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X射线管道爬行器的研制

2019-12-06 12:08:40

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摘要:以苏丹输油管道工程无损检测为实例,介绍了三用型X射线管道爬行器的基本原理与应用效果,介绍了具体的研制过程,包括硬件和软件设计过程中应该考虑的一些关键问题,并将辐射场反馈、内定时等新方法应用于管道爬行器。通过大量的实践检验和技术数据对比,证明此爬行器具有经济、高效的特点。

  Summary: Take Sudan Oil transportation pipeline Engineering for example, deacriping the prime principle & results of x-ray crawler with there useful ways. And detail development with some key factors in hardware & software design, at the same time use radiographic field feedback, inner timing a pipeline crawler with a lot of fact test & technical data, it is sure that this crawler has the economic & fast property.

  一、前言

  随着我国石油工业的全面发展,对外承揽石油基建工程的增多,由我国承建的第一条国外大型输油管道─苏丹输油管道工程于一九九八年开始建设,这条管道全长1500公里,直径28英寸(直径711mm),工期一年,要求管道对接焊缝100%射线检测,总检测量将达15万道口以上。

  这是一项国际投标工程,如果仍然采用国内惯用的施工手段,定向X射线机双壁单影法检测,无论从施工速度、人员数量还是造价上,都完全不具备竞争能力。唯一可行的办法就是采用射线管道爬行器拍片,而由于壁厚及标准的原因γ射线管道爬行器在此难以适用,只有采用X射线管道爬行器,它采用内曝光,具有底片质量好、速度快等优点,但需要进口,价格昂贵,日常维护工作量大且维修困难。

  在这种情况下,我们研制出了X射线管道爬行器,并成功地大范围的在苏丹输油管道建设中投入了试运行,实践证明,操作维护简单,工作稳定可靠,定位精度满足使用要求,照相质量符合美国API1104-94标准,完全达到进口产品的使用效果,成功地取代了进口产品。

  二、国内外技术概况

  根据文献资料调查,国外对X射线管道爬行器的研究多年,技术相对较成熟,并已经有系列产品出售,主要国家有法国、英国、美国、比利时等。在国内基本处于研制阶段,未见大范围推广应用及产品出售。

  在国内,射线照相检测目前仍然主要依靠X射线探伤机与γ射线探伤机在管道外面通过双壁透射进行,因双壁单影透照厚度增加必需增大管电压,焦距长又必需增加曝光时间,所以不但底片灵敏度欠佳,而且检测效率与内曝光相比也十分低下。

  目前,在国内有外国产品的代理商,一台进口X射线管道爬行器的价格约100万元人民币,一般无现货,订货期最少三个月,不但价格昂贵,售后服务问题也难以得到及时有效地解决。

  我们已经于1997年研制成功了首台γ射线管道爬行器,并已通过局级鉴定,达到了国内领先的水平。此外,公司还有10年以上应用进口X射线管道爬行器的经验,在此基础上开发研制X射线管道爬行器已经不存在技术性障碍。

  在国外,长输管道100%射线检测早已普遍采用,国内也正向这个方向发展,因此,用目前的管外透照已难以满足检测工作量迅速递增的现状,如果参加国外工程施工就更是必须改进现有的检测手段,使其能满足检测效率上的需要。

  三、总体设计

  1、总体方案的确定

  在为期三个月的调研过程中,查阅了近期国外爬行器厂家的有关技术资料,对现有的进口X射线管道爬行器的性能、控制方法、适用范围、工作条件等进行了对比分析。并到国内有关探伤设备的生产厂家进行了考查,确定了如下方案:

  1.1主体主要分为三大部分:电动车(含控制)部分、X射线机部分、充电电源车(专为射线机供电)部分。整机电路方框图见图1。(图略)

  这种分体式设计有利于搬运及多功能的实现:

  当需要改为γ射线爬行器时,可以用γ射线电动发/收机构取代X射线机和充电电源车部分。

  当需要作为救护车使用时,可以用救护车部分取代X射线机和充电电源车部分。

  其中:

  电动车部分采用电池驱动的直流电动机带动减速机构制作; 
  X射线机部分采用专门研制的直流供电型周向X射线机; 
  充电电源车部分采用阀控密封免维护蓄电池串联组成。 
  

  图1 整机电路方框图(图略)

  1.2爬行器设计主要技术指标

  表1

  技术项目
  技术指标
 
  适用管道直径
  711mm
 
  运行速度
  >15m/min
 
  爬行距离
  >8km
 
  爬坡能力
  10°
 
  定位精度
  <±2.5cm
 
  工作温度
  -10℃—+50℃
 
  X射线参数
  160kV/3mA
 
  累计可曝光时间
  >80min

  2、设计

  2.1、基本原理

  射线管道爬行器主要由机械行走部分、射线发生部分、定位传感器、逻辑控制器、电源及管道外部的遥控定位用指令源等组成,它是一种自动化射线产生装置,由机械行走部分带动射线发生装置在管道内部行走,在管道外对接焊缝处贴X射线专用胶片和标记,通过管道外部遥控装置的配合,可以在管道内定位及曝光,从而对管道对接环焊缝进行X光透照,实现管道对接环焊缝的无损检测,另外,还可以通过遥控控制爬行器的前进、后退、休息等动作。

  2.2、硬件设计

  硬件设计包括:机械行走部分、射线发生部分、定位传感器、控制器(电路)部分、电源部分和自动救护车部分。

  机械部分:由电动车机体,充电电源车机体,24V直流电动机,减速器,胶轮,轮轴及连接附件组成。整机连接见图2。

  图2 X射线管道爬行器整机连接示意图(图略)

