JX02-042@储罐底板漏磁检测器的结构设计
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JX02-042@储罐底板漏磁检测器的结构设计,机械毕业设计全套
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毕业设计说明书 题 目： 储罐底板漏磁检测器的结构设计 学 院： 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2014 年 5 月 nts 目 录 摘 要 .1 Abstract.2 第一章 绪论 .3 1.1 课题概述 .3 1.1.1 课题来源 .3 1.1.2 课题的提出 .3 1.1.3 课题的目的和意义 .4 1.2 大型储罐检测国内外研究现状 .4 1.2.1 超声检测法 .4 1.2.2 磁粉检测法 .5 1.2.3 射线检测法 .5 1.2.4 渗透检测法 .5 1.2.5 平板导波检测 .5 1.2.6 声发射检测法 .6 1.2.7 漏磁检测法 .6 第二章 储罐底板漏磁检测器总体设计 . 11 2.1 引言 . 11 2.2 漏磁检测器总体机械结构 . 11 2.2.1 行进驱动模块设计 .12 2.2.2 转向驱动模块设计 .14 2.2.3 检测探头模块设计 .15 第三章 储罐底板漏磁检测器驱动装置研制 .17 3.1 引言 .17 3.2 驱动装置密封设计 .18 3.2.1 驱动装置的静密封设计及密封材料选择 .19 3.2.2 行进驱动模块的动密封设计 .20 3.2.3 转向驱动模块的动密封设计 .21 第四章 漏磁检测器动力学仿真 .22 4.1 引言 .22 4.1.1 漏磁检测器动力性能的基本要求 .23 4.1.2 检测器动力学仿真模型建立 .23 nts 4.2.1 检测器静态载荷计算 .24 参考文献 .26 致谢 .28 nts 1 摘 要 储罐广泛应用于石油化工行业。作为关键生产设备，储罐长期工作于恶劣工况下，易发生泄漏，不仅造成经济损失，对生态环境也会造成伤害。为确保储罐安全运营，有必要研究储罐检测方法。目前，对储罐检测一般采取开罐检测方法，需要停产、倒罐，存在检测辅助周期长、费用高的缺点。本学位论文结合国家质检行业公益专项项目“承压设备漏磁检测关键技术 研究和设备与标准研制”，深入研究了储罐底板漏磁检测方法，开发了适用于不开罐的在油储罐底板漏磁检测器。 首先给出了储罐底板漏磁检测器的整体结构。通过 ug 建立了检测器的三维模型，对储罐底板漏磁检测方法进行了研究，获取了磁化器尺寸与漏磁信号强度之间的关系，得到了漏磁检测器的理论仿真信号，为检测器的研制奠定了理论基础。其次，为满足储罐底板在油检测要求，在对比分析常用动、静密封技术的基础上，设计了适用于油性环境中进行检测的密封结构。并根据检测器实际工作状况和性能要求建立了有限元虚拟样机，对检测器的动力学特性以 及机构强度进行了计算和仿真分析。最后，在上述理论研究和分析的基础上，研制开发了储罐底板漏磁检测器。搭建了实验平台，基于实验室环境对检测器的实际检测能力进行了测试，并与理论信号进行了对比。结果表明：检测器能够准确检测出 20%深的模拟腐蚀坑缺陷，满足相关标准规范。 要求，且运动性能可靠、密封性能良好，具有良好的应用前景。 关键词：储罐 漏磁检测 在油检测 磁化器 . nts 2 Abstract Storage tanks are widely used in chemical or petrochemical industry. As a key componentof the productive process, storage tanks are often working under perishing conditions, whichleads to stored material leakage, causing economical loss as well as environmentalcontamination. To ensure safe operation of storage tanks, research on storage tank testingmethod is of great importance. Currently, storage