英國的創(chuàng)新機(jī)器人通過從管道內(nèi)部進(jìn)行檢測測量,消除了輸氣管道挖掘?qū)ξ锪鬟\(yùn)輸和環(huán)境的影響。為了承受管道內(nèi)的極端條件,機(jī)器人底盤選用了2507超級雙相不銹鋼。
想要理解GRAID項目(Gas-robotic agile-Inspection Device,油氣管道機(jī)器人迅捷檢測裝置)的巨大價值,需要對過去進(jìn)行一下回顧。國家油氣輸送系統(tǒng)始建于20世紀(jì)60年代,到2030年,超過60%的輸氣系統(tǒng)將超過其預(yù)期壽命,因此腐蝕和泄漏的風(fēng)險增加。到目前為止,對于傳統(tǒng)管道檢測儀或管道豬無法接近的壓力管道部分,評估其狀況的唯一方法是通過地上勘測和資產(chǎn)壽命建模。這些方法需要挖掘管道,成本高昂且破壞環(huán)境。所以,需要一種遠(yuǎn)程控制的機(jī)器人檢測裝置,它可以在不清掃管道的情況下檢查管道的狀況。
這項630萬英鎊的項目于2015年開始,由英國天然氣和電力市場辦公室提供管網(wǎng)創(chuàng)新競賽資金。其目的是設(shè)計一種敏捷的機(jī)器人檢測裝置,能夠檢測長約350公里、無法清管的管道,該管道連接英國輸氣管網(wǎng)中的200個高壓裝置。這個首創(chuàng)的機(jī)器人平臺必須能在極其苛刻的物理條件包括高流速、活性氣體和高達(dá)100 barg的壓力,相當(dāng)于通常潛艇所承受最大壓力的5倍以上。
這個在線檢測項目提出了許多復(fù)雜的工程挑戰(zhàn)。機(jī)器人一旦進(jìn)入高壓管道中,它必須在蜿蜒曲折的管道系統(tǒng)中穿行,這本身就是一個挑戰(zhàn)。管道系統(tǒng)中充滿了障礙,包括急彎、傾斜、下降和變徑。在這個充滿活性氣體的高壓迷宮中,機(jī)器人對深埋的管道進(jìn)行了目視和壁厚的測量,然后數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為有意義的圖片進(jìn)行分析。
為了確保檢測機(jī)器人能夠在管道內(nèi)惡劣環(huán)境中工作,進(jìn)行了大量的測試。
國家電網(wǎng)公司與三家公司合作完成了這一項目:Premtech公司繪制了地圖,為機(jī)器人進(jìn)行地下跟蹤創(chuàng)建了GPS導(dǎo)航,并設(shè)計了投放和回收裝置以及測試裝置;管道工程師通過一系列復(fù)雜的計算將測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為相關(guān)數(shù)據(jù),Synthotech公司,為這個世界首創(chuàng)項目設(shè)計和制造了特殊機(jī)器人。
英國國家電網(wǎng)公司利用管道機(jī)器人檢測裝置,詳細(xì)了解了管道工程的狀況,獲得了可靠的數(shù)據(jù)。有了檢測機(jī)器人,管道的運(yùn)行管理、維護(hù)和更換更具成本效益,并減少了對社區(qū)的破壞。檢測機(jī)器人現(xiàn)已投入運(yùn)營,預(yù)計在20年內(nèi)可節(jié)省成本超過6000萬英鎊。不僅節(jié)約財政資源,每年還可降低約2000噸的碳排放,相當(dāng)于英國近500戶家庭的碳排放量。
設(shè)計這個創(chuàng)新的機(jī)器人用了兩年時間。最終的設(shè)計必須能承受高壓輸氣管道內(nèi)的條件。天然氣在高壓力下呈液態(tài),因此流體動力學(xué)很重要。當(dāng)天然氣流量達(dá)到峰值時,相當(dāng)于一個200公斤的力在推動機(jī)器人,因此機(jī)器人必須有很高的強(qiáng)度,同時還具有彈性。
項目工程師最初從大自然——海豚身上獲得靈感,為機(jī)器人創(chuàng)造出最具活力的外形,以及在高流速條件下使用的特殊皮膚。而隨著項目的進(jìn)展,研究小組意識到機(jī)器人較大的底盤影響了其靈活性。重新設(shè)計后,采用了雙底盤模塊的方法,兩個定制的底盤將所有的電子裝置保護(hù)起來。這樣設(shè)備可以在狹小的幾何空間穿行。機(jī)器人利用磁道(正在申請專利)附著在管壁上,它能沿著管道的側(cè)面向上行進(jìn),避開障礙物,而不僅僅是沿著管道底部移動。
