便携式管道无损探测装置的设计

密 级学号 070492毕 业 设 计 （论 文）便携式管道无损探测装置的设计院 （ 系 、 部 ） ：北 京 石 油 化 工 学 院学 位 论 文 电 子 版 授 权 使 用 协 议论 文 便携式管道无损探 测装置的设计 系 本 人 在 北 京 石 油 化 工 学 院 学 习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。本 人 系 作 品 的 唯 一 作 者 ，即 著 作 权 人 。现 本 人 同 意 将 本 作 品 收 录 于 “北 京 石 油化 工 学 院 学 位 论 文 全 文 数 据 库 ”。本 人 承 诺 ：已 提 交 的 学 位 论 文 电 子 版 与 印 刷 版 论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。本 人 完 全 同 意 本 作 品 在 校 园 网 上 提 供 论 文 目 录 检 索 、文 摘 浏 览 以 及 全 文 部 分 浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。院系名称：要求查阅相关资料 15 篇以 上 ，全 面了解管道机器人 的 特 点 、工 作 原 理 、设 计 原 理 、结构类型等。翻译约 5 000 汉字的外文参考资料。深入了相关技术的发展现状。3、设计 内容a、进行 结构设计计 算及强度校核。b、运用三维设计软 件进行零部件三维造型设计，使检测装置的内部结构能完整、清晰地呈现出来。4、计算机 绘图 和计算要求计算机绘制平面装配图一张；绘制零件图一套；绘制三维零件图一套；提交的成果： （1）开题 报 告 （参 照 相 关 格 式） ；设计说明书 （论文） ；（2）产 品的三维实体造型（零件造型、装配造型）及工程图；课题较新颖， 新知识较多， 难 度较大 ，工 作 量 饱 满 ，课题结合生产实际情况， 对 学生的能力训练意义重大。4.主 要 参 考 文 献（1）无 损 检 测 书 籍（2）管 道 机 器 人 书 籍（3）pro/e 类 的 书 籍（4）机 械 制 图 国 家 标 准（5）机 械 设 计 手 册5.进 度 计 划 及 指 导 安 排周次 日期 内 容 备 注1 2.21 2.25熟悉题目 ，查 阅资料， 撰写文献综述查阅相关资料 15 篇以上2 2.28 3.4 撰写开 题报告， 翻译英文文献 不少于 2 万英文字符IV3 3.7 3.11 结构设计计算 参照相关标准4 3.14 3.18 结构设计计算 参照相关标准5 3.21 3.25 强度校核 参照相关标准6 3.28 4.1 强度校核 参照相关标准7 4.4 4.8 零部件三维造型 运用三维设计软件8 4.114.15 零部件三维造型 运用三维设计软件9 4.18 4.22 零部件三维造型 运用三维设计软件10 4.25 4.29 零部件三维造型 运用三维设计软件11 5.2 5.6 绘制工程图 运用相关软件12 5.95.13 绘制工程图 运用相关软件13 5.16 5.20 绘制工程图 运用相关软件14 5.23 5.27 撰写设计说明书，答辩准备 参照毕业设计要求15 5.306.3 撰写 设计说明书，答 辩准备 参照毕业设计要求16 6.66.10 答辩任务书审定日期 年 月 日 系（教研室）主任（签字）任务书批准日期 年 月 日 教学院（系、部）院长（签字）任务书下达日期 年 月 日 指导教师（签字）计划完成任务日期 年 月 日 学生（签字）V摘 要本 论 文 主 要 设 计 的 是 利 用 无 损 检 测 方 法 检 测 和 定 位 海 底 输 油 管 道 泄 漏 点 探 测器的 机 械 部 分 。考虑到 经 济 、环 保 、可靠、 实 用等因素， 在 设 计 中改进了探测装置中 磁 铁 的放 置 位 置 ,将 原 本 在 行 走 轮 端 部 与 中 间通体 之 间 的 圆 盘 形 磁 铁 放 置 在 磁敏元件的两侧，用螺钉螺母固定。该结构简单，零部件较少，节省材料，便于装卸，制造成本较低。 由 于 介质不 同 ，材料腐蚀， 外力挤压 等原因造成的管道内部不平滑的现象， 在 轮子的结构上特别采用了类似汽车减震器的结构， 使探测器在凹凸不平的管道内平稳前进， 便 于 检 测 器顺利通行。 