tanks are tested by methods that requireemptying process which brought the disadvantages of long detection period and high testcosts. Supported by National Quality Inspection Technology of special, this thesis gives athorough research into MFL (magnetic flux leakage) storage tank floor testing method, anddeveloped in-oil MFL storage tank floor tester that requires no emptying process.Firstly, the integral structure of the storage tank floor tester is given out. Established a 3Dfinite element model under ANSYS software condition and carry on research on magnetic flux leakage test method on storage floor, obtained the relationship between physicaldimension of the tester and signal strength, and gives out theoretical simulated signal of thetester, laid foundation of the development of the tester. Secondly, to meet the demands of in-oil storage tank test, designed sealing structure which has oil environment adaptability for the tester on basis of comparison of conventional sealing method. And a virtual prototype according to the real condition of the tester andrequirements of its moving capability is established, to make analysis for its mechanicalstrength and moving capability through simulation and calculation.At last, on the basis of the above theoretical research and analysis, the MFL tester forstorage tank floor is developed. The experiment platform is set up.on basis of laboratoryconditions and examined the detection capability of the tester, compared the test signal andtheoretical simulated signal. Result indicates that the tester can precisely detected simulatedcorrosion pit of 20% thick loss and has reliable performance on moving capability and sealingcapability, which meets the requirements of associate testing standard and exhibits a bright application future. Keywords: storage tank, MFL testing, in oil test, magnetizer. nts 3 第一章 绪论 1.1 课题概述 1.1.1 课题来源 本课题来源于老师给的毕业设计课题。 