英國的創新機器人通過從管道內部進行檢測測量,消除了輸氣管道挖掘對物流運輸和環境的影響。為了承受管道內的極端條件,機器人底盤選用了2507超級雙相不銹鋼。
想要理解GRAID項目(Gas-robotic agile-Inspection Device,油氣管道機器人迅捷檢測裝置)的巨大價值,需要對過去進行一下回顧。國家油氣輸送系統始建于20世紀60年代,到2030年,超過60%的輸氣系統將超過其預期壽命,因此腐蝕和泄漏的風險增加。到目前為止,對于傳統管道檢測儀或管道豬無法接近的壓力管道部分,評估其狀況的唯一方法是通過地上勘測和資產壽命建模。這些方法需要挖掘管道,成本高昂且破壞環境。所以,需要一種遠程控制的機器人檢測裝置,它可以在不清掃管道的情況下檢查管道的狀況。
這項630萬英鎊的項目于2015年開始,由英國天然氣和電力市場辦公室提供管網創新競賽資金。其目的是設計一種敏捷的機器人檢測裝置,能夠檢測長約350公里、無法清管的管道,該管道連接英國輸氣管網中的200個高壓裝置。這個首創的機器人平臺必須能在極其苛刻的物理條件包括高流速、活性氣體和高達100 barg的壓力,相當于通常潛艇所承受最大壓力的5倍以上。
這個在線檢測項目提出了許多復雜的工程挑戰。機器人一旦進入高壓管道中,它必須在蜿蜒曲折的管道系統中穿行,這本身就是一個挑戰。管道系統中充滿了障礙,包括急彎、傾斜、下降和變徑。在這個充滿活性氣體的高壓迷宮中,機器人對深埋的管道進行了目視和壁厚的測量,然后數據被轉換為有意義的圖片進行分析。
為了確保檢測機器人能夠在管道內惡劣環境中工作,進行了大量的測試。
國家電網公司與三家公司合作完成了這一項目:Premtech公司繪制了地圖,為機器人進行地下跟蹤創建了GPS導航,并設計了投放和回收裝置以及測試裝置;管道工程師通過一系列復雜的計算將測量結果轉化為相關數據,Synthotech公司,為這個世界首創項目設計和制造了特殊機器人。
英國國家電網公司利用管道機器人檢測裝置,詳細了解了管道工程的狀況,獲得了可靠的數據。有了檢測機器人,管道的運行管理、維護和更換更具成本效益,并減少了對社區的破壞。檢測機器人現已投入運營,預計在20年內可節省成本超過6000萬英鎊。不僅節約財政資源,每年還可降低約2000噸的碳排放,相當于英國近500戶家庭的碳排放量。
設計這個創新的機器人用了兩年時間。最終的設計必須能承受高壓輸氣管道內的條件。天然氣在高壓力下呈液態,因此流體動力學很重要。當天然氣流量達到峰值時,相當于一個200公斤的力在推動機器人,因此機器人必須有很高的強度,同時還具有彈性。
項目工程師最初從大自然——海豚身上獲得靈感,為機器人創造出最具活力的外形,以及在高流速條件下使用的特殊皮膚。而隨著項目的進展,研究小組意識到機器人較大的底盤影響了其靈活性。重新設計后,采用了雙底盤模塊的方法,兩個定制的底盤將所有的電子裝置保護起來。這樣設備可以在狹小的幾何空間穿行。機器人利用磁道(正在申請專利)附著在管壁上,它能沿著管道的側面向上行進,避開障礙物,而不僅僅是沿著管道底部移動。
如果沒有超強的金屬底盤來支撐所有的控制系統、電子設備和攝像裝置,則這個機器人檢測裝置就不可能實現。機器人必須能經受它遇到的任何情況,這一點至關重要,尤其是當它拖著一條經過特別設計、長100米的臍帶纜時。臍帶纜包含所有必要的電纜,能夠操作和反饋實時圖像。Synthotech公司高級首席工程師兼研發負責人約翰·懷特解釋了開發機器人系統遇到的挑戰,回答了為什么底盤選用了含3.6%鉬的超級雙相不銹鋼。
“世界上還沒有人設計出可在高達100 barg壓力的環境中使用的機器人,管道內還有活性氣體,這對我們來說是個很大的挑戰。支撐機器人的底盤的強度也許是它成功的關鍵”。
正在開發中的GRAID機器人的前底盤
“當時有很多材料可供選擇,但我們選擇了一種超級雙相不銹鋼牌號--2507,原因有很多。這個超級雙相不銹鋼含鉬,提供了我們所需要的強度。這個不銹鋼牌號價格較昂貴,但所獲得的好處證明這個選材是物有所值的”。
項目團隊也考慮過碳鋼等其它材料。但就滿足苛刻的標準而言,所選的含鉬雙相不銹鋼展現出自己的價值,并在整個測試中達到預期的效果。
2023年,在對定制的投放和回收容器進行成功試驗之后,對機器人的測試工作加速。測試按照很嚴格的標準進行,包括在100 barg的壓力下工作,行進100米的距離并同時收集目視檢查和壁厚測量數據,這對于機器人來說肯定不是一項簡單的任務。GRAID機器人檢測裝置擁有復雜的電子和控制系統,包括四個獨立的驅動電機、一個臍帶管管理系統、七個傳輸實時圖像的攝像裝置和一個帶有電磁傳感器的移動臂。正是移動臂上的這些傳感器測量出管壁厚度并識別出任何的腐蝕。
此外,2023年GRAID項目團隊還達到了另一個重要里程碑。GRAID管道檢測機器人成功地穿行了一個特制的試驗臺,有90度彎頭、等徑三通和變徑段以及45度傾斜部分。每一次測試之后,機器人都被帶回投放容器進行目視檢查。機器人必須能返回投放容器(有時還要頂著管道中流體),以避免開挖重要管段完成回收任務這一代價高昂的做法。2021年末,國家電網天然氣公司對多個輸氣站點進行了廣泛測試,確認該系統尤其是機器人,達到了預期目的,并準備投入使用。
特制的試驗臺,帶有90度彎頭、等徑三通和變徑段和一個45度的傾斜部分。
GRAID項目最初只是一個有關管道的夢想,但通過專業公司的合作和含鉬雙相不銹鋼的使用,這個優雅的機器人系統變成了現實。最重要的是,它幫助國家電網公司運行著一個更安全、更可靠、更高效的油氣輸送系統。到目前為止,僅英國實施采用了這項技術。然而,這種機器人檢測裝置可以用于世界各地帶有無法清管管段的管道系統。這對天然氣和水資源保護可能具有重大意義。無論這些精巧的管道機器人最終結果如何,鉬都將發揮重要作用,以確保管道機器人裝置在充滿挑戰性的環境條件下具備優良的性能。