考虑到该探测装置是一种能在管道中依靠液流推动的无动力沿管道滑行检 测 装 置 ，因 此将探测器的主体部分设计成密闭空腔的通体结构， 在 浮力的作用下减小了探测器和管道内壁的摩擦。 最后本设计对探测器进行了二维和三维造型，并且对结构的强度进行校核。关 键 词 ：管道机器人，无损检测，机械设计 ，漏磁 检测VIAbstractWhat this paper mainly designs is the mechanical part that detect and locate thesubmarine pipeline leak detector by the use of NDT. Taking into account such factors aspractical and reliable economic environment has improved my placement of the magnet,the original end of the walk round and between the middle of the disc-shaped magnetquintana magnetic components on both sides of the structure to saves the material, isadvantageous for loading and unloading, the production cost is low. Considers thepipeline interior, because the medium is different, the material corrodes, reasons and soon external force extrusion create the interior is not smooth, has used the similarautomobile shock absorbers structure specially in wheels structure, causes the detectorin the uneven pipeline the steady advance, is advantageous for the examination to passthrough smoothly. Considering that the detection device is a flow in the pipeline relydriven glide without power detection device along the pipeline. Therefore, the main partof the detector into a closed cavity design of whole body structure,decrease in thebuoyancy effect of the detector and the pipe wall friction. Finally this design carries ontwo-dimensional and the three dimensional modelling to the detector, and carries on theexamination to the structure intensity.Key words: Non-destructive testing, pipe detectors, mechanical design，Magnetic fluxleakageVII目 录第 一 章 前 言 . 11.1 管道无损检测技术 . 1. 1. 3. 51.2 管 道 内 部 检 测 机 器人的发展 趋 势 . 71.3 研究的基本内容，拟解决的主要问题 . 8第 二 章 机 械 结 构 部 分 的 设 计 . 92.1 设 计 方 案的 确 定 . 92.2 机械结构设 计 . 10. 11. 12. 132.3 各零部件之间的装配 . 27. 27. 29第 三 章 机 械 强 度 的 校 核 . 323.1 主体厚度计算 . 323.2 探 测 杆的直径校核 . 