1.1.2 课题的提出 大型储罐是广泛应用于石油石化行业的重要存储设备，通常用于存储石油产品。由于制造水平，施工工艺，使用管理等多方面因素，储罐物料泄漏问题时有发生。据美国石油协会提供的数据，美国有 85%的炼油厂存在因为储罐泄漏而引起的地下水污染问题。 63%的市场销售终端和 10%的管道上也同样存在泄漏。而在我国，在用储罐的检验率很低，许多储罐从投入运行后未实施过有效的检验，导致泄漏事故不能及时发现解决，不仅浪 费物料，而且危害环境安全。 在大型常压储罐检测方面，由于缺少有效不开罐在油快速检测技术和仪器，我国对大型储罐的检验主要采用停产、倒空、清罐、割板检查、修理和重新投运的传统方式，这种检验方式耗时长，工作量大，劳动强度高，而且经济成本高，以一台 10 万立方米的储罐为例，每次检验周期为两个月以上，清罐与维修的直接费用在 200 万元以上，停产造成的间接损失更大。大量的储罐用户为了节约成本和不影响生产，采用随机抽检的方式检测储罐，这种抽检方式往往造成两方面的弊端，一方面被抽检的储罐无危及安全的缺陷或隐患时会就造成 不必要的检验以及停产损失，另一方面，大量的储罐又因未抽及检测而不能按期进行检验。部分储罐已连续使用 15 年之久，致使储罐泄漏等安全事故时有发生，损失惨重，既破坏环境，又威胁人民生命财产的安全。具体到我国的多项重大工程，如国家原油战略储备库、千万吨炼油、百万吨乙烯工程等，均拥有数量众多的储罐；从原油储备角度出发，迫切需要一种无需清罐的检测器，以此提高储罐的利用率；从石化工艺流程角度出发，迫切需要一种可实现不开罐进行快速安全检测的技术和仪器，既能确保储罐的安全运行，又能提高储罐的运营周期。 nts 4 1.1.3 课题的目的 和意义 本课题的目的是通过对储罐的磁性检测方法进行研究，设计储罐底板漏磁检测器，研制能在不开罐情况下在储罐底板爬行并对储罐的重点检测区域进行漏磁检测的系统，实现储罐的在线无损检测。 1.2 大型储罐检测国内外研究现状 储罐是广泛应用于石油石化行业的关键承压设备，其安全状况直接关系到所存储物料的存储安全和生产安全。因此，对储罐的安全状况进行检测对保证安全生产，提高经济效益具有重要意义。 1991 年 1 月美国石油学会首次出版了 API653 标准，该标准为了保证储罐不会发生泄漏性损害，提出了一系列的检测 要求。这些检测要求的检测对象包含储罐基础、壁板、底板、结构、罐顶、附件以及管嘴等。国内也相应发布了 Q/GD0205 1997立式圆筒形钢制焊接原油罐修理规程和 SY/T5921 2000立式圆筒形钢制焊接原油罐修理规程。 目前对储罐的常规检测方法主要有超声检测法、磁粉检测法、声发射检测法、射线检测法和渗透检测法等。近年来，声发射和漏磁扫查技术也开始在储罐检测中得到了应用。下面对这些方法进行一些简短的介绍。 1.2.1 超声检测法 超声检测是利用超声波在介质内传播时能量逐渐衰减，而在遇 到界面时会反射的性质来检测缺陷的无损检测方法。由于超声波波长小，传播速度快，因此超声检测法具有检测灵敏度高、指向性好、检测速度快的优点。利用超声检测法可以对材料厚度、钢材的淬硬层深度、晶粒度等物理属性进行检测。但常规的超声检测利用压电晶片振动产生超声波，通过耦合剂将超声波导入被测件内部，因而对被测件的表面粗糙度，形状，缺陷的形式（难以检测与波传播方向平行延伸的缺陷）都有一定的要求。近年来，为了克服上述技术缺陷，出现了一些新型的超声方法，如电磁超声，激光超声等，通过改变超声波的激励方式避免对耦合剂的依赖，减弱 对被测件表面粗糙度的要求。 nts 5 1.2.2 磁粉检测法 磁粉检测法是利用被磁化的铁磁性材料在存在裂纹或气孔等缺陷时表面磁场表现出不均匀性而吸附磁粉的现象来判别缺陷位置的一种无损检测方法。磁粉检测法对铁磁性材料的表面缺陷有很高的检测灵敏度，检测准确、可靠性好、检测结果直观，是较为常用的且经济方便的无损检测方法之一。在现行的储罐检测中，该方法常用来检测储罐壁板，但由于检测时需要搭设脚手架，通过人工打磨的方式去除储罐壁板的防腐层，检测时间长，劳动强度大，且对壁板的减薄会削弱储罐强度。 1.2.3 射线检测法 射线检测法利用 X、等射线可穿透物体，且在穿透过程中会因材质的不同而呈现不同的衰减的特性获取物体内部信息。