管道智能检测

近日，清华大学机械系现代机构学与机器人化装备实验室研发了一种可在亚厘米级管道中高效运动的管道探测机器人。在航空发动机和炼油机等复杂系统中，有大量用于输送水、气体和油的管道。通常，这些管道具有各种直径、变化的曲率，并覆盖较长的距离。为确保它们处于良好的工作状态，需要定期从外部和内部进行管道检修。目前已开发的各种管道巡检机器人包括轮式、腿足式、履带式等运动机构，多采用电磁电机驱动，适用于大口径管道的检测。当涉及到直径小于一厘米的微细管道时，机器人的尺寸很难按比例缩小。微型管道机器人在弯曲管道中行进本项工作提出了一种智能材料驱动的微型管道检测机器人（重量 2.2 克，长度 47 毫米，直径管道机器人在多介质、多材质、变管径的复杂管道中行进和探测论文第一作者为清华大学机械工程系博士后汤超，通讯作者为机械工程系副教授赵慧婵，其他作者包括机械工程系教授刘辛军和2021级博士生杜伯源、2018级博士生姜淞文、2019级硕士生邵琦、2019级博士生东旭光。该团队多年来一直专注于机器人领域相关研究。本项工作受到了国家自然科学基金青年基金、面上项目以及共融机器人重大研究计划等项目的支持。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abm8597

8月1日，西气东输二线正式向深圳供气，此前不久，西气东输三线数个路段也相继宣布开始建设。按照“西气东输”工程规划，到2015年西三线全线贯穿，一个贯通中亚、纵横我国东西南北的天然气基础管网将形成。而为这个近4万公里“气化中国”能源大动脉作管道损伤安全检查的仪器，却起始于国家自然科学基金资助的数个基础研究小项目。 　　“猪”小本领大 　　2011年11月，由沈阳工业大学信息科学与工程学院教授杨理践课题组自主研制的，大孔径输气管道内检测设备在我国输气管道干线——西气东输二线了敦至烟墩段管道现场测试获得成功。 　　这也是该团队继自主研制输油管道内检测设备后，又一填补我国高压力输气管道内检测设备研制空白之作。 　　管道是传输油气资源的主要方式，目前我国已投入运行的长距离油气输送管道近3万公里，很多输油气管线已使用十多年，存在不同程度的腐蚀、磨损和意外损伤。 　　2004年11月，延安市宝塔区南泥湾境内的靖—咸输油管道老化爆裂，造成原油泄漏1000多吨，直接经济损失400多万元，周边数十亩农田被污染。 　　2004年7月23日，广州市开发区下元新村一输油管道老化爆裂，泄漏后又两次起火爆炸，外流原油8吨 仅隔一日，中国石油管道公司大连输油分公司位于石房店市土城乡的输油管道老化爆裂，事故造成上千吨原油泄漏，附近区域的地下水安全受到威胁。 　　2003年7月，沈阳发生石油管道泄漏事故，仅抢修费用就达200万元，泄漏还造成大量能源浪费和严重环境污染。有专家估计，由此引起的生态破坏15年内不可能恢复。 　　类似的例子不胜枚举，过去一个时期，国家每年因油气管道泄漏而造成的经济损失达亿元。输气管道泄漏的危害远甚于输油管道，这些隐患如不能及时排除，一旦发生事故将造成巨大经济损失并带来生产安全、环境污染和能源损失问题。 　　管道安全运行的首要条件是管道损伤检测，确定管道的腐蚀、缺陷程度，为管道运行、维护、安全评价提供依据。但管道检测也是一个公认的难题，国际上通行的方法是采用管道在线检测设备(因为它在管道里行走时哼哼作响，出来时全身是油，俗称“智能管道猪”)来解决。国际上这方面的研究已有40多年的历史，但检测技术被美、英、德等几家跨国公司掌握，他们对所有与检测相关的东西，包括仪器、相关技术内容都严格保密。 　　管道亦赛场 　　“目前国内还没有类似仪器，就是和国际几家大公司的仪器相比，我们的检测精度和速度也毫不逊色。”近日，杨理践对《中国科学报》记者说，“该仪器的原理是检测漏磁，只要管道有损伤，仪器就能检测出来。” 　　长输油气管道内检测技术是无损检测、数据处理、超低频通讯、机械、流体力学、金属材料、非金属材料、油气储运等多学科交叉融合的技术，所涉及的各个关键技术环节均被国外公司视为独门绝技所垄断，不进行专利申报和学术交流。 　　国际管线检测设备被美德几家公司垄断，1套设备少则数百万美元，多则上千万美元。 　　2001年，在国家自然科学基金项目“高精度管道漏磁在线检测系统研究”的基础上，杨理践团队研制出拥有自主知识产权的检测仪器，该仪器的造价和检测费用均是国际同类产品的1/8，大大平抑了国外公司对我国管道检测的报价。 　　2000年，四川输气公司仅对管线进行些实验性的检测，就耗资数十万美元。2001年，新疆油田油气储运公司准备将一段63公里长的输油管道改为输气管道，这条管道已服役10年，且输气运行压力大于输油，各项安全指标要求也高于输油，但如果重铺新管道，耗资高达6000万元。在是否新建管道问题上，该公司技术专家们分歧较大。此后，新疆三叶管道有限公司运用杨理践团队研制的管道漏磁在线检测系统对该线路进行检测，发现存在10处重度腐蚀，50处中度腐蚀。在此基础上，后期管道修复仅用了300万元，既节约了大量资金，又保障了生产安全。 　　“(跨国公司)即使对我国出口设备，也不出让管道检测数据的分析权，这意味着我们购买设备后，还要付每公里1万美元的费用请供货方来人检测分析。”杨理践说，“前几年有一项工程，国外公司已经采取和国内一样的标价来竞争，他们想方设法要挤垮我们，因为他们不希望我们存在。” 　　杨理践团队在理论分析、仿真计算、反复模拟和工程试验基础上研制的输油管道在线检测仪器打破了国际垄断。从2002年开始，该仪器先后在大庆油田、吉林油田、四川气田、新疆油田进行检测工程工作，取得了良好效益。2010年对建成30多年的鲁宁线管道全线检测中，检出1万多处管道腐蚀缺陷和损伤，间接创造20余亿元人民币的经济效益。 　　在2011年11月杨理践团队进行的大孔径输气管道内检测设备现场测试中，国际著名管道内检测公司美国GE-PII公司和德国ROSEN公司的代表也参与了测试，这表明在输气管道内检测设备研制技术角力中，我国又一次跑到国际前列。 　　安全背后的科学基金 　　“跨国公司对此进行严格的技术垄断，我们只能从零开始，从基础理论做起，因此在这项研究上，国家自然科学基金起到了至关重要的作用。”杨理践说。 　　在国家自然科学基金的支持下，杨理践的团队完全从基本原理出发，开始从仪器原理到技术、工程问题的研究。在2000年国家自然科学基金信息学部主任基金、2002年国家自然科学基金面上项目、2003年国家自然科学基金仪器专项基金的资助下，杨理践团队进行了漏磁机理研究、传感器设计、检测速度影响研究，完成了多个型号高精度管道漏磁在线检测装置研制。