如果沒有超強(qiáng)的金屬底盤來支撐所有的控制系統(tǒng)、電子設(shè)備和攝像裝置,則這個機(jī)器人檢測裝置就不可能實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人必須能經(jīng)受它遇到的任何情況,這一點(diǎn)至關(guān)重要,尤其是當(dāng)它拖著一條經(jīng)過特別設(shè)計、長100米的臍帶纜時。臍帶纜包含所有必要的電纜,能夠操作和反饋實(shí)時圖像。Synthotech公司高級首席工程師兼研發(fā)負(fù)責(zé)人約翰·懷特解釋了開發(fā)機(jī)器人系統(tǒng)遇到的挑戰(zhàn),回答了為什么底盤選用了含3.6%鉬的超級雙相不銹鋼。
“世界上還沒有人設(shè)計出可在高達(dá)100 barg壓力的環(huán)境中使用的機(jī)器人,管道內(nèi)還有活性氣體,這對我們來說是個很大的挑戰(zhàn)。支撐機(jī)器人的底盤的強(qiáng)度也許是它成功的關(guān)鍵”。
正在開發(fā)中的GRAID機(jī)器人的前底盤
“當(dāng)時有很多材料可供選擇,但我們選擇了一種超級雙相不銹鋼牌號--2507,原因有很多。這個超級雙相不銹鋼含鉬,提供了我們所需要的強(qiáng)度。這個不銹鋼牌號價格較昂貴,但所獲得的好處證明這個選材是物有所值的”。
項目團(tuán)隊也考慮過碳鋼等其它材料。但就滿足苛刻的標(biāo)準(zhǔn)而言,所選的含鉬雙相不銹鋼展現(xiàn)出自己的價值,并在整個測試中達(dá)到預(yù)期的效果。
2023年,在對定制的投放和回收容器進(jìn)行成功試驗(yàn)之后,對機(jī)器人的測試工作加速。測試按照很嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,包括在100 barg的壓力下工作,行進(jìn)100米的距離并同時收集目視檢查和壁厚測量數(shù)據(jù),這對于機(jī)器人來說肯定不是一項簡單的任務(wù)。GRAID機(jī)器人檢測裝置擁有復(fù)雜的電子和控制系統(tǒng),包括四個獨(dú)立的驅(qū)動電機(jī)、一個臍帶管管理系統(tǒng)、七個傳輸實(shí)時圖像的攝像裝置和一個帶有電磁傳感器的移動臂。正是移動臂上的這些傳感器測量出管壁厚度并識別出任何的腐蝕。
此外,2023年GRAID項目團(tuán)隊還達(dá)到了另一個重要里程碑。GRAID管道檢測機(jī)器人成功地穿行了一個特制的試驗(yàn)臺,有90度彎頭、等徑三通和變徑段以及45度傾斜部分。每一次測試之后,機(jī)器人都被帶回投放容器進(jìn)行目視檢查。機(jī)器人必須能返回投放容器(有時還要頂著管道中流體),以避免開挖重要管段完成回收任務(wù)這一代價高昂的做法。2021年末,國家電網(wǎng)天然氣公司對多個輸氣站點(diǎn)進(jìn)行了廣泛測試,確認(rèn)該系統(tǒng)尤其是機(jī)器人,達(dá)到了預(yù)期目的,并準(zhǔn)備投入使用。
特制的試驗(yàn)臺,帶有90度彎頭、等徑三通和變徑段和一個45度的傾斜部分。
GRAID項目最初只是一個有關(guān)管道的夢想,但通過專業(yè)公司的合作和含鉬雙相不銹鋼的使用,這個優(yōu)雅的機(jī)器人系統(tǒng)變成了現(xiàn)實(shí)。最重要的是,它幫助國家電網(wǎng)公司運(yùn)行著一個更安全、更可靠、更高效的油氣輸送系統(tǒng)。到目前為止,僅英國實(shí)施采用了這項技術(shù)。然而,這種機(jī)器人檢測裝置可以用于世界各地帶有無法清管管段的管道系統(tǒng)。這對天然氣和水資源保護(hù)可能具有重大意義。無論這些精巧的管道機(jī)器人最終結(jié)果如何,鉬都將發(fā)揮重要作用,以確保管道機(jī)器人裝置在充滿挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件下具備優(yōu)良的性能。
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