当物体中存在缺陷时，缺陷区域的透射射线就会与旁边的透射射线强度不同，利用胶片或者成像器件获取透射射线，形成影像，通过对影像的识别与处理判断被测件内部是否有缺陷 14。射线检测的精度受探伤仪的聚焦方式影响较大，对被测件表面质量、操作人员的经验水平也有一定的要求。此外，射线对于人体健康也有一定的危害，操作过程中需要有安全防护。 1.2.4 渗透检测法 渗透检测法是最早使用的无损检测方法之一 ，该方法利用了液体的毛细管现象。实际检测中，将渗透液涂抹在被测构件表面，当表面存在开口缺陷时，渗透液深入其中。用去除剂清除多余的渗透液后用显像剂将渗入的渗透液显示出来，即可直观的表示出缺陷位置 17。该方法的局限性在于只能适用于表面开口缺陷，且难以实现自动化智能化，无法应用于生产实际中储罐的在油检测，只能作为开罐检测方法使用。 1.2.5 平板导波检测 平板导波测量是利用探头激励平板产生超声导波，超声导波在板内传播过程中若遭遇缺陷，会产生反射回波，通过对缺陷回波进行分析和处理，可以得到缺陷位置和 大小等信息。特别当超声导波波长与传播的板的板厚为相nts 6 同数量级时，振动遍及整个板厚，且超声导波传播距离长衰减小，能获取大范围的检测信息，检测效率高。但该方法缺陷在于超声导波的传播过程中存在频散现象，使得回波信号的模态复杂，信号解释困难。 1.2.6 声发射检测法 声发射检测法利用的是一种常见的物理现象，即材料内部由于应变能突然释放而形成弹性应力波。利用仪器检测并记录这种弹性应力波，对发声源进行推断，进而对被检测对象的活性缺陷进行评判的检测技术即声发射检测技术。在实际的储罐检测应用中，往往利用载荷变化激发声发射 现象，通过对腐蚀层的脱落、开裂与泄漏所产生的湍流声等声发射信号进行采集与分析处理，可以判断储罐的腐蚀和泄漏情况。利用声发射技术对储罐底板进行检测只需改变储罐载荷，检测完成后储罐可立即投入使用，检测周期短，且只需通过阵列布置的少量传感器，安装时也只需割开少许保温层，不损伤罐体，安装简便。但由于声发射信号形式复杂，对检测人员的临场经验与操作水平有较高的要求，检测结果有一定的误判风险。而改变液位的过程也在一定程度上增加了这种方法的检测成本。由于评估结果为储罐的“好”与“坏”，在实际应用中，声发射检测法主要作为储罐 粗检的一种检测方法使用。 1.2.7 漏磁检测法 漏磁检测法利用的是铁磁性材料被磁化后，磁场因材料分布不均匀而出现局部强度变化的现象，通过霍尔元件或者线圈获取磁场的强度信息，从而推断缺陷位置。基本原理如图 1.1 所示，在钢板上布置有一对极性相反的永久磁铁，通过衔铁构成回路加强磁化强度，当两永久磁铁间的钢板上存在缺陷（裂纹或者腐蚀坑洞）时，部分磁场从缺陷处“泄漏”出来，使得空气中的磁场强度增强，当检测元件检测到这种磁场增强时，便可以推断此处可能存在缺陷。 nts 7 图 1.1 漏磁检测原理图 对于储罐检测而言，常见的缺陷 形式为腐蚀点坑和裂纹，采用常规的超声波检测法灵敏度不高。同时，常规超声探头布置时需要对被测构件表面进行打磨处理以方便耦合超声波，对于构件本身有一定的损伤，而漏磁检测法可以直接用于表面有漆层覆盖的铁磁性构件，且从构件外部即可测出内部存在的缺陷，并通过漏磁信号对缺陷的大小和深度做出评估。漏磁检测法在工程实际中已经有相当的实验与应用，但对于储罐检测中位于焊缝处的缺陷检出率不高。原因在于焊缝表面一般比较粗糙，磁场分布不均匀，会在检测信号中引入难以滤除的噪声，且焊缝的凸起导致漏磁探头的提离值增大 , 使得检测灵敏度降低 。 尽管存在一定的局限性，漏磁检测法的检测速度快，对表面无需处理的特点使得携带漏磁检测装置的爬行器可以实现储罐内除焊缝外的钢板的大面积区域的快速、自动扫查，对设备的整体安全性进行无损评价有重大意义 , 仍然具有较好的应用前景。各种常见储罐检测方法比较见表 1.1。 nts 8 表 1.1 检测方法比较 通过对比可以发现上述检测方法各有优缺，针对现代大型储罐在油检测的需求，智能化、在线化检测是一个必然的趋势。磁粉以及 渗透法不适于在承载流性介质的环境中使用，且不易实现智能化。射线法存在安全防护问题，且检测成本高。导波与声发射法对缺陷细节难以明辨，仍需要其他检测方法辅助检测。超声检测法应用于储罐检测时可利用储罐内存储的流行介质作为超声探头的耦合剂，从而一定程度上避免对被测构件表面的处理，但对于储罐中常见的点状腐蚀缺陷以及较为危险的裂缝型缺陷不敏感。