大型储罐防腐蚀涂层厚度智能检测技术

樊三新，刘玉玲，樊一蒙，李昊城

(1.大庆油田工程建设公司天宇设计院，黑龙江 大庆 163712;2.东北石油大学，黑龙江 大庆 163318;3.大庆油田井下作业分公司，黑龙江 大庆 163453)

大型储罐防腐蚀技术是储罐建设的一项核心技术，防腐蚀质量的好坏不但影响储罐的使用寿命和生产运营成本，而且也是影响储备物资安全的重要指标，因此在储罐建设中不但要研究防腐蚀结构，也要对防腐蚀施工质量进行严格控制。传统的储罐防腐蚀质量检测是人工检测，高处的罐壁必须借助脚手架才能进行检测，这给涂层检测带来了很多不便，无法随机检测大罐的任意一点的防腐蚀质量，研究开发储罐自动检测系统，可大大拓宽罐体的检测范围，从而有效地控制防腐蚀质量，保证储罐施工质量总体水平的提高。罐壁涂层质量自动检测仪的研制，实现了钢质油水储罐防腐蚀涂层任意点自动测厚，其数据经计算机处理后，自动显示，并能自动打印记录和进行数据处理，给出测量结果的最大值、最小值、平均值和测量曲线。这在检测技术上是一个很大的飞跃，对提高储罐防腐蚀质量具有非常重要的现实意义。

1 储油罐涂层概况

大庆油田开发建设50 a 来，建设各种储罐近7 000 座，其中储油罐占60%以上。罐的单体容积从早期的几十立方米到现在的200 dam3超大型储油罐群遍布油田各个角落。大庆油田地面上的储油罐和储水罐明显的标志是外涂层颜色不同，油罐是灰色的涂层，水罐是绿色的涂层。储罐的外涂层分底层和面层，底层涂料主要的功能是以防腐蚀为主，其性能不但要阻燃而且要求和钢材具有很好的黏结性，与钢材的黏结(剥离)强度符合相关规范要求，一般以环氧类涂料为基料。面层主要功能是防老化，其性能要求是阻燃以及美观，一般以改性调和类涂料为基料。

2 储罐防腐蚀工艺及涂层检测现状

储罐防腐蚀涂层的涂装工艺分手工涂装和机械涂装，手工涂装是采用人工毛刷涂刷，机械涂装是采用高压无气喷涂，大庆油田目前绝大多数储罐都采用高压无气喷涂技术，该技术喷涂效率高，涂层质量容易控制。

油田储罐防腐蚀涂层检测是按照相关规范要求，根据防腐蚀层面积和储罐内存介质的性质抽查点数，检测的项目主要是涂层厚度和击穿电压，目前采用的仪器是超声波测厚仪和电火花检漏仪，检测的方式是人工检测，检测的精度受人为因素影响不稳定。研制的储罐涂层自动检测仪，可对储罐任何一点的涂层厚度和击穿电压进行检测并可实时显示、储存和打印结果，科学性和精度大大提高，对油田储罐防腐蚀涂层检测的技术进步起到推动作用。

国外对爬壁机器人的研究很早，应用主要集中于对核废液罐进行裂缝检查，测厚及焊缝探伤等;用于对巨型壁面的喷涂，玻璃壁面的清洗，桥梁探伤等。

国内有自动扫查爬壁机器人，利用在罐壁外铺设的磁带导航，采用光纤传感器进行检测和油罐检测爬壁机器人装有倾斜计能监测机器人姿态偏角，携带光电接近开关能判断本体是否到达罐顶或罐底以及爬壁机器人借助了惯性导航单元及航位推算轮来定位机器人，这种方法智能化水平高，但设备成本大。

3 主要技术原理及指标

3.1 技术原理

罐壁涂层质量自动检测仪由执行系统、驱动系统、控制系统、感知系统、决策系统及软件部分、人-机器人-环境交互系统组成。

驱动系统是向执行系统各部件提供动力的，而控制系统是检测仪的指挥系统，可以让执行系统按规定的时序和要求进行工作。控制系统的主要任务是根据检测仪的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号，支配检测仪的执行机构去完成规定的运动和功能。感知系统是检测仪感知自身工作状态和作业环境状态信息的系统。决策系统是检测仪根据感知信息，通过学习和推理，自动调整控制算法的软硬件支持部分。软件部分是指检测仪系统的系统软件、应用软件和编程语言。人-机器人-环境交互系统则是实现检测仪与人，以及与外部环境相互联系和协调的系统。它包括指令给定装置和信息显示装置，如计算机终端、指令控制台、报警器等。

