天然气管道内径激光测量系统实验研究

曹建树，曹 振，李魁龙

（1.北京石油化工学院 机械工程学院，北京 102617；2.大庆油田有限责任公司第一采油厂，黑龙江 163001）

机器人技术

天然气管道内径激光测量系统实验研究

曹建树1，曹 振1，李魁龙2

（1.北京石油化工学院 机械工程学院，北京 102617；2.大庆油田有限责任公司第一采油厂，黑龙江 163001）

基于自主研制的模块化管道机器人作为运动和检测平台，采用激光三角法对天然气管道内置凸起、凹陷缺陷进行快速、高精度、非接触内径测量实验，提取管道变形数据，剔除粗大误差进行坐标修正，并经过数据处理绘制缺陷波动曲线和二维坐标重构图像。对比实验结果，该管道检测机构宽度、高度检测精度均在0.1mm内，较通径仪法和超声法的毫米级测量精度提高一个数量级。

激光；天然气管道；内径测量；误差

0 引言

截至2014年底，我国已建油气管道总里程约11.7万千米[1]。由于受地壳运动、人为破坏和服役时间过长等原因，管道出现不同程度的变形，进而引发各种事故。我国规定新建管道必须在1年内检测，以后视管道安全状况每1～3年检测1次[2]。大内径的自动化测量是工业中常见的难题[3]，现有的测口板检测方式各有优劣，不能完全反映管道建设过程中的变形情况[4]。激光三角测量法是一种非接触式位移测量法，广泛应用于物体位移、壁厚、圆度检测[5]。基于激光的天然气管道内表面测量技术是通过装载有激光传感器的检测机构深入天然气管道中非接触采集管道内壁信息，再通过数据处理得出管道内壁变形、腐蚀、裂纹等缺陷尺寸和还原管道内壁情况。

1 检测模块组成及工作原理

实验载体为管道机器人，采用模块化结构设计，如图1所示，主要包括牵引模块，检测模块，电子舱辅助模块。图2为检测模块三维模型，主要由支撑筒体、支撑机构、旋转臂组件等组成。支撑机构分成3组，圆周方向间隔120°均匀分布，每组长连杆与底座和辅助轮支撑架组成平行四连杆机构，保证同组两个长支撑杆运动一致，保证同组中两个行走轮在同一平面上运动，并适应不用的管径。传感器安装在旋转臂上，通过控制电机带动旋转臂完成管壁圆周扫描。检测模块采用ZLDS-100激光位移传感器，起始测量距离为25mm，量程为10mm，精度为±0.01%，分辨率为15nm，线性度为0.1%，响应频率为180kHz。

图1 管道机器人实物图

图2 检测机构三维模型

检测模块中的激光三角检测系统由半导体激光发生器、透镜、透明窗和光敏接收元件（CMOS）组成[6,7]。半导体激光器发出的激光束经过会聚透镜，穿过透明窗后在照射到管道内壁，由光反射作用经过接收透镜在CMOS阵列上成像，信号处理器通过三角函数关系分析CMOS阵列上光点信息，即可得到对应截面点缺陷信息，原理图如图3所示。

图3 激光三角测量原理图

首先根据检测要求，对激光位移传感器轴向距离Z坐标及激光点在管壁方向角度坐标X、Y进行标定，再通过步进电机控制旋转臂旋转角度，经过数据处理得出任意旋转角度下激光点在局部坐标系中的X、Y坐标，利用伺服电机控制检测机构在管道中的位置，根据里程轮记录传感器在管道中的轴向Z坐标。随着机器人沿管道前进和测量旋转臂旋转，管道检测机构完成管道内壁的扫描测量。测量流程如图4所示。

图4 测量流程图

图5 缺陷示意图

2 实验及结果分析

2.1 内部凸起障碍检测

实验以一个长方体标准块作为高凸缺陷，对长方体标准块宽度10次测量，高度10次测量值，人为缺陷如图5所示。对此缺陷进行多次扫描测量实验，选取其中10组数据进行数据分析处理，得出管道半径及缺陷尺寸测量结果如表1所示。