而漏磁检测法虽然对焊缝的检测存在困难，但鉴于储罐多由铁磁性金属板焊接构成，漏磁检测法对于实现储罐内大范围的快速扫查仍然具有重要意义。 在储罐漏磁检测技术工业应用方面，国外起步较早 ，美国于 1989 年推出电磁铁作为励磁元件的储罐底板检测样机，同时，欧洲学者也研制出了以永久磁铁作为磁源的漏磁检测系统，并推出了各种各样的产品。 二十世纪九十年代以后，无损检测理论发展迅速、计算机软硬件技术和传感nts 9 器水平的快速提高推动欧美各国的新型储罐漏磁检测装置向检测精度更高、体积更为小巧、功能更强大的方向发展。 其中比较典型的有由英国银翼（ SilverWing）公司开发的 Floormap2000 自动绘图储罐底板腐蚀扫描器、 MFL2000 储罐底板腐蚀扫描器、 Handscan 小型平板腐蚀扫描器等一系列检 测设备。 Handscan 小型平板腐蚀扫描器为手动式检测设备，以钕铁硼永磁体作为励磁元件，采用 18 组霍尔效应探头形成阵列获取漏磁场信息。该扫描器自重 18kg，扫描宽度为 150mm，扫描速度可以高达 0.5m/s，当被测板涂层厚度在 6mm 以下时扫描精度可达 10%材料损失，涂层厚度在 6mm 以上时扫描精度为 20%，可连续工作 10 小时。 此外，由美国的 MFE ENTERPRISES 公司研制的 MFE2412 和 MFE 1212 储罐底板检测仪也是两种新型的储罐底板漏磁检测设备，其中 MFE1212 结构小巧，可以到达其他检测设 备难以检测的区域，通常与 MFE2412 配套，作为扫描储罐底板边角地区的补充设备使用。另一方面，从 20 世纪 90 年代开始，国外先后开发了多种类型的储罐底板在油内检测系统。目前，国际上储罐底板腐蚀在油内检测系统产品主要有可潜入式的 Maverick 系统，储罐在线检测 OTIS，成像与腐蚀检测系统 Neptune，储罐罐底与罐壁在线检测 RobTank 等，如图 1.2 所示。这些检测系统均采用压电陶瓷超声波检测的技术，导航定位系统主要运用声学定位系统，根据报道，仅 Maverick 和 OTIS 系统开展 了成熟的工程检测应用。我国在这方面的研究和开发还为空白。 nts 10 图 1.2 国外储罐底板在油检测系统 OTIS 储罐在线检测系统是美国马里兰州罗莱尔的 InTANK 服务公司推出的，遵循美国石油协会以及其它立式储罐定期检测的标准，是国际上最为成熟的储罐罐底板在线检测产品。截止 2009 年 11 月，全球已有 1025 台储罐采用 OTIS 机器人进行了在线检测。此系统采用超声检测采集罐底板厚度数据，通过软件进行分析评估，并利用压力传感器测试底板沉降。 如图 2（ b）所示，它主要由导航传输器、声纳、灯光和摄像头、超声探头阵列、压力传感器、刷子和吸尘系统等部分构成。其中，专利声学系统导航传感器在储罐底部运动，并记录运动路线，同时在运动过程中需做到不撞到罐壁和描述超声测厚数据两个要求， 360旋转的声纳用于识别储罐内的障碍物（管道、支撑柱），和导航系统并用，描述出罐底的地图。上述检测系统均采用超声检测法作为检测手段，虽然具有灵敏度高，扫描速度快的优点，但超声检测法检测范围小，对于大型钢制立式储罐的底板检测效率不高。而漏磁检测法可以对较大区域实现实时扫查，检测效 率高，虽然对焊缝的检测仍然存在困难，但储罐底板的大部分面积为钢板，焊缝区域所占面积较小，实际检测中可以辅助以其他检测手段实现对焊缝的检测。而漏磁检测方法作为大范围的扫查方法仍然具有重要的应用价值，但基于漏磁检测法的不开罐检测设备仍然存在空白。 因此，本课题致力于将漏磁检测与机器人作业技术相结合，开发一种应用于在油储罐检测的漏磁检测系统，以满足石化行业需求，填补行业空白。 nts 11 第二章 储罐底板漏磁检测器总体设计 2.1 引言 由钢板构成的大型储罐可以利用漏磁检测法进行检测。漏磁检测法的信号强度受探头形式，提离距离 影响较大。为了得到较好的信噪比，本文利用模块化思想对检测器的机械结构进行了总体设计，使漏磁检测器的磁化器提离距离可变，以更好的适应于不同板厚的储罐的在油检测需求。最后对检测系统的电机控制以及检测软件平台的设计进行了介绍，使检测系统具有自动化快速检测的能力。 2.2 漏磁检测器总体机械结构 漏磁检测需要对被测构件进行充分磁化以使铁磁性构件达到磁化饱和，以削弱铁磁性构件内部应力、自身剩磁等因素对构件缺陷处漏磁场强度的影响。