基于材質為X52鋼的DN100(內徑102 mm，外徑118 mm)高強度鋼管；自適應管徑范圍為(100±20)mm；可通過變形障礙范圍為R/10；機器人主體所受最大牽引力為300 N。要求機器人可以利用電機驅動履帶機構實現在管道中自由移動；在移動過程中，利用連桿支撐結構和伸縮履帶結構實現運行平穩和變徑工作；同時基于無損檢測技術，利用霍爾元件檢測管道變形處的漏磁場磁感應強度大小；針對實際工況對關節處進行通過性分析，設計一款管內蛇形變形檢測機器人[8]，圖2為機器人設計總體流程圖。

圖2 機器人設計流程框圖

2.2 驅動部分設計

管道機器人有多種運動方式，如常規柔性蠕動式、多足式、輪式、蛇形、履帶式等；相對于其他驅動方式，履帶驅動搭配平行連桿機構的方式，具有變徑范圍大、運動穩定、空間布局合理等優點。利用連桿支撐的3個獨立履帶驅動模塊作為動力來源，根據管道的軸對稱性和三角形的穩定性等特點，配合移動彈簧和可壓縮支撐桿以適應不同的管徑及不同的行走姿態；采用三軸里程輪結構用以記錄信息并自動適應管徑變化、提高越障能力。如圖3、4為驅動部分結構示意與支撐結構示意圖。

1.行走履帶；2.動力電機；3.連接角鋁；4.基管；5.連桿機構；6.壓縮彈簧

圖4 里程輪搭配連桿支撐結構示意圖

2.3 漏磁檢測部分設計

如圖5所示，霍爾元件是利用霍爾效應制成的傳感器，其分辨能力強、精度高且檢測速度快，將其均勻分布測量管道內壁漏磁場變化并進行信息收集；為避免磁化部分的永磁體對其檢測產生影響，在霍爾元件左右兩側添加2 mm的銅網起屏蔽作用。圖5所示為里程輪單元搭配永磁體模塊在基管上構成漏磁檢測模塊。

2.4 總體結構確定

管內檢測機器人為仿生蛇形結構，基管為鋁棒，相互之間由球形萬向節進行連接，機構兩端為動力模塊，安裝獨立履帶驅動模塊；中間載有支撐模塊、里程輪系統以及永磁體模塊和霍爾元件檢測系統；設計了履帶提供動力搭配壓縮彈簧式連桿的支撐結構，實現不同管徑下的變形檢測以及周向軸向檢測，使得變形檢測工作在平穩狀態下完成。在整個機器人的作業過程中，關節處需要適應不同管徑，在拐彎處會受到最大扭矩與管壁的反作用力，所以對球形萬向節處要求一定的強度和剛度，模擬實際工作時所受到的負載并進行靜力學仿真是必要的。

1.里程輪系統；2.伸縮支撐結構；3.霍爾元件；4.永磁鐵模塊；5.球形萬向節；6.主體支撐基管；7.銅網

圖6為管內蛇形變形檢測機器人總體三維結構，漏磁檢測單元僅在右邊部分進行顯示，機器人兩端為驅動部分，保證充足的動力來源；可以根據管道長度、管道周圍環境和實際工作需要選擇機器人節數；附帶兩張靜力學仿真結構云圖，在其拐彎關節位置施加300 N(設計要求下機器人所受最大牽引力)的作用力，同時設定萬向節傳遞到另一端的扭矩大小為231 N/mm(基于最大牽引力和基體長度計算出扭矩大小)，應力云圖顯示其大部分表現良好，連接處剛度滿足工作強度要求；通過應力分析得到所受應力較大的區域，進而可以進行結構優化，使連接處性能更好，能更好地完成管道作業。

圖6 蛇形機器人機構示意圖

設計結果表明：該機器人具有較好的管內變形檢測效果和良好的管徑適應能力，可順利通過水平、垂直、彎頭及變徑管段，亦可以搭載各種檢測模塊對工業管道進行檢測[9-11]。

3 可行性分析與管道磁化模型建立

3.1 可通過性要求

《GB 50253—2014輸油管道工程設計規范》規定，管道的曲率半徑應滿足鋼管強度要求，且不宜小于鋼管外直徑的1 000倍。豎向下凹的彈性彎曲管段，其曲率半徑應大于管道在自重條件下產生的撓度曲線的曲率半徑，其曲率半徑按下式計算：

(1)