检测仪控制系统包括高性能的计算机、相应的系统硬件、控制算法及软件。控制系统分为上位机、下位机两层结构。上位机作为主控计算机，实现的功能主要是对一些参数进行初始化设置、对检测仪的工作状态进行实时监控等;下位机采用运动控制卡、单片机、微处理器等，可以对信号进行采集、处理，也可以直接对电机等进行控制等。上位机、下位机系统共同构成爬壁机器人的软件控制系统，二者之间通过某种特定的通信协议进行命令信号传输和反馈，两者共同合作来完成整个机器人的软件控制系统。根据检测仪功能和应用领域的不同，机械本体结构会有很大差异，因此控制系统也各不相同。上位机控制系统方案的确定，下位机运动控制方案的选择，以及上位机、下位机之间通信方式的选择，都可以有很大的创新，但共同的目标是更好地完成对检测仪的控制，使其能安全、可靠地完成各项预定的任务作业。

3.2 技术指标

涂层质量检测机器人主要技术指标:

(1)测厚范围:0～500 μm;

(2)测厚误差:1μm±测量值的3%;

(3)测厚步距:1，2 和3 m;

(4)行走速度:2～5 m/min;

(5)检测处理:测量时适时显示，并可打印检测结果给出统计参数及厚度曲线;

(6)质量:13 kg;

(7)磁轮吸力:40 kg;

(8)越障能力:大于5 mm。

3.3 系统总体设计

系统总体设计示意图见图1。

图1 系统总体设计框图

3.4 检测仪现场测试

3.4.1 厚度测量

保证涂层厚度检测机器人检测结果的准确性和可靠性的关键设备是内置的涂层测厚仪，为保证测量结果的准确，要在每次现场测试之前都需要按照《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》GB50341—2003 对涂层测厚仪进行校准。

(1)涂层测厚仪的校准

①零点校准

先校对涂层测厚仪的零点位置。在实验室钢板的任意位置上进行一次测量，测厚仪屏幕显示＜312.12 μm ＞。然后按zero 复位键，屏幕如果显示＜0.0 ＞表示正确复位，如显示数值需要按“↓”或“↑”键来修正度数，直到屏幕显示＜0.0 ＞。重复上述过程，次数越多，得到的最终结果越准确。

②试片

准备4 张厚度分别为50，100，300 和500 μm 的标准片，分别在4 张膜片上进行一次测量，如屏幕显示的值与标准厚度不一致，则需要按“↓”或“↑”键，来修正度数。直到显示的值和标准值一致，则表示校准已完成，可以开始测量数据。校准测量数据见表1。

表1 校准测量数据 μm

(2)涂层测厚仪数据采集

把通过校准之后的测厚仪，安装到机器人上，连接好电路，打开电源开关。

进入软件系统数据采集模块，选择所使用无线模块的端口号，选定机器人移动的速度，点击“上”“左转”“右转”“后退”按钮，通过无线模块向机器人发送控制指令，控制机器人的移动轨迹，同时开始采集数据。

采集数据的测试将分为两种场景。

①水平测量

把钢板放置在与地面平行的台面上，控制机器人在钢板上直线移动，接收机器人的返回数据，水平测量数据见表2。从表2 可以得知平均厚度为481.1 μm。

表2 水平测量数据

②垂直测量

把钢板放置于垂直于地面的架台上，控制机器人在钢板上移动，得到返回数据见表3。从表3可知平均厚度为479.6 μm。两种测量方式得到平均值都在允许的误差±25 μm 之内。测量精确度完全符合要求。

表3 垂直测量数据

(2)现场测试

2013 年8 月在采油六厂喇600 联合站7 000 m3污水沉降罐进行罐壁涂层质量自动检测仪现场测试，经试验罐壁爬行机器人能实现罐壁的任意位置的涂层厚度测量。该检测仪具有操作灵活方便，体积小，重量轻，无线控制等优点，能满足现场需求。

4 结束语

大罐涂层厚度智能检测仪是从设计、数据采集、处理、保存为主线展开的研究。在检测仪的机械结构设计，力学分析的基础上，对硬件设计和软件设计进行了深入的探讨。

大罐涂层厚度智能检测仪主要进行了3 部分设计:机械设计部分、硬件设计部分和软件设计。每一个部分并不是独立的，3 个主要部分的设计环环相扣。硬件设计部分中的检测仪控制模块、无线数据接收模块和数据采集模块安装在检测仪机身中，硬件部分使用无线接收模块接收到软件模块发出的指令，通过匹配软件部分和硬件部分之间的通信协议，来实现机械部分的动作。对每一个部分都提出了详细的设计方案，并对这一方案进行分析和拆解。

该检测仪在大庆油田大型储罐涂层检测上得到应用，受到用户和质量监测部门的一致好评。