当磁化器励磁元件磁场强度不变时，磁化器对构件的磁化能力受磁化器与构件之间的提离距离影响， 提离距离越大，磁化效果越弱，反之则磁化效果越强。为了使被测构件能产生足够强度的漏磁场，应尽量减小磁化器与被测构件之间的距离。而在实际的检测中，过强的磁化会使空气中的背景磁场强度增加，影响检测元件对于漏磁场的辨识能力。此外，实际的储罐表面不仅有平面的钢板，还有凸起的焊缝，由于漏磁检测往往采用强磁元件作为励磁构件，当励磁构件与焊缝直接接触时，过大的磁吸附力容易导致检测器的载荷高于电机所能提供的动力，造成机构卡死，因此，在保证足够的磁化能力的基础之上，又必须有一定的提离距离以保证机构的越障能力。 为了便于独立开发，分块维护，规划了如图 2.1 所示的总体机械结构。按照功能将检测器划分为四个部分，分别是行进驱动模块、转向驱动模块、检测探头模块和从动轮模块，由与转向驱动模块固定连接的行进驱动模块和从动轮模块构成检测探头模块的支承。为了提高检测器行进中的稳定性，驱动轮采用较大轮距，nts 12 以避免倾覆，为了减小从动轮在转向时因摩擦力造成的转矩，从动轮采用紧密排列的两个轮结构。由于励磁机构与被测构件之间存在较大的吸附力，各模块间均采用刚性连接，通过增加调整环调整励磁机构与被测构件之间的提离距离。 图 2.1 检测器总体机械机构 2.2.1 行进驱动模块设计 驱动器为检测器提供牵引力和转向力。为了符合储罐在油检测的功能需求，驱动器需要有对于油性流程介质的密封性能和防腐蚀性能。为了便于安装调试以及设备维护，储罐底板漏磁检测器的驱动装置采用分离式设计，分别为行进驱动模块和转向驱动模块。 nts 13 图 2.2 行进驱动模块 如图 2.2，驱动器的驱动部分基本结构为一个箱体，箱体的上下各开有一对轴孔，上部的轴孔安装有电机连接转轴， 下部的轴孔安装有驱动轮转轴，两转轴之间通过链传动传递扭矩。上部的电机转轴一端与电机连接，通过联轴器传递扭矩。电机通过螺栓安装在电机连接端盖上，以轴承孔为定位基准，以确保电机的输出轴与电机连接转轴能保持一定的同轴度。电机转轴的另一端与编码器连接，通过编码器联轴器驱动编码器监控电机的转速。电机与编码器分别通过电机密封罩以及编码器密封罩实施静态密封。为了保证足够的越障能力，驱动轮采用大轮结构，安装于下部的驱动轮转轴的轴端，驱动轮与驱动轮转轴轴承端盖之间安装有密封结构以实现动密封。轴承处的密封由轴承端盖实现。在装配 时，各部件由内到外依次安装，便于安装调试。 步进电机 安装板 主动轮 链轮 轴承座 nts 14 2.2.2 转向驱动模块设计 如图 2.3 所示，转向驱动模块基本结构为与检测探头模块连接的转向基座以及与驱动部分连接的转向臂，转向臂与转向基座之间通过转向轴连接。为了便于安装，转向臂采用分离式结构，通过螺钉将两部分压紧。转向臂与转向轴之间通过键连接实现周向定位，通过轴肩结构实现轴向定位。转向轴与转向基座的端盖之间装有密封件以实现动态密封。转向轴的上端与转向电机连接，通过联轴器传递扭矩。转向电机通过螺栓固定在转向基座上，通过转向电机密封盖实现静态密封。转向基座的 四角上有螺栓安装孔，用于与检测探头模块的刚性连接。转向基座与检测探头模块之间可以加入调整环以调整探头模块与被测构件之间的距离，以获得适当的提离值。 由于检测探头模块的磁化器靠近从动轮模块，从动轮提供的支承力大于驱动轮提供的支承力，从动轮与底板之间滑动摩擦力大于驱动轮与底板之间的滑动摩擦力。转向时，转向驱动模块使前进驱动模块产生滑移，从动轮与被动轮之间偏移一定的角度，通过两从动轮的差速转动使检测探头模块与从动轮模块跟随行进驱动模块偏转而实现转向。 nts 15 图 2.3 转向驱动模块 2.2.3 检测探头模块设计 如图 2.4，检测探头模块由励磁机构和漏磁探头组成。对于储罐检测而言，检测对象为构成储罐的钢板，因此，为了提高漏磁检测的灵敏度，必须选用能对钢板进行更好的磁化的励磁机构。通过添加衔铁，使两个极性相反布置的励磁元件与被测钢板之间构成磁回路能显著的增加两个励磁元件间的磁化效果。为了固定励磁元件，用非铁磁性材料制成的保护罩将励磁元件固定于衔铁上。在两励磁元件之间布置有磁敏元件作为漏磁探头，通过阵列使检测器能获取一定宽度范围内的磁场信息，提高检测 效率。为了能获得更好的检测灵敏度，漏磁探头采用浮动支承结构连接于衔铁上，使磁敏元件压紧在被测钢板表面以减小提离造成的漏磁转向轮 转向盘 螺杆 支撑板 nts 16 场磁场强度减弱。