式中：R為管道彈性彎曲曲率半徑(m)；D為管道的外徑(cm)；α為管道的轉角(°)。

因此，管道彎管處最小彎管半徑為18D即為18×118 mm=2 124 mm。設計時可通過的彎管半徑應小于該值并留有足夠的裕量，使得裝置在存在部分失效的情況下可以繼續進行工作，不至于卡在管道中造成堵塞[12]。

3.2 管道磁化模型建立

永磁材料是現代科學的一種重要的基礎材料，廣泛應用在生產生活的各個領域，利用永磁材料進行漏磁檢測方便快捷。

一般磁鐵的磁力線分布是閉合的，如條形磁鐵以及蹄形磁鐵，都是由N 極出發S極返回；圖7所示為2種典型磁力線特征。針對磁力線的這一特征，變形處磁力線會穿過變形表面，當機器人攜帶永磁鐵行走到管道變形處時，會檢測到在此處形成的漏磁場，對此時的磁感應強度大小進行分析可以得到變形處的特征。

圖7 磁力線特征

圖8中小標1的情況表示在管壁內無變形存在時，在2塊永磁鐵作用下，管道內的磁力線情況；小標2的情況表示在管道中存在向上凸起的變形時，管道內的磁力線情況；小標3的情況表示在管道中存在下凹變形情況時管道內磁力線的分布情況。此原理與管內檢測漏磁磁感應強度一致，基于此設計了搭載霍爾元件的漏磁檢測單元，研究變形處的變形特征。

圖8 不同種類變形下管道處磁力線變化

基于電磁場的基本理論和麥克斯韋基本方程組，針對這方面研究普遍采用標量磁位方法或向量磁位方法，即分別用磁荷或束縛電流來描述磁場中的磁介質[12]。可知a*b*c的永磁鐵在空間一點P(x,y,z)的磁場已知，則該永磁鐵其三維磁場分布解析式為[12]：

Γ(a-x,y,z)+Γ(x,b-y,z)+

Γ(x,y,z)]

(2)

Γ(b-y,x,z)+Γ(y,a-x,z)+

Γ(y,x,z)]

(3)

Hz=k[-ψ(b-y,a-x,z)-ψ(y,a-x,z)-

ψ(a-x,b-y,z)-ψ(x,b-y,z)-

ψ(b-y,x,z)-ψ(y,x,z)-

ψ(a-x,y,z)-ψ(x,y,z)]

(4)

(5)

4 管道磁化仿真

4.1 MAXWELL磁場仿真

為研究管道磁場變化及變形處漏磁情況，需要將理論與模型實際情況結合起來，所以采用仿真軟件進行模擬仿真。常用的電磁場仿真軟件有很多，針對仿真結果和參數處理優化情況，使用Maxwell進行仿真，圖9為進行模擬仿真的基本步驟[13-15]。

圖9 仿真流程框圖

4.2 管道磁化仿真

管道變形種類很多，變形是指管道結構受到損傷，進而影響管道的結構、剛度和使用壽命，有焊縫、變形、錯口、脫節、開裂等變形[16]。

上文提到選用永磁鐵材料對管道進行磁化，永磁鐵一旦制成后不需要經常進行激勵，其磁通穩定性好且利于信號獲取。軟件中設置其為釹鐵硼材料，尺寸為30 mm×10 mm×3 mm，磁場方向為與缺陷位置垂直方向；如下圖所示為X52鋼的磁滯曲線，從曲線中可以得到，當外加磁場強度達到100 A/m時，其磁感應強度達到2T左右且達到磁飽和，此時永磁鐵磁場強度滿足磁飽和要求。圖10所示為無缺陷時，永磁體對管道進行磁化時磁感應強度的變化規律，在管道200 mm處時，磁感應強度大小開始變化，且在300 mm處已經達到2.5T左右，達到此時情況所需時間約為0.2 s，而缺陷處距離檢測單元遠大于磁飽和所用時間走過的距離，由此可知，永磁鐵完全磁化管道所用的時間小于機器人變形檢測單元走到缺陷處所需運動時間，滿足變形檢測要求。