333.3 探测轮类减震器支座校核 . 363.4 有限元法分析圆柱通体 强 度 . 38. 38. 39. 40第 四 章 结 论 与 展 望 . 424.1 结论 . 42VIII4.2 展 望 . 42参 考 文 献 . 43致 谢 . 45附 录 . 46声 明 . 48IX第 一 章 前 言1.1 管 道 无 损 检 测 技 术1.1.1 我国管道 检测技术的发展意义油气长输管道作为一种输送设备被广泛应用 于 石 油 、石 化 和化工等行业。 随着运行时间的增长 ，部 分 管 道 在 设 计 、制造 、安 装 及 运 行管理中的问题逐渐暴露， 致使管道事故时有发 生 ，对 人 民生命财产安 全 、社会稳定和工业生产构成威胁。 同 时 ，未来二十年 ，我 国 将 进入埋地管道建设和发展的高峰期 。如 何发现管道缺陷， 提 高检测水平 ，在 埋地管道的制造 、安 装 和使用等不同阶段采用无损检测技术十分重要。随着管道使用年限增加，由于腐蚀或其他一些原因。使管道不安全因素增加，这 就 需 要 对 管 道 进 行 检 测 维 护 修 理 。在 国 外 ，将 能 源 管 输 领 域 中 管 道 的 修 理( repair )、修 复 (renovation)和 更 换 (replacement),简 称 为 “3R” 。我 国 石油化工工业的发展不论从产品的产量和质量水平来说都已跨入了世界先进行列。 所敷 设 的 各 种 类 型 的 管 道 , 其 种 类 和 数 量 之 多 亦 已 跃 居 世 界 前 列 , 且 已 纷 纷 进 入 了国际公认的管道敷设运行后的检修高峰期 。管 道 的 检 测 不 仅 是 为 维护石化工业正常生产、 防止事 故 、保 障 安全运行所必须; 亦是提高产品质量, 进行市场竞争的强有力手段。而在检测技术中有一种不可被替代的技术无损检测。目前 工业发达国家基 于 对 油 气 管 道 一 要 安 全 、二要高效的要求， 新建管道一投 产 就 对 其 技 术 状 况 进 行 跟 踪 检 测 。例 如 ，美 国 著 名 的 阿 拉 斯 加 输 油 管 道 ，1977年建成投产， 1978 年就开始对其腐蚀状况进行跟踪检 测 ，到 了 19 88 年 ，Alyska 管道公司从跟踪检测数据中发现该管道已腐蚀， 然 后 通 过 选点开挖检 查 。验证了跟踪检测的可信性。截止到 1988 年底跟踪检 测 管 道 腐蚀部位有 832 处 ，其 中可影响正常运行压力的 部 位 Il7 处 ；必须降低最大允许工作压力的 部 位 196 处 ；对正常工作 目 前 虽 尚 无 影 响 ，但 防 腐 涂 层 已 经 老化 、需要 重 新防 腐的 部 位 519 处 。Alyska管道公司对检测结果进行了反复评估， 最后决定 ：第一步先 对腐蚀最集中， 也最严重 的 13kin 管段进行更换； 第二步再对其他管段进行整治修复 。这 种 修复是公司主动有计划地进行的 ，它虽然也耗费了一定资金， 但要比管道发生事故后进行抢修的代价小得多。 工 业发达国家已把对运行管道的跟踪检 测 、风险评估、 计 划性修复作为一个完整体系 ，在 管 道 工 业中占有十分重要地位 。近 一 个时 期 ，国 外对老管道1的认识观点有一个转变， 以 前 认为管道到了设计寿命就理所当然地 报废； 目前许多管道公司认为 ，即 使运行多年(包括已到或超过设计寿命) 的 管 道 ，只要基本状况良好,仍应继续使用 ，对 其 薄弱 环节使用某些修复技术进行整治， 使其重新焕发青春。在 国 内 ，由 于 缺乏先进的管道检测技术 ，我 们所进行的管道维修大都是管道不断发生 泄 漏 、爆破而被迫进行的抢修， 处 于 一 种 何时漏了何时修、 哪里漏了哪里补、 疲于奔命的状态 。由 于 泄 漏 ，可引起环境污染， 严 重 者 还会引起火灾 、中毒， 造 成 生命财产损 失 。若掌握高水平的管道检测技术 ，变抢修为计划检修， 有计划地更换个别管段， 即 可避免上述灾 害 ，大 大 减少管道维修费用 ，保 证油气正常供应， 使用户放心。 此外， 管 道 若不 断发生事故 而情况不明， 往 往 使领导者作出错误决策， 盲目地报废某些管 道 ，再建新管 道 ，造 成 浪费。 例如 ，我 国 有一条管道曾多次发生泄漏 ，最后决定将其全线报废， 另建新管 道 。