管道环形轨道式扫查器结构设计

王永新

（铁岭师范高等专科学校 铁岭 112000）

0 引言

作为射线探伤设备的替代品，目前管道环焊缝全自动超声波检测设备在油气管道运输建设中得到了越来越广泛的应用。扫查器是全自动超声波检测设备的重要组成部分，可以在管道外壁自动行走对管道环焊缝进行缺陷检测，根据其行走原理主要可以分为磁吸附式扫查器[1,2]、链式扫查器[3]和导轨式扫查器[4～9]三种。其中磁吸附式扫查器虽然简便易用，但由于工作时可靠性较差，目前尚处于研究阶段，尚无大规模工程应用的先例；链式扫查器结构简单，成本较低，但存在承载力较小的缺点，因此一般承载的扫查设备相对比较简单；轨道式扫查器目前在管道环焊缝全自动超声波检测设备中应用最为广泛，具有可靠性高、行走平稳、承载能力强等优点，但其制造工艺相对比较复杂，对轮轨接触处根据实际工况需要详细的接触分析和设计。

轨道式扫查器根据扫查器夹紧方式的不同可以分为导轨上下面夹紧[4,5]和导轨侧面夹紧[6～9]两种类型。西安科技学院研制的超声扫查器采用了导轨上下面夹紧方式，其行走运动机构上的行走驱动齿轮与齿孔式软导轨上面均布的条形齿孔啮合，由步进电机驱动爬行器仿齿轮传动沿齿孔式软导轨周向运动[4]。哈尔滨工程大学海洋智能机械研究所研制的管道环焊缝自动超声检测系统也采用了导轨上下面夹紧方式，其行走运动机构的主动轮与导轨上均布的条形齿孔啮合，法兰式和凸台式从动轮均安装有滚珠以减小接触摩擦，且与导轨曲率相同，以便扫查器沿导轨周向运动[5]。

美国CD国际技术公司的CDU-PL101型管道探伤分析系统[6]，美国GE公司的新一代环焊缝超声检测产品Weldstar[7]以及日本OLYMPUS公司的Pipe WIZARD超声检测系统[8,9]的扫查器均采用了导轨侧面夹紧方式，其特点是通过扫查器从动轮的内凹表面夹紧导轨，导轨侧面具有均匀密布的细齿纹，可以与扫查器主动轮相互啮合驱动扫查器行走。此种类型的扫查器目前应用比较广泛。

1 超声波轨道式扫查器机械总体构成

图1显示轨道式扫查器正在检测一个管道焊缝。滑柱能沿着一个固定在管道上的轨道滑行。探头支撑架固定在滑柱上，超声波探头按照一定的顺序安装在支撑架上。当滑柱沿着管道的外表面运动的时候，探头通过发出和接受超声波来检测环形焊缝。

图1 超声波轨道式扫查器机械总体构成

图2 弹性导轨

如图2所示，在安装的时候弹性导轨是张开的，在导轨滑柱滑动过程中弹性导轨利用螺钉锁紧机构闭合。

图3 扫查器结构

2 扫查器结构

图3中显示导轨滑柱由角度调整机构、自锁机构、驱动单元和测量单元组成。角度调整机构使扫查器能适用于不同半径的管道。自锁机构能够固定住导轨，驱动单元则是驱动扫查器沿着轨道运动，测量单元利用一个编码器来测量扫查器在轨道上所处的位置。

图4 夹紧轮与轨道加紧方式

从动轮由上下两曲面和两圆柱面接合而成内外轮辕；扫查器沿导轨行走时从动轮轮辕嵌在导轨边缘，实现轨道夹紧，加紧过程中轨道边缘及从动轮轮辕承受整个扫查器的重量，接触点应力非常大，需选用特殊材料，图4下部为相关结构的有限元应力云图。

图5 主动轮驱动结构

3 驱动方式

图5显示驱动单元由一个直流伺服电机，一个减速器和一个主动轮构成。在主动轮的外表面布满了密集的轮齿，可以增加主动轮和管道之间的摩擦力。

图6 主动轮的反馈控制

当扫查器沿着管道滑动过程中，驱动力是变化的。控制驱动力的目的是为了使扫查器按照一个恒定的速度在管道表面平滑的运动。如图6中所示，利用PWM脉宽调制方法来驱动直流伺服电机，利用PID负反馈来控制速度。

图7 扫查器加速方式

这里利用了梯形速度模式，以避免扫查器在运动中具有很大的惯性力。扫查器的速度在检测的过程中一直实时测量。

4 实验分析

图8显示了扫查器在管道外表面运动的过程，扫查器在行走过程中运动运动平稳。

图8 超声波扫查器原理样机沿轨道行走实验

5 结论

本文设计了一种用于管道环焊缝自动扫查的轨道式扫查器，主要完成了：

1）轨道扫查器结构设计及关键器件的有限元应力分析；

2）轨道扫查器的驱动方式研究及加速过程分析；

3）扫查器的行走实验。

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[2]张燕宏.焊缝自动超声检验技术与设备的试验研究[D].合肥: 合肥工业大学, 2005.

[3]http://www.olympus-ims.com/zh/scanners/chain/

[4]张旭辉.管道对接焊缝自动超声检测系统的研制[D].西安: 西安科技学院, 2002.

[5]王立权, 陈东良, 曹先伟.轨道式管道表面行走装置[P].中国: ZL200810064437.6, 2008.10.15.

[6]http://www.cstndt.com/ecompany.asp

[7]http://www.geinspectiontechnologies.cn/Clarity/gf.htlm

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