  充电电源车:选用1mm厚不锈钢板,经冲压焊接而成,要求本身有一定刚性不易变形,安装耐磨材料车轮,整体长度根据电池体积决定,不能过长,以免增大转弯半径和增加运输难度。电池接线方法见图3。

  图3 电池接线示意图(图略)

  射线机部分:由我方提出设计及接口要求交由射线机专业生产厂家制作。具体要求是:直流高压直接供电,固定管电压160kV,管电流3mA,取消AC/DC部分,改变高压包参数,提供故障反馈信号,散热风扇按需自动打开及自动延时关闭,以节省电力。控制台体积要小且与射线机头一体化安装,结构上采取防尘设计。

  定位传感器部分:在我们1997年开发成功的γ射线爬行器研制过程中已基本得到解决。对于其中的抖动、误动问题可以在程序设计中进行容错处理,从而降低其设计复杂性。因运输途中振动很大,所以制作工艺要求较高,元器件严格筛选,并采取防振措施[1]。

  控制器(电路)部分:通过研制γ射线爬行器的经验,继续采用原可编程控制器(FX0系列20点继电器输出型),具有体积小、供电方便、可靠性高的特点。电路布线方面尽量简单化、以方便维护,就近安排强电部件,将强电与弱电分离,以免造成对控制系统的干扰[2]。

  电动车供电:考虑到控制器供电方便和电动机供电时间的要求,电动车电源采用24V直流电源。使用一套100%充足电的38安时电池,行走速度18米/分钟,平均工作电流4安培计算,可以连续爬行约7.6小时(80%放电容量),爬行距离8208米。爬行距离远是一项重要特色,这样可以适应一台爬行器工作在几个工作面轮流工作和“二接一” 间隔检测的施工技术要求。

  射线机供电:X射线管道爬行器供电方式有四种:a.燃油发电机供电 b.直流逆变器供电 c.有线电缆供电 d.纯直流高压供电。目前的发展趋势是纯直流高压供电方式,这种供电方式具有电源效率高、无噪音、重量轻、使用灵活方便等优点。所以,从技术进步角度出发,选用纯直流高压供电为好,经综合考虑,直流电压选择120V,这样便于X射线机和充电电源车的设计。

  自动救护车部分:利用汽车雨刷器12V直流电动机通过涡轮涡杆传动带动提升臂制作,要求升降到位能够自停。此部分作为一个单独部分,当需要时再与任意一台普通爬行器的电动车相连接而组成自动救护车,并采用了“即插—即用”的控制方式,在转换为救护车时无需另外的转换开关加以控制。用于当因电源供给问题或驱动电机故障而不能运动的爬行器的救护,可以自动将故障爬行器拖出管道。

  此外,在充电电源车--射线机—电动车之间的挂接环节上参考了国外的设计,作到了既方便挂接、运行灵活又不影响定位精度。

  2.3、软件设计

  主要包括:运行过程程序化描述和PLC程序编制。

  运行过程程序化描述,就是根据实际工作要求和现场积累的工作经验,作出用户需求分析,在控制器内部通过编制程序对外设进行时间上的操作安排,外设包括:定位传感器、按键、指示灯、警报器、定时器、电动机(继电器组)、射线机、自动救护车等。

  程序设计采用梯形图语言编制流程图,利用手持式编程器调试。(具体程序梯形图A4纸17页略)

  在软件方面设计了定位传感器故障、定时器故障、射线机故障等容错能力,可在一定程度上自修复或保护退出管道,最大限度地防止了割管的发生。

  同时,我们还设计了一种首创的新技术,使爬行器在工作过程中的曝光时间可以通过管道外部遥控调整,为壁厚变化的管道检测提供了方便。

  此外,还预先设计了管内积水传感器、电流过流传感器等[1]配套程序,以利于以后的功能扩展;

  四、性能试验

  经实测其数据如表2所示:

  表2

  技术项目
  技术指标
 
  适用管道直径
  400-1200mm
 
  运行速度
  18m/min
 
  最大爬行距离
  10.8km
 
  最大爬坡能力
  15°
 
  定位精度
  <±2.0cm
 
  最小转弯半径
  10D(D为管道直径)
 
  工作温度
  +72℃(苏丹输油管道施工现场管道内部气温)
 
  X射线参数
  160kV/3mA
 
  可曝光累计时间
  82min
 
  电动车电压
  DC 24V
 
  射线机工作电压
  DC 120V
 
  射线机工作电流
  6A

  五、结论

  经过长达一年时间的试验运行,实践证明,各项技术性能指标已经达到了原设计的要求。成功地实现了以国产取代进口,节约了大量的外汇。 
效率与双壁单影透照相比至少提高8倍以上,下面表3为实测数据: 
表3

  名 称
  工作时间(小时)
  日工作量(焊口)
 
  日本理学300
  12
  18
 
  ZP2爬行器
  6(前进)+6(回退)
  130

  与进口产品相比,价格优势明显,仅仅相当于进口产品的1/5,而且日常维护、维修方便,维修配件有保障,下面表4为实际数据: 
表4

  对比项目 产品型号
  自研(ZP2)
  进口(IRIS10)
 
  重量
  130(千克)
  133(千克)
 
  长度
  3.05(米)
  3.55(米)
 
  适用管道直径范围
  400-1200(毫米)
  300-1550(毫米)
 
  价格
  20(万元人民币)
  12.7983(万美圆)

  在工作过程中,由于管内障碍物、电动机、继电器及电池充电等原因,造成的滞留管道中,自动救护车也发挥了预期的作用。 
[在本研究中得到了张森、彭卫华同志的大量帮助,在此一并表示感谢]

  参考文献:
  [1]张福学.电子工业出版社.传感器应用及其电路精选

  [2]诸邦田.人民邮电出版社.电子电路实用抗干扰技术
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