在 拆除旧管 道 时 发 现 ，大 部 分 钢管没有腐蚀或只有轻微腐蚀， 估计需要更换的管道不足 10 。因 此，要提高我国管道 维修的效益增大“ 修复”在“3R ”中的份额，就必须发展管道检测技术 。目 前 ，我 国 管 道 检 测 技术的研究水平和应用水平都较低， 尚处在起步阶段。 涂层检测技术大都还停留在经验判断涂层损 坏 位 置 、开 挖验证的水平上 带 有很大的局限性和盲目 性 。国 内 研制的管道内检测设备普遍存在精度低、 抗干扰能力差、 功能不齐全的缺点 。中国石油天然气管道局由国外引进超声波法及漏磁法管道内检测器数套 但 其数量少， 使用费偏高 ，使用范围较窄。 而 一 些工业发达国家的管道检测 水 平相 当高 ，基 本形成 了 成熟 的 系 列技 术 。如 采 用微 机 网 络系 统为基 础 的 SCADA技术对管道运行情况进行监控， 对 管 道 变形、 壁厚、 涂层及腐蚀情况进行详细的监测 ，其 清管和检测采用智能化新技术 ，可以以数据及图形方式再现埋地管道的详尽情况， 并 将 计 算 机 处 理 结 果 进 行 综 合 分 析、 风 险 评 估 ，将 管 道 运 行 状 况 分 为 5 个等级 。根据不同等级采用不同的修复方法。 我 们发展管道 检测技术的目标就是要形成成熟的系列技术，能直接为管道修复决策者提供最优方案。他山之石可以攻玉。 引 进、 借鉴工业发达国家的先进技术和经验， 就可以加快我们前进的脚步， 少走弯路、 错路， 这 方 面我 们也做了一些工 作 。比如 ，中国石油天然气管道局就由国外引进了超声波法和漏磁法管道内检测器， 今后 ，我 们还应多引进一些国外的先进设备。 国 外的技术虽然先进， 但毕竟是针对国外的情况研制的，不一定能完全适应我 国 的 国 情 。比如 ，我 国 早期修建的 管 道 ，由 于 其 管 道 附件大都不符合国际标准 ，导 致 引 进的管道内检测器无法通 过 。此外， 引 进的先进设备， 价2格普遍偏高 ，使用费也较高 ，使一些中、 小企业难以承受 。这 就要求我们的科研人员在消化 、吸收国外先进技术 的 同 时 ，还要勇于创新， 力争在短时间内研制出适合我国国情的高水平的管道检测设备。1.1.2 管道无损检测技术无损检测技术是一门新兴的综合性应用学科， 它是在不破坏或不损坏被检测对象的 前 提 下 ，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、 声 、光、 电 、磁等反应的变化 ，来探测各种工程材料、 零部件、 结构件等内部和表面缺陷， 并 对 缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其 变化作出判断和评价。目前，常用的无损探伤方法有液体渗透检 测 、磁粉检测与漏磁 检 测 、声 发 射检 测 、射线探伤 等 。近 年 来， 无 损 检 测 技术的发展速度很 快 ，一 些无损检测新技术如磁记忆无损检 测 、红外热波无 损 检 测 、超声相控阵技术 、激光无 损 检 测 、微波无损检测等也得到了应用。前文已提到无损检测近几年发展迅速 ，管 道 的 失 效 不 仅 与 管 道 内 外部制造和安装缺 陷 、表 面 腐 蚀 以 及 材料累 积 损 伤 有 关 ,而 且与 管 道 的 支吊 架 、阀 门 、法 兰等管道 元 件 的 自 身 质 量 和 安 装 质 量 有 关 。下 面 根 据 管 道 (主 要 是 金 属 管 道 ) 安 装 和 使用的特点,综述在不同阶段采用的无损检测技术的特点。不同行业对管道安装过程中的施工要求和验收 规范存在差异。 管 道 安 装 过 程 中的 无 损 检 测 主要 采用 涡 流、 漏 磁 和 超声 导 波 检 测 ,施 工验 收按 各自 行 业 标 准 的 要 求进行。实际工作中应根据设计文件要求区别对待。无损检测技术是保证产品质量和设备安全运行的一 门共性技术 ，已 被广泛应用于现代工业的各个领域 。它是在当前物理 学 、电 子 学 、电 子 计 算机技术 、信息处理技术 、材料科学等学科成果基础上发展起来的一门综合性技术 ，是 现 代工业质量保证体系中的主要技术之一。下面介绍一下无损检测技术的几种类型：漏磁检测技术：漏 磁 通 检 测 （MFL）主 要 用 于 检 测 管 道 的 腐 蚀 缺 陷 ，提 供 管 道 上 所 有 缺 陷 和 管件的里程 、距最近参考点的距离、 周 向位 置 、距上下游环焊缝的 位 置 ，缺陷的深度和轴向长度等信息。 