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X射线管道爬行器的研制进程及发展方向

2014/11/13 21:41:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  孟庆荣 贾继莹 孟繁芝

  (辽宁仪表研究所 丹东118002)

  摘 要 适应长输管道建设发展的需要,提高管道对接焊缝质量及100%焊缝检测的要求,一种高效,高质量检测设备—X射线管道爬行器应运而生。介绍了该设备的研制进程及发展方向。

  1 前言

  作为当代五大运输手段之一的管道运输,在我国能源工业发展中起着越来越重要的作用,当今石油、天然气的运输已基本实现管道运输,尤其是我国已经开始施工的西气东输工程,极大地改善了我国能源的分布状况。由于管道施工多在野外,环境恶劣,随着管道压力,流量的提高,对管道施工中焊缝质量的检测要求越来越高,焊缝质量已成为保证管道安全及寿命的关键。目前管道施工对焊缝的检测要求是100%检测,在以往施工中管道焊口的检测是用常规X射线检测,劳动强度大、拍片质量差、效率低,很不适应管道焊缝质量检测的发展要求。

  2 拖缆式X射线检测装置

  该装置改变了传统的野外管道焊缝检测技术—双壁单影法的透照方式,而是采用拖缆管内爬行装置将X射线探伤机带到指定位置,进行一次透照,实现管道焊缝质量检测半自动化,具有拍片质量好,劳动强度低,效率高等优点。其工作原理是采用管外电源供电方式,用移动载体拖动周向X射线机,通过CCD寻找焊缝定位,管外焊缝处围绕一圈胶片,曝光后胶片经暗室处理,根据底片反映焊缝的情况,来判断焊缝内部质量。采用该设备,操作者由两部分组成,一是设备操作,二是管外贴片、暗室处理工作。管外贴片可每道焊缝先贴好,这样探伤机进入管内识别出焊缝后,就可一道接一道的曝光。检测完成后,探伤机退回,管外操作者边收片边返回。由于分工明确且有防护措施,因而不会发生误操作而使工作人员被辐射等不安全现象。

  主要技术参数:

  1.管内行走速度10 m/min。

  2.爬坡度:≤30°。

  3.一次最大移动距离:300 m。

  4.定位误差:≤±5 mm。

  5.适应管径: 529 mm~ 720 mm。

  该装置较双影单壁法的检测方式有了比较大的进步,劳动效率有了较大的提高,但还不适应目前野外长输管线无损检测要求,还有待进一步完善。

  3 X射线管道爬行器

  早在20世纪60年代X射线管道爬行器在国外问世,由于爬行器可高效高质地检测管道焊缝的质量,因此得到了迅速的发展和广泛应用,目前在管道施工中X射线管道爬行器已经成为必不可少的无损检测工具。

  我国于20世纪80年代开始少量引进爬行器,但远远不能满足我国管道工程发展的需要。国家科委于1984年下达“管道施工关键技术设备研制”课题中“管内X射线爬行器”的子课题,确定由辽宁仪表研究所承担研制任务。通过对引进样机的消化吸收,结合我国具体情况,于1990年初研制成功我国第一代X射线管道爬行器,并通过部级鉴定。

  3.1 基本原理

  X射线管道爬行器是在管道内对焊缝自动进行检测的一种专用仪器。其原理是通过将接收到的管外人为的不同γ射线扫描信号转换成电信号,通过逻辑判断,驱动各执行元件,使之完成前进、后退、定位、曝光等一系列动作,完成对焊缝自动拍片的要求。该仪器包括结构部分和控制部分。如图1所示。

  3.2 结构部分

  爬行器为一细长结构,主要由五部分组成。

  1) 管头部分 采用我所特殊制造的X射线管头,分160 kV、200 kV、260 kV、300 kV四种型号,以适应各种不同管径的需要。

  2) 驱动箱部分 主要由电机和差速减速箱组成。驱动电机采用永磁伺服直流电机,这种电机具有体积小、重量轻、驱动力矩大,过载能力强等优点,可提供快速响应,从而提高了爬行器的定位精度,另外采用差速机构,以适应爬行器在管道中转弯的要求。