他们进行了高清晰度漏磁检测传感器的设计研究，海量存储器数据处理技术的研究 建立了管道漏磁检测装置的有限元模型，确定了各种因素对漏磁检测信号的影响 建立了检测器速度变化效应的信号补偿的新方法 建立了缺陷信号处理分析的方法，能对不同的缺陷信号进行识别，有力推进了我国长管道输油气管道检测技术的发展和应用。 　　为解决长距离、高速管道探伤中的磨损问题，该团队又进行了高速运行耐磨技术，高导磁耐磨材料，弱磁激励检测理论的研究。为解决仪器在管道检测中被卡住和数据贮存的问题，该团队进行了低限制通过能力的研究，探头小型化、数字化，缺陷描述模型，小波特征提取、神经网络识别等基础研究。 　　在成果鉴定会上，专家一致认为，该研究为我国管道检测技术参与国际竞争提供基础理论与技术支撑，研制的管道探测仪器主要指标方面达到了国际先进水平，使我国拥有了独立知识产权的“智能管道猪”，并成为国际上少数能进行这方面研究、制造和服务的国家之一。

table width=" 633" cellspacing=" 0" cellpadding=" 0" border=" 1" tbody tr style=" height:25px" class=" firstRow" td style=" border: 1px solid windowtext padding: 0px 7px " width=" 130" height=" 25" p style=" line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 成果名称 /span /p /td td colspan=" 3" style=" border-color: windowtext windowtext windowtext currentcolor border-style: solid solid solid none border-width: 1px 1px 1px medium border-image: none 100% / 1 / 0 stretch padding: 0px 7px " valign=" bottom" width=" 503" height=" 25" p style=" text-align:center line-height:150%" strong span style=" line-height:150% font-family:宋体" 油气管道缺陷漏磁成像检测仪 /span /strong /p /td /tr tr style=" height:25px" td style=" border-color: currentcolor windowtext windowtext border-style: none solid solid border-width: medium 1px 1px border-image: none 100% / 1 / 0 stretch padding: 0px 7px " width=" 130" height=" 25" p style=" line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 单位名称 /span /p /td td colspan=" 3" style=" border-color: currentcolor windowtext windowtext currentcolor border-style: none solid solid none border-width: medium 1px 1px medium padding: 0px 7px " width=" 503" height=" 25" p style=" line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 清华大学 /span /p /td /tr tr style=" height:25px" td style=" border-color: currentcolor windowtext windowtext border-style: none solid solid border-width: medium 1px 1px border-image: none 100% / 1 / 0 stretch padding: 0px 7px " width=" 130" height=" 25" p style=" line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 联系人 /span /p /td td style=" border-color: currentcolor windowtext windowtext currentcolor border-style: none solid solid none border-width: medium 1px 1px medium padding: 0px 7px " width=" 164" height=" 25" p style=" line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 黄松岭 /span /p /td td style=" border-color: currentcolor windowtext windowtext currentcolor border-style: none solid solid none border-width: medium 1px 1px medium padding: 0px 7px " width=" 158" height=" 25" p style=" line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 联系邮箱 /span /p /td td style=" border-color: currentcolor windowtext windowtext currentcolor border-style: none solid solid none border-width: medium 1px 1px medium padding: 0px 7px " width=" 