目 前 ，它被广泛地应用 在 长 输 管 道 、炼油厂管 网 、城市管网和海 底 管 线 的 检 测 。由 于 漏 磁信号和缺陷之间是非线形关系 ，管 壁的受损情况需通过检测信号间推断出来， 其 检 测 精确相对于超声波检测法较低， 适 用 于 最小腐蚀深度为 20%30%壁厚的腐蚀 状况检 测 。该方法要求传感器与管壁紧密接触， 由 于 焊缝等3因素的 影 响 ，管 壁凸凹不 平 ，使接触要求有时 难 以 难 道 。同 时 由 于 在 测 量前必须将管壁磁化 ，因 此漏磁通法仅适合薄管壁。 但是由于其价格低廉， 检 测 精度能满足我国大部分地区的要求， 目 前 在 我 国 使用较多。 漏 磁检测易实现工业管道检测的自动化 ,利 用 各 种 管 道 爬 行 器 携 带 漏 磁 检 测 装 置 ,大 大 提 高 了 检 测 效 率 ,并 从 总 体 上 了解管道内外表面状态和缺陷分布情况。 漏 磁检测是管道检测方法中的一个研究热点,尤其是对长输管道的检测 。但实际使用中的管道,其内外表面一般较粗糙,漏磁检测传 感 器与 检 测 表面 又 不可避 免 地 存在 一 定 的 距离, 而 且 目 前 漏 磁 检 测 的 灵 敏度比磁粉检测低,所以对工业管道中裂纹类缺陷的检出率 还有待进一步提高。涡流检测技术：涡 流 检 测 技术 主要 用 于 检 测 管 壁 内表 面的 裂纹、 腐 蚀 减 薄和 点腐 蚀 等 ，是 目前应用较为广泛的管道无损检测技术 ，分 为 常规、 投射式和远场涡流检 测 。常规涡流检测受集肤效应的 影 响 ，只适合于检测管道表面或近表面 缺 陷 ；透射式涡流检测和远场涡流检测灵敏度。 远场涡流法具有便于自动化 检 测 、检 测 速 度快 、适 合表面检 测 、适 用 范围 广 、安 全 方 便 以 及 消耗物品少等 特 点 ，在 发 达国家得到广泛的重视。由于温度和探头的提离效应、 裂纹深度以及传感器的运 动速度等均对涡流检测信号有一 定 的 影 响 ，而 且由于远场涡流很难由检测信号直接确定缺陷种类， 因 此要考虑影响压力管道涡流检测信号的各种因素， 才能取得较好的检测效果。 下 图为一种涡流探伤钢管设备。超声波检测技术：超 声 波检 测 技 术相 对 于 漏 磁 通法 而言 ，具 有 直 接 和 定量 化 的 特 点 ，其 数 据 损失可由相关的软件补偿， 所以有较高的精度。 但由于受超声波波长的限制， 对 薄壁管 ，同 时 对 关内的介质要求较高 。当缺陷不规则时候， 将 出 现 多次反射回波， 从而对信号的识别和缺陷信号的识别能力。 由 于 超声波的 传导必须依靠液体介质， 且容易被蜡吸收 ，所以超声波检测技术对含蜡高的油管线存在检测局限 。由 于 从发射器到管壁之间需要均相液体作为声波传播媒介， 所以 用 于 天 然 气 管 道 时 ，需要在一个液 体 段 （通常为凝胶） 的两端运行两个常规清管器， 超声波检测器放入液体段中运行 。日 本 钢管 株式 会 社 （NKK）研 制 的 超声 波检 测 清 管 器 能 再现 管 道 壁 厚 和 管 道 内壁 表 面的 图 象 ，探 测 焊 缝 腐 蚀 ，检 测 腐 蚀 深 度 为 管 壁 厚 度 10%。该 公司 研 制 的 轮 式干耦合超声波检测器 （用于天然气管线） 不需要耦合剂， 检 测 效 果良好， 目 前 正在开发可用于长距离天然气管道的检测器。4射线检测技术：射 线 检 测 (Radiographic testing ,RT) 是 基于 被 检 测 件 对透 入 射 线( 无 论 是电 磁 辐 射 还 是 粒 子 辐 射 ) 的 不 同 吸 收 来 检 测 零 件 内 部 缺 陷 的 检 测 方 法 . 工 业 应 用的射线 检 测 技术 主要 用 X 射线 、射线 和 中 子 射线 ,使用 得最 广泛 的 是 X 射 线照 相 检测. 射 线 检 测 技 术可 划 分为 4 部份 :射 线照 相 检测技 术 ,射线 实时 成 像检 测 技术 ,层析 射 线 检 测 技 术 ,辐 射 测 量 技 术 . 