为了使漏磁探头能满足检测器越障性能的需求，在探头两侧设计有倒角结构，避免探头在检测器运动过程中卡死。 为了能与驱动器模块和从动轮模块实现刚性连接，衔铁上还设计有连接结构，以保证检测探头模块整体的机械强度。同时，连接结构的几何形状必须经过校核，以确保不会削弱励磁元件对被测钢板的磁化强度。 图 2.4 检测探头组成 永磁铁 永磁铁 衔铁 nts 17 第三章 储罐底板漏磁检测器驱动装置研制 3.1 引言 储罐底板漏磁检测器沿底板行进扫查的动力由驱动装置提供，包括行进驱动模块和转向驱动模块两部分。其中行进驱动模块为检测器提供前进或后退的牵引力，转向驱动模块使行进驱动模块的行进方向相对从动轮模块偏转，使检测器在行进过程中能实现运行轨迹的变化，以适应大范围扫查的需求。行进驱动模块由直流电机驱动，通过 PWM 调速器实现转速的宽范围调节，采用双刀双掷开罐实现电机的转向控制。采用编码器获取电机的转速，作为调速器速度 控制的参考。转向驱动模块的动力由步进电机提供，由于步进电机能实现精确的角度控制，采用步进电机控制器对检测器的转向实施开环控制。 为了实现在油检测，检测器的运动部件必须实施密封，以避免储罐内油性介质中的杂质堵塞机构缝隙，造成机构卡死。同时，为了保证检测器在检测过程中的安全运行，检测器的电气设备必须实施密封，以避免可燃性介质与电气设备直接接触而引发爆燃。由于石化行业中所使用的大型储罐的存储介质从成品油到原油等不一而足，常用的橡胶密封元件往往不能满足多种工况下的耐腐蚀性能要求，因此，对于密封元件的材料选择必须谨慎 。此外，为了保证检测器能在储罐内存有流程性介质的情况下正常运作，检测器的动力学性能也有一定的要求。具体而言，行进驱动模块的驱动电机的启动转矩要足够大，以保证检测器能从静止状态开始运动，在运动过程中，检测器的牵引力需要能够保证检测器能越过钢板与钢板之间形成的焊缝。转向电机的输出转矩必须足够大以克服由于转向时的被动轮侧滑而造成的附加载荷。同时，由于储罐底板漏磁检测器的定位是通过获取电机的转速控制与转向电机的偏转角，进行计算获得。检测器与被测钢板之间应该保 持有足够的摩擦力，以避免检测器打滑或储罐中的液体运动而引 起检测器位置变化而导致缺陷定位不准。 nts 18 为了选取能满足上述要求的密封结构和驱动电机，本章对检测器的密封方案进行了分析论证，并选取了适用于检测器使用工况的密封件。同时对检测器的动力学特性进行了仿真计算，获得了检测器运行时的理论载荷，为电机选取提供了依据。 3.2 驱动装置密封设计 在 2.2.1 和 2.2.2 节中已经介绍了所设计的在油储罐底板漏磁检测器的行进驱动模块和转向驱动模块的基本机械结构，针对该结构，主要的密封对象为安置传动机构的箱体，含有编码器和电机的电气设备以及与储罐内的油性介质直接接触的转轴。由相关文献 可以查知部分种类的原油的密度参数如表 3.1 所示 表 3.1 原油密度参数 根据 API650 钢制焊接石油储罐设计标准的附录 K，储罐的设计高度从12m 到 19.2m 分成几个系列。考虑储罐内的油性介质的运动造成的局部压强增大，我们粗略选取 20m 液深作为储罐的载荷。因此，当检测器位于储罐底部对储罐底板进行检测时，所受的液体压强载荷 p0 最大。 根据相关的检测标准，为了保证检测效率，要求检测器能以 510m/min 的运行速度在储罐内运行。鉴于此运行速度较低 ，在这里忽略运动引起的压强载荷变nts 19 化，并出于安全系数考虑取静压载荷 p 为 0.2MPa。根据此载荷，对驱动装置设计了密封结构。 3.2.1 驱动装置的静密封设计及密封材料选择 如图 3.1 所示，驱动装置的主要结构为一个装有链传动机构的箱体，上部安装有电机和编码器，电机与编码器与箱体之间通过螺栓固定连接。由于油品密度小于水，因此在储罐的底部往往有水和铁屑形成的混合物。为避免该混合物质直接与电机接触造成电路短路等故障，应对电机与编码器实施密封以实现保护。另一方面，为了避免混合物进入驱动装置的传动机构造成链条锈蚀，对安 装在箱体内的链传动机构也应施加密封保护。 常用的静密封形式有许多种，如法兰垫片密封、自紧密封、研合面密封、 O型圈密封、金属 O 型圈密封、填料密封、螺纹垫片密封、承插连接密封、密封胶密封和螺纹连接密封。检测器的行进驱动模块中，链传动机构安置于一面开放的箱体内，通过盖板将该开放面封闭。