  3) 电池箱部分 电池箱是爬行器能源的供给部分。由铅酸密封免维护电池组成。在爬行器正常作业时由两套电池组交替使用和充电,这样可保证爬行器的正常连续工作。

  4) 控制箱部分 主要由单片微机控制系统、逆变器、电源单元等组成。单片微机控制系统是将探测器接收到的信号进行逻辑判断并向驱动单元发出控制指令,完成作业程序。逆变器主要作用是将电池供给的DC120 V逆变成可供管头曝光使用的脉冲电压。电源单元是DC—DC变换装置,其将电池电压变换成各控制单元所需电压。

  5) γ源控制部分 由于爬行器是在金属管道内运行,所以可行的外控制方法是移动γ射线源。爬行器的γ射线控制部分包括γ射线控制源和γ射线示踪源。γ射线控制源是由人拿着向管道内的爬行器发出控制指令的装置。探测器接收到γ源发出的γ射线信号后发送给单片微机控制系统。γ射线示踪源装在爬行器的前部,一直向管外发射γ射线信号,但其剂量很小,不会对人造成危害。使管道外的人通过接收装置随时掌握爬行器在管道内的运行位置,便于控制操作。

  3.3 爬行器的作业程序

  每种爬行器在管道焊缝检测时都要按一定的规律在管道内运行,即有一定的规律和作业程序。作业程序决定了爬行器的逻辑控制系统,如图2所示。

  它的作业程序为:接收γ射线信号的探测器将γ射线信号转变成高低电平信号,然后输送到单片微机中,通过单片微机的逻辑判断分析驱动电机的前进、后退及定位,然后发出曝光指令,完成作业程序。这种作业程序具有作业灵活,可随时抽查任一道焊缝,适合各种钢管焊缝的检测,安全可靠。

  3.4 爬行器的特点

  1) 爬行器的工作能力强。爬行器的工作能力是由电池的容量及爬行器的系统决定的。由于我们采用了高性能、容量大、重量轻的高效电池作动力,另外还采用了高效低耗的机械和电气系统,因此所制造的爬行器的工作能力非常强。

  2) 定位精度高。定位精度是保证爬行器在焊缝处拍片质量的重要指标。由于爬行器的传动系统有较小的运动惯量,控制系统有快速的响应,因此定位精度达到±5mm,完全满足拍片的要求,

  3) 可靠性高。因为爬行器要适应野外的各种作业环境及管道条件,因此我们所设计的爬行器具有坚固、防振、密封好、驱动力大等优点,安全可靠耐用。

  3.5 主要技术参数

  适应管径: 373 mm~1500 mm

  爬坡度:±20°

  光束角:360°/30°

  射线穿透板材厚度:Ⅰ型:σ≤23 mm

  Ⅱ型:σ≤36mm  Ⅲ型:σ≤46 mm

  曝光电压:Ⅰ型:120 kV、160 kV、200 kV

  Ⅱ型:160 kV、200 kV、260 kV

  Ⅲ型:200 kV、260 kV、300 kV

  曝光最大电流:4 mA

  曝光时间:6 s~5 min

  定位精度:±10 mm

  使用环境温度:-5℃~60℃

  X射线管道爬行器的研制成功,大大地提高了劳动效率,减轻了工人的劳动强度,经过现场运行和不断改进完善,我所已相应开发制造了第二代和第三代X射线管道爬行器,并已形成了系列产品,为我国的石油、天然气管道施工中无损检测提供了可靠的检测工具。

  4 发展方向

  目前的X射线管道爬行器动力电源均采用免维护铅酸蓄电池,因而决定了管道爬行器的长度长、重量大、运输携带不方便,由于管道爬行器多在野外施工,环境恶劣,迫切需要管道爬行器体积小,重量轻,便于运输携带,随着电池能源技术的发展,高效、重量轻、体积小的高能电池将应用到管道爬行器上。同时随着X射线数字成像技术的日益发展,未来的管道焊缝的无损检测将取消传统胶片,取而代之的是CMOS数字电子成像胶片,通过计算机自动识别焊缝缺陷,从而大大地节约拍片费用,使工人从繁重的工作中解脱出来,劳动效率和检测质量也将极大地提高,随着科学技术突飞猛进的发展,相信在未来的管道施工无损检测过程中,一种全新管道爬行器将呈现在人们的面前。

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