射 线 检 测 技 术 几 乎 适 用 于 所 有 材 料 ,能 直 观 地 显示缺 陷 影像 ,便 于 对 缺 陷 进 行 定 性 、定 量分 析 ,射线 底 片 可长 期 保 存, 对 体积 型缺陷比较灵 敏, 但难 于 发 现 垂直 射 线 方 向的 薄 层 缺 陷 ,检 测 费 用较 高 ,同 时 射线 对 人 体模型有害 ,需 作 特 殊防 护 . 射线 检 测 技术 一 般 适 用 于 检 测 焊 缝 和 铸件 中 存在 的 气 孔、夹渣、密集气孔、冷隔和未焊透、未熔合等缺陷。渗透检测技术：渗透检测(Penetrant Testing ,PT) 是最早使用的无损检测方法之一,它基于毛细管 现 象 揭 示 非多 孔 性固 体 材 料 表面 开口 缺 陷 ,其 方 法 是 将 液 体 渗 透 液渗 入工件表面开 口缺 陷 中 ,用 去 除剂清 除多 余渗 透 液 后 ,用 显 像 剂 表示 出缺 陷 ,包括预 处理、渗透、 去除 、干 燥、 显 像、 检 验和 后 处 理 共 7 个步骤. 渗 透 检 测 方 法 简 单 ,成 本 低廉 ,缺 陷 显 示 直 观 ,检 测 灵 敏 度 高 ,可 检 测 的 材 料 与 缺 陷 范 围 广 ,一 次 操 作 可 检 测 多个 零 件 ,但 只 能 检 出 零 件 的 表 面开 口的 缺 陷 ,不 适 用 于 多 孔性 材 料 的 检 测 ,对 零 件 和环境有污染. 渗透检测适用于各种锻件、铸件、 焊接件、机架工件、陶瓷、塑料、玻璃制品的表面裂纹、折叠、冷隔、疏松等缺陷的检测。当 然 随 着 工业 的 发 展不 仅 超 声 、射线 等 传 统的 检 测 技术 青 春 长存 ,而且 还 产 生了像激光全息干涉、电子剪切成像、激光超声、 红外、声发射、微波、远场涡流、电磁超 声 、磁记 忆 、超 声相控 阵 等 众多 的 无 损 检 测 新 方法 、新 技 术 ,它们中 的大部份在短时间内就在工业生产中得到应用。无 损 检 测 技术 在 工 业管 道 的 安 装 和 使 用 过 程 中, 对 保 证 其质 量 和 安 全 运 行 起 着极其 重 要 的 作 用 。对 于 原 材 料 的 管 材以 超声 波 和涡 流 检 测 方 法 为主 ;对于安装过程中 管 道 的 对 接 焊 缝 以 射 线 或 超 声 检 测 方 法 为 主 ,表 面 检 测 通 常 按 照 设 计 要 求 进 行 ;对于在使用过程中工业管道的在线和全面检验以目视检 测 、测 厚、 表面检 测 、射线检测和 超声 检 测 方 法 为 主。另 外, 还 有 漏磁 和 超声 导 波等 一 些 新 型 的 自 动化 程 度较高的检测技术也越来越广泛地得到应用。1.1.3 漏磁无损检测技术5漏磁检测方法通常与涡流、微波、金属磁记忆一起被列为电磁无损检测方法。该方法主要应用于诸如 输 油 气 管 、储油罐底板、 钢丝绳、 钢板、 钢管 、钢棒、 链条、钢结构件、 焊缝、 埋地 管 道 等 铁磁性材料表面和近表面的腐蚀、 裂纹、 气 孔、 凹坑、夹杂等缺陷的检测 ,也可用于铁磁性材料的测厚。 漏 磁无损检测技术在钢铁、 石 油 、石化等领域应用较广泛。 我 国 各工业领域对漏磁检测 技术尚处于了解、 认识、 引 用的初级阶段 ,在工业上使用探伤设备的开发制造还刚刚 起步 ,而随着质量控制技术的发展与进步，我国对于漏磁探伤设备的市场需求将越来越大,缩小同国外先进的无损检测设备制造水平的差距是当前我国无损检测业界同仁的重要且紧迫的任务。目前对漏磁信号处理的方法主要有时域的波形分析 法 （包括信号峰峰值和短程能量等） 、频域分析方法、 小波分析和神经网络等 ，这 些方法更多的是针对特定工况的特定信息， 采用检测信号与标准缺陷信号比较来进行缺陷分析， 很 少考虑到检测过程中不同因素对信号分析结果的 影 响 ，对 缺陷类型、 几何形状和部件工况等缺乏定量描述。当用磁化器磁化被测铁磁材料时，若材料的材质是连续-均匀的，则材料中的磁感应线将被约束在材料中， 磁通是平行于材料表面的 ，几乎没有磁感应线从表面穿 出 ，被检表面没有磁场。 但当材料中存在着切割磁力线的缺陷时 ，材料表面的缺陷或组织状态变化会使磁导率发生变化 ，由 于 缺陷的磁 导率很小， 磁阻很 大 ，使磁路中的磁通发生畸变， 磁感应线会改变途径， 除了一部分磁通直接通过缺陷或在材料内部绕过缺陷外， 还有部分的磁通会离开材料表面， 通 过 空气绕过缺陷再重新进入材料， 在 材料表面缺陷处形成漏磁场。 