圖10 X52鋼B-H曲線

在此針對典型變形進行了研究。首先對正常管道在永磁鐵作用下其磁場強度云圖和數據變化進行了模擬，如圖11、12所示：

圖11 永磁鐵作用下管道磁場強度變化云圖

圖12 永磁鐵作用下管道磁場強度變化

接著模擬永磁鐵作用下管道中存在凹陷變形與凸起變形2種典型變形情況下磁場強度的變化。

圖13—16表示內凹變形與外凸變形2種情況下的仿真結果圖，分析其結果及磁場強度變化曲線基本可以得出結果：在變形處磁力線會穿過且在變形處形成漏磁場，不同的變形種類導致磁場強度的變化幅度與距離不同；從磁場強度變化圖中可以看出，在變形處峰值變化并出現波動，由此可知此處管道存在變形。

圖13 管道內凹變形磁場強度變化云圖

圖14 管道內凹變形軸向磁場強度變化曲線

圖15 管道外凸變形磁場強度變化云圖

圖16 管道外凸變形軸向磁場強度變化曲線

永磁鐵磁化管道之后，其典型變形處磁感應強度會發生變化，并且不同的變形種類其磁場強度變化寬度不同；接下來探究不同寬度變形處其磁感應強度變化規律，從圖17、18及表1、2中可以看出，當變形深度為5 mm但寬度為5～17 mm時，每次間隔變化時，磁感應強度變化規律如圖所示：當為管道內壁凸圓孔變形時，軸向漏磁場分量信號寬度與變形半徑之間的關系可以表征為y=2.2x-0.6，即半徑每增加1 mm,軸向漏磁場分量信號寬度增加2.2 mm；當管道內壁為凹圓孔變形時，磁感應強度大小變化和變形深度之間的關系可以表征為y=-0.26x2+2.39x+8.92，即深度每增加1 mm，軸向漏磁場分量信號如函數變化。

圖17 不同變形寬度軸向磁感應強度變化曲線

表1 不同變形寬度軸向磁感應強度數值 mm

圖18 不同變形深度軸向磁感應強度變化曲線

表2 不同變形深度軸向磁感應強度數值

4.3 管道變形情況預測

分析完典型變形之后，針對不同變形下磁場強度變化是否與變形長度和軸向寬度有關進行研究。管道為DN100管道，選取長度為800 mm，在管道200、400、600 mm處分別施加橢圓形變形缺陷，觀察在變形位置處磁感應強度大小的變化規律。

圖19表示在軸向上不同凸起高度變形下的磁感應強度變化對比。信號高度分別為5、10、15 mm，輸出結果在軸向距離上進行了繪制比對，結果表明：在變形位置處，同樣出現峰值變化且峰值變化幅度與變形特征相對應；從磁場強度變化圖可知：變形處寬度越大，磁場強度變化越慢，當磁場強度變化峰值一定時，變形寬度越大則磁感應強度變化幅度越小。記錄圖中數據可知，變形信號寬度分別為12、20.7、29.6 mm，由此根據對應函數算出對應變形寬度分別為5.73、9.68、13.72 mm，計算可知相對誤差約為8.7%。

圖19 管道內不同寬度變形磁場強度變化對應圖

圖20所示為不同深度內凹變形情況下磁感應強度變化比較，信號深度分別為5、7、9 mm，從圖中可以看出，變形深度越小時磁感應強度變化越快且幅度越大，隨著深度逐漸增大，磁感應強度變化幅度和大小也變大，且變形最深處，幅值最大。記錄圖中數據可知，變形信號高度分別為14.4、13.5、10.9 T，根據對應公式計算出其對應變形深度分別為4.6、6.46、8.28 mm，計算可知相對誤差約為8%。

圖20 管道內不同長度變形磁場強度變化對應曲線

從以上分析中可以得出：不同變形特征下，磁感應強度變化軸向距離、幅度和幅值大小均不同，不同的變形特征有對應的磁感應強度變化特點；霍爾元件檢測到磁感應強度變化后并收集信息，針對不同變形信息進行分類對比，可以預測管道中實際變形特征。

5 結論

1) 設計出一種基于漏磁檢測原理的管內變形蛇形檢測機器人并驗證設計的可行性；通過理論分析建立管道仿真模型，結合仿真結果得到管道在不同變形特征下磁場強度的變化規律，可以對管內變形特征實現歸類識別。

2) 基于漏磁檢測原理進行管內變形檢測，符合無損檢測理念，對變形處磁化仿真結果進行研究有利于特征識別，此舉可實現對在役管道進行高效率變形檢測，減少經濟投入和人工投入，更好地完成管道的維護工作。

3) 此設計可結合神經網絡遺傳算法進行變形種類歸類，經過訓練之后對變形特征更加敏感精確，對管道變形檢測工作具有一定現實意義。