电机和编码器可以通过带有防水航插的密封罩进行保护并保证线路连通。由于盖板与箱体之间，密封罩与箱体侧面之间都是平面接触，可以方便的通过法兰垫片密封，研合面密封等方法实现密封。考虑机加工难度和成本等问题，我们采用法兰垫片密封方式完成此三 处的密封。除此之外，轴承处也需要密封保护，由于轴承端盖与箱体之间通过螺栓固定连接，而轴与轴承端盖之间有相对转动，我们在轴承端盖与箱体之间设置密封垫片，而在轴承端盖与轴之间安置动密封结构以实现轴承孔处的密封保护。 石化行业中应用的大型储罐存储的介质多为油品，因此，所设计的在油储罐底板漏磁检测器所使用的静密封材料必须具有耐油耐水的性能。天然橡胶在油性环境中容易老化失去弹性，通过添加成分或者化学合成方法可以生产出具有特殊性能的橡胶以满足工业应用需求。丁晴橡胶和氯丁橡胶对非极性油的耐腐蚀性能好，但对极性油的耐腐蚀性 能差。氯橡胶对油的耐腐蚀性能好，但对胺、脂、酮类的耐腐蚀性能差。由于原油成分复杂，这些常用的耐腐蚀橡胶都不能满足我们的应用需求。而聚三氟氯乙烯橡胶耐水耐油，抗氧化能力强，对酒精和胺、脂、nts 20 酮类的耐腐蚀性能也很好，对石油有良好的耐腐蚀性能。 综上，选取聚三氟氯乙烯材料通过裁切制成密封垫片，安装在各配合面间，以实现检测器的静密封保护。 3.2.2 行进驱动模块的动密封设计 驱动轮的转轴与转轴的轴承端盖之间存在相对转动，静密封方案无法满足检测器对传动部件的密封保护要求。因此，还应在轴承端盖与轴之间安装动密封件。常 用的动密封结构的优缺点如表 3.2 所示。 表 3.2 动密封结构的优缺点 选用如图 3.3 所示的机械密封件，其静环是一块包覆有聚三氟氯乙烯橡胶的碳化硅环，动环为套有弹簧结构的聚三氟氯乙烯橡胶套，橡胶套一端的孔与轴配合，一端嵌有石墨环，通过石墨环与碳化硅环之间的密封面的紧密配合实现动密封。该配合形式的好处在于可以充分利用碳化硅硬度高和石墨具有自润滑性的特点，且对油品和胺、脂、酮等石油内的成分有良好的抗腐蚀性能。 在轴承端盖上加工出静环安装孔，通过静环上的聚三 氟氯乙烯橡胶的变nts 21 形将动密封件的静环嵌在轴承端盖上。动环通过橡胶套密封端的变形与行进驱动模块的驱动轮轮轴固定配合。通过轴端的驱动轮的轮套对动环的弹簧进行压缩，以保证动环与静环之间足够的预紧力，使两环的密封面紧密配合。 图 3.3 机械密封件组成结构 3.2.3 转向驱动模块的动密封设计 转向驱动模块由转向基座和与转向臂相连的转向臂构成。转向电机安装在转向基座上方的电机舱内，通过电机舱盖和聚四氟乙烯橡胶垫片实现对电机的静密封保护。而对转向轴的轴承的保护必须通过动密 封来实施，由于在整个检测过程中，检测器多为直线行驶，转向轴与基座之间相对转动的时间不长，大部分时间处于静止状态。因此，所选用的动密封件必须要有良好的静密封性能。由 3.2.2 节中的表 3.2，橡胶密封和机械密封是比较符合要求的密封方案。但对于转向轴来说，转向轴中间安装有转向臂，且在运行过程中转向轴本身承受来自转向臂的轴向载荷，若安置机械密封件，其预紧力难以控制，且不能保证密封件的安全。而相对于机械密封件来说，橡胶密封圈体积小，安装结构简单，没有施加轴向预紧力的要求，且由于转向轴与转向基座之间的转动线速度小，橡胶 密封件对转向轴的磨损基本上可以忽略不计。因此，我们在转向轴的上下端盖上安装聚三氟氯乙烯制成的非标骨架密封圈以完成对转向轴的轴承的密封保护。 nts 22 第四章 漏磁检测器动力学仿真 4.1 引言 所设计的在油储罐底板漏磁检测器在承载有油品的大型储罐内运行，运行过程中不仅有因为底板表面摩擦力造成的载荷，还有运行中越过焊缝时造成的冲击载荷，因此，针对检测器的动力学性能要求以及检测器运行的工况进行充分的仿真计算，从而获取载荷的理论值，对检测器的电机选型、结构强度校核都有重要意义。 对于机械结构的动力学仿真普遍采用由 美国的 MDI（ Mechanical Dynamics Inc）公司开发的 ADAMS（ Automatic DynamicAnalysis of Mechanical Systems）虚拟样机分析软件。该软件使用交互式的图形环境并具有一系列的零件库、约束库和力库。用户可以通过参数化的方法建立机械系统的几何模型，通过添加各种力约束对机械系统的动力学特性
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