如 果采用磁粉检测漏磁通的方法称为磁粉检测法，而采用磁敏传感器检测则称为漏磁检测法。随着现代科学技术的发展 ,尤其是计算机技术的发 展 ,仪器的体积越来越小、处理速度越来越 快 、功能越来越强大 。漏 磁检测理论研究及探伤系统的传感器性能、数据处理等方面也都有很大的进步。 随着现代各领 域技术的相互交叉融入 ,各种技术相互促进发展 ,漏磁检测技术的应用研究也必将朝着更 趋于成熟、 完 善的方向发展。61.2 管道内部检测机器人的发展趋势管道内部机器人检测技术 （即管道机器人） 在管道检测中得到较为广泛的运用。目 前 ，美国 、英国 、法 国和德国等已开发出了管道机器人 样 机 ，并 在 检 测 中得到成功应用。管道机器人是一种可在管道内行走的机器，可以携带一种或多种传感器，在操作人员的远端控制下进行一系列检测作业。 一 个完整的管道检测机器人包括移动载体、 视觉系统、 信号传送系统、 动力系统和控制系统等 。管 道 机 器人的主要工作方式为在视觉、位姿等传感器的引导下， 对管道环境进行识别，接近 检测目标，利用超声波、 漏 磁通和涡流传感器等进行信息检测和识别 ，自 动完成检测任务 。其核心组成为管道环境识别系统 （视觉系统 ）和 移动载体。 目 前 国 外的管道机器人不仅能够进行管 道 检 测 ，还具有管道维护与维修等功能， 是 综合的管道检测维修系统。机 器 人 的 应用 越 来 越广 泛 ,几乎 渗 透 到所 有 领域 。移动 机器 人 是 机 器人 学 中 的一个重要分支。 早在 60 年代,就已经开始了关于移 动机器人的研究。 关于移动机器人 的 研 究 涉 及 许 多 方 面 ,首 先 ,要 考 虑 移 动 方 式 ,可 以 是 轮 式 的 、履 带 式 、腿 式 的 ,对 于 水 下 机 器 人 ,则 是 推 进 器 。其 次 ,必 须 考 虑 驱 动 器 的 控 制 ,以 使 机 器 人 达 到 期望的行为 。第三,必须考虑导航或路径规划,对于后者,有更多的方面要考虑, 如传感融合, 特 征 提取 ,避 碰及 环 境 映 射。 因 此 ,移 动 机器人 是 一 个集 环 境 感 知、动 态决策与规划 、行 为控 制与 执 行等多 种功 能 于 一 体 的 综合 系 统。 对 移 动机 器 人的研 究 ,提出了许 多 新 的 或 挑 战 性 的 理 论 与 工 程 技 术课 题 ,引 起 越 来 越多 的专 家 学者和 工程技术人员 的兴 趣, 更 由 于 它在军 事侦 察 、扫 雷 排 险、防 核化 污 染 等 危 险 与恶 劣 环境以及民用 中的 物 料 搬运 上 具有广 阔 的 应用 前 景 ,使得 对 它的 研 究 在世 界 各国受 到普遍关注。70 年 代以 来 , 石 油 、化 工 、天 然 气 及 核 工业等 产 业 迅 速 发 展 , 各种 管 道 作 为一 种 重 要 的 物 料 输 送 设 施, 得 到了 广泛 应 用 。 由 于 腐 蚀 、重 压等 作 用 , 管 道 不 可避免地 会 出 现 裂 纹 、漏 孔等 现 象。 而 管 道 所 处 的 环 境 往 往 是 人 们 不 易或 不 能直接接 触 的 , 因 此 , 对 于 管 道 的 检 测 和 维 护 , 成 了 工 业 生 产 中 的 一 道 难 题 . 传 统 的 管道 检 测 方 法 有 全面 挖掘法 、随机 抽样 法 和 SCA-DA 系 统 法 , 这 些方 法均 存 在 工 程 量大, 准确率低等缺点。于是管道机器人便应运而生。管 道 机 器 人 是 一 种 可沿 管 道 内 部 行 走 、带 有一 种 或 多种 传 感 器及 操作 机 械 (如操作手、 喷枪、 焊枪、 刷 子 ) , 在操作人员的遥控操作或计算机自动控制下进行一系 列 管 道 作 业 的 机 电 仪 一 体 化 系 统 , 能 够 准 确 高 效 的 实 现 各 种 工 业 管 道 的 无 损 检7测及维护 。目 前 工 业 机器 人采 用的驱 动 器 件 主 要 有四 类:电 磁 铁 , 压电 元 件 , 形 状 记 忆 合金(SMA ) 和电动机 。其 中, 前三种多见于直径 20mm 以下的微型机器人系统中； 小型及 大 型机 器人, 鉴 于 速 度及 功率 的 原 因 , 多 采 用直 流 或 交 流 电 机 作 为 驱动 器 件 .