根据误差观察法，残余误差无明显变化情况，可以判断测量数据无系统误差存在，根据贝塞尔公式计算测量数据标准差。

式中求极限误差采用t分布，取α=0.01，查t分布表得tα=1.372，平均值的极限误差为：

表1 长方体标准块缺陷测量数据 （单位：mm）

剔除最大误差法可得，半径R测量结果为：

半径测量误差：

修正后半径测量结果为：

修正后半径测量误差：

同理，缺陷宽度W测量结果为：

宽度误差为：

缺陷高度H测量结果为：

高度误差为：

图6 管道半径测量值与真实值对比图

图7 缺陷高度测量值与真实值对比图

图8 缺陷宽度测量值与缺陷真实值对比图

图9 修正前后管道极坐标截面重构图像

根据数据分析：管道半径直接测量值与真实值相比差0.0637mm，修正后测量值与真实值相比差0.0619mm，修正后测量误差减小2.83%。缺陷宽度传感器测量值与游标卡尺测量值差为0.032mm，缺陷高度传感器测量值与卡尺测量值为0.01mm。修正前圆度误差为2.7605mm，修正后圆度误差为0.7214mm，误差减小73.86%。图6为管道半径测量值与真实值对比图，图7为缺陷高度测量值与缺陷真实值对比图，图8为缺陷宽度测量值与缺陷真实值对比图，图9为修正前后管道截面重构图像。

2.2 内壁腐蚀凹陷检测

为了验证管道检测机器人激光检测机构对内壁腐蚀凹陷缺陷的测量精度，实验采用电火花加工在管道内壁人工制造腐蚀缺陷。对管道同一截面进行多次扫描测量，每个截面取16000个采样点，计算腐蚀缺陷宽度值和高度值，测量数据如表2所示。

表2 腐蚀缺陷测量数据 （单位：mm）

宽度实际测量值：

通过剔除误差法，去除误差点1、4、5后，求得缺陷宽度W测量结果为：

宽度测量误差值为：

缺陷高度真实测量值结果为：

缺陷高度H测量结果为：

缺陷高度测量误差ΔH为：

根据数据分析：缺陷宽度测量值与真实值相差为3um，测量值极限误差波动较大，主要是由激光点在腐蚀缺陷与管壁非缺陷过渡区的棱边反射偏差引起，导致宽度测量时采样点丢失，从而引起极限误差波动大。缺陷高度测量值与真实值之差为0.006mm，是因为缺陷高度真实测量中采用卡尺测量，首先卡尺不能像激光点一样精确测到缺陷最深处，其次卡尺测量精度没有激光传感器精度高，所以存在误差。绘制检测缺陷宽度波动曲线如图10所示，腐蚀缺陷高度波动曲线如图11所示。

图10 腐蚀宽度测量值波动曲线

图11 腐蚀缺陷高度测量值波动曲线

根据测量数据重构管道缺陷截面极坐标图像，由于腐蚀缺陷大小相对于管道直径很小，很难清晰辨别缺陷位置，绘制截面图像半径值为真实值减去160mm，修正前后极坐标重构图像如图12所示，对比能反映出缺陷有向外的凸起及位置，修正后的图像更加靠近中心，距离标准分度圆的距离偏差更小，测量精度更高。

图12 修正前后管道极坐标截面图像

3 结论

针对管道检测的需求，本文提出利用自主研制的模块化管道机器人，基于非接触的激光三角法原理对天然气管径进行凸起缺陷和凹陷腐蚀缺陷检测实验研究。利用剔除粗大误差和坐标修正法，经过数据处理、拟合得出被测管道宽度、高度测量值和修正前后半径值、圆度值，并绘制缺陷波动曲线、二维极坐标重构图像。通过与真实值对比，表明该管道检测机构宽度、高度检测精度均在0.1mm内，较通径检测仪法和超声法的毫米级测量精度有很大提高，对我国天然气管线内径检测及保障其安全运行有重要的借鉴意义。

[1] 高鹏,王培鸿,王海英,等.2014年中国油气管道建设新进展[J].国际石油经济,2015,23(3):68-74.

[2] 盛华仁.石油天然气管道安全监督与管理暂行规定[J].中华人民共和国国务院公报,2000,31(02):18-21.

[3] 孟旭,张锁怀,万武勇,等.一种大尺寸孔轴线非接触测量方法研究[J].机械设计与制造,2013(1):92-94.

[4] 张福民,曲兴华,刘红轩.激光内径测量系统参数校正及算法优化[J].纳米技术与精密工程,2011,9(5):459-463.

[5] 沈磊,李顶根,褚俊,朱鸿茂.激光三角法位移测量中数字散斑相关法的研究[J].红外与激光工,2014,0(1):288-293.

[6] 王晓嘉,高隽,王磊,等.激光三角法综述[J].仪器仪表学报,2004, 25(z3):601-604.

[7] 于雷,刘薇娜,吴海红,等.激光三角位移传感器信号采集系统设计[J].机械设计与制造,2012(5):225-227.

Experimental study on inner diameter measurement system of natural gas pipe with laser

CAO Jian-shu1, CAO Zhen1, LI Kui-long2

TE9

A

1009-0134(2016)12-0068-04

2016-08-02

曹建树（1971 -），男，内蒙古丰镇人，副教授，博士，研究方向为油气管道检测机器人技术研究。