管道机器人在石油工业中的应用

管道机器人是一种可在管道内、外行走的机电一体化装置，它可以携带1种或多种传感器及操作装置(如CCD摄像机位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道接口焊接装置、防腐喷涂装置等操作装置)，在操作人员的远距离控制下进行一系列的管道检测维修作业。一个完整的管道机器人系统应由移动载体(行走机构)、管道内部环境识别检测系统(操作系统)、信号传递和动力传输系统及控制系统组成。其中移动载体和管道内部环境识别检测系统是管道机器人系统的核心部分。

石油工业中应用了各种类型的管道，包括油气长距离输送管道、油田内部集油管道、注水管道、供水管道、石化工厂中传递各种介质的管道。这些管道在长期使用过程中会受到管内外介质的作用而产生腐蚀、结垢、裂纹、穿孔等导致管道失效, 影响油气生产的正常进行。随着油气工业的发展，管道机器人技术将被更加广泛地应用在石油工业管道上。

从20世纪50年代起，为满足长距离管道运输、检测的需要，美、英、法等国相继展开了管道机器人的研究，其最初成果就是一种无动力的管内检测设备，一般译名称“管道猪”( Pipe Pig)。该设备依靠其首尾两端管内流体形成的压力为驱动力，随着管内流体的流动向前运动。它是一种被动的无自主动力的检测设备，依靠外力的作用而实现在管道中移动。随着计算机、传感器、控制理论及技术的发展，近些年来，人们开始研究采用具有自主动力的机器人来进行管道检测。这种管道机器人能在管道中自主行走，可以准确接近管道的故障截面，获得故障状况的可靠信息，精确到达操作位置。

                     图1. 管道猪

油气输送管道机器人

油气输送管道一般称长输管道，是一种长距离输送油气的管道。最初的管道机器人是随着长输管道技术的发展而来的。在长输管道检测中，“管道猪”是一种简单的检测机器人系统。它有2个基本类型：即用于清理管道和检测的简单型式“管道猪”和集移动平台与检测元件结为一体的复杂型式“管道猪”。简单型式的“管道猪”基本上可以看作一个在管道中移动的活塞，活塞由其首尾两端管内流体形成的压力来驱动。当后面的流体压力大于前面的压力时，在压差的作用下，“管道猪”就克服了本体与管壁间的摩擦阻力而向前运动。

日本东京电力株式会社研制了一种简单型式“管道猪”。它具有沿管线全程测量内径、识别弯头部位、测量凹陷等变形部位以及管道圆度的功能，并可以把检测结果和检测位置一起记下来。这种“管道猪”的两端各安装1个聚氨酯密封碗，后部密封碗内测环向排列的伞形探头与管壁接触,测量各半径的变形，并与行走距离仪的旋转联动，以便使装在“管道猪”内部的记录仪记录数据。

复杂型式“管道猪”中的检测元件包括简单的机械卡尺、高级电子设备及光数据存储器。随着这种复杂型式“管道猪”平台的发展，人们把这种管道检测工具称之为智能管道猪( Smart Pigs)。完整的智能管道猪包括电源部分、数据存储部分和用于检测管道故障的高级无损检测传感器。Smart Pigs有多种检测管道故障方法，像利用超声传感器检测、涡流传感器检测、声敏元件检测和磁通泄漏检测等。Smart Pigs的检测技术在近些年来有了很大的发展，其中磁通泄漏是目前最流行的无损检测技术。

油气井机器人

油井是一种径向尺寸窄小、深入地下、内含油、水、气、泥砂等介质的生产系统。由于油气井的径向空间非常狭小、而且高温、高压，井底下还有油、油气、水气、泥砂等高压混合物介质，这决定了检测仪器送进成为油井测井作业和修井作业中一项关键技术。

目前，井下送进设备主要有缆绳送进和连续油管送进。缆绳是一种应用于垂直井的简单送进设备，其操作方法是把探测仪器连在缆绳上，在探测仪器自重的作用下，依靠地面提升装置进行简单上升和下降操作来实现探测仪器检测。定向井和大位移水平井的发展对测井、修井等井下作业探测仪器送进技术提出了越来越高的要求，利用连续油管操作可完成对定向井和大位移水平井的井下送进工作。其操作过程是将仪器直接安装在盘在滚筒上的挠性管尾端，挠性管内部预先装入电缆，通过下放或缠绕挠性管来推动仪器移动。该系统需要使用的特殊配套设备少，在很多油田取得到了很好的作业效果。近10年来，国外正在研究利用管道机器人来执行井下作业。现有的设备都是以缆线为动力源，依靠自身带有的电动机提供动力或井中流体作为动力，能够在井中主动行走，可将井下仪器送到准确位置。这种井下机器人又称作井下拖拉机( Down Hole Tractor)，也称井下牵引器。根据其驱动方式的不同又分为伸缩(爬行) 式井下拖拉机、轮式井下拖拉机、高压射流反冲式井下拖拉机和螺旋桨推进式井下拖拉机。

油气管道机器人的应用前景

油气管道机器人技术是油气管道技术的研究热点。长输管道的“管道猪”检测技术相对其他油气管道机器人发展得比较成熟，但其智能化、模块化和管道适应性不够。油气井机器人技术正处在发展的初级阶段，尽管国外一些公司已推出产品， 包括视像探测装置、井下拖拉机等, 但其井下探测的工作质量，井下动力与井下操作的可靠性，对不同类型井通道的适应性等方面都需要进一步研究和发展。油田与石化企业的各种管道机器人技术，无论是在管道内部工作还是在管道外部工作的机器人，都处于刚刚起步阶段。管道机器人系统是一种融合了多种先进技术的机电一体化装置，随着现代制造技术、通信技术、控制技术、传感技术、智能技术等技术领域的发展，必将推动机器人技术在油气管道技术领域中的广泛应用与发展。

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