管道机器人除了用于检测如果配备车载机械手, 还可完成管道清扫、喷涂、焊接、内部抛 光等 任务, 具 有 良好的 市 场 应用 前 景 。 但是 , 管 道 机 器人 的 运 行环 境 是 复杂多样的, 如变径管 道 、三通 、四通管道等, 因此, 适应各种管道的机器人机械结构以及无缆机器人是有待深入研究的方向。1.3 研究的基本内容，拟解决的主要问题本 设 计 拟 对 解 决 便 携 式 管 道 无 损 探 测 装 置 应 用 中 的 几 个 关 键 问 题 进 行 初 步 研究 ；研 制 、设 计 出 满足传动精度要求的主要部件的几何结构， 并 对 零部件的结构进行三维造型最后装配成一个外形完整、 结构合理 、功能强大的管道内部便携式无损探测装置；解决的主要问题：(1) 查阅国内外文献， 详细了解当前便携式管道无损检测装置的结构类型， 并对便携式管道无损检测装置的结构特点进行详细分析。(2) 学习便携式管道无损检测装置的设计方法， 学 习 掌握便携式管道无损检测装置的结构设计计算及强度校核的基本方法。(3) 学 习 掌 握 运 用 三 维 设 计 软 件 进 行 便 携 式 管 道 无 损 检 测 装 置 零 部 件 的 三 维造型设计的基本方法， 完 成 所设计的便携式管道无损检测装置的三维零部件造型设计和三维装配造型设计。(4) 在大量查阅国内外文献资料的基础上 ，了解便携式管道无损检测装置的发展方向及计算机辅助设计在便携式管道无损检测装置设计中的应用情况。8第 二 章 机 械 结 构 部 分 的 设 计2.1 设计 方案的确定本 课题要求设计一种能在管道中依靠液流推动的无动力沿管道滑行检测装置，功能上要求能无损探测管道的各种物理缺陷， 准 确 定 位 缺陷所在位置和大致严重程度，能在管道内径存在尺寸变化的情况下顺利进行检测，且结构简单，拆装方便，成本低廉。考虑到海底管线所处的海洋环境极为恶劣， 除受到风、 浪、 强烈的风暴和地震等自然灾害作用外， 还受到近海工程施工 、捕鱼作业和船舶失事等人为因素的影响。而且在一些海床表面淤泥松软， 流动性较大 ，回淤速度较快 。在 本 设 计 中探测器的主要工作是检测海底管线由于磨损 、腐蚀、 意 外损伤等原因导致的泄露。 因 此本课题的设计方案如下：1.选用管内检测 器检漏法；2.选用漏磁检测方法： 根据第一章提到的检测技 术 ，知道其中漏磁通型和超声波型是 主 流 机型 ，漏 磁 通型 利 用各 种 管 道 爬 行 器 携 带 漏磁 检 测 装 置 ,大 大 提 高 了检测效率 ,并 从总 体上 了 解 管 道 内 外 表面 状 态 和 缺 陷 分 布情 况， 而 且 成 本 相对 较低，但是超 声波 形得 到 的 结 果 通常 以 A 扫 描 方 式 显 示,操 作和 缺 陷 判别 过 程 比较 麻烦并且成本费用也比较高，所以我选用漏磁检测法。当用磁化器磁化被测材料时 ，若材料的材质是 连续、 均匀的 ，则材料中的磁感应线将被约束在材料中， 磁通是平行于材料表面的 ，几乎没有磁感应线从表面穿出，被检表面没有磁场。 但当材料中存在着切割磁力线的缺陷时 ，材料表面的缺陷或组织状态变化会使磁导率发生变化 ，由 于 缺陷的磁导 率很小， 磁阻很 大 ，使磁路中的磁通发生畸变， 磁感应线会改变途径， 除了一部分磁通直接通过缺陷或在材料内部绕过缺陷外， 还有部分的磁通会离开材料表面， 通 过 空气绕过缺陷再重新进入材料，在材料表面缺陷处形成漏磁场。本 设 计 所 采 用 的 漏 磁检 测 方 法原 理 是 通 过 导 磁 磁 化 管 壁 ,在 管 道 缺陷处 由 于 磁场畸变 会形 成 漏 磁场 ,再通 过 磁 敏 元 件 探 测 漏 磁场 分 布 范 围 、强 度 并 进行数 字信号处 理 ,确 定 缺 陷 信 息 ，具 体 原 理 见图 2.1。然 后 由 位 移 探 测 器 所 记录 的 行 程来 判 断损伤管道的大致位置，最后给予定位以使维修工作顺利地进行。92.2 机 械 结 构 设 计现代的机器普遍自动化程度较高 ，通 过 阅读大量的相关文献并参考现代机器的组成要素得知传统的机器由动力装 置 、传动装 置 、执行装置及其支持机座四个基本部分组成 。因 此， 在 本 设 计 当中的便携式管道无损探测机器主要由动力装 置 、传动装 置