181" height=" 25" p style=" line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" huangsling@tsinghua.edu.cn /span /p /td /tr tr style=" height:25px" td style=" border-color: currentcolor windowtext windowtext border-style: none solid solid border-width: medium 1px 1px border-image: none 100% / 1 / 0 stretch padding: 0px 7px " width=" 130" height=" 25" p style=" line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 成果成熟度 /span /p /td td colspan=" 3" style=" border-color: currentcolor windowtext windowtext currentcolor border-style: none solid solid none border-width: medium 1px 1px medium padding: 0px 7px " width=" 503" height=" 25" p style=" line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" □正在研发& nbsp & nbsp □已有样机& nbsp & nbsp □通过小试& nbsp & nbsp □通过中试& nbsp & nbsp √可以量产 /span /p /td /tr tr style=" height:25px" td style=" border-color: currentcolor windowtext windowtext border-style: none solid solid border-width: medium 1px 1px border-image: none 100% / 1 / 0 stretch padding: 0px 7px " width=" 130" height=" 25" p style=" line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 合作方式 /span /p /td td colspan=" 3" style=" border-color: currentcolor windowtext windowtext currentcolor border-style: none solid solid none border-width: medium 1px 1px medium padding: 0px 7px " width=" 503" height=" 25" p style=" line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" □技术转让& nbsp & nbsp & nbsp □技术入股& nbsp & nbsp & nbsp √合作开发& nbsp & nbsp & nbsp □其他 /span /p /td /tr tr style=" height:113px" td colspan=" 4" style=" border-color: currentcolor windowtext windowtext border-style: none solid solid border-width: medium 1px 1px border-image: none 100% / 1 / 0 stretch padding: 0px 7px " width=" 633" height=" 113" p style=" line-height:150%" strong span style=" line-height:150% font-family: 宋体" 成果简介： /span /strong /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/535b780e-209f-499c-8eac-4b2660e45d03.jpg" title=" 1.png" style=" width: 400px height: 244px " width=" 400" vspace=" 0" hspace=" 0" height=" 244" border=" 0" / /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/66d725c7-b535-4688-a237-f7d2519803e6.jpg" title=" 2.png" style=" width: 400px height: 267px " width=" 400" vspace=" 0" hspace=" 0" height=" 267" border=" 0" / /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 油气管道缺陷漏磁成像检测仪是由 strong 清华大学黄松岭教授科研团队 /strong 结合多年的管道电磁无损检测理论研究与工程经验，设计并研发的可 strong 针对不同口径 /strong 油气管道进行缺陷检测的系列化产品。 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 油气管道缺陷漏磁成像检测仪采用本项目开发的先进的 strong 复合伸缩式柔性采集技术 /strong ，能够保证检测仪在强烈振动、管道局部变形等情况下与管道全方位有效贴合，在越障、管道缩径、过弯等特殊工况下表现出优异性能，并通过 strong 分布式磁路结构 /strong 优化和 strong 并行数字采集 /strong 单元实现了检测仪的轻型化、智能化。 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 相比于国内外同类检测仪器，本项目油气管道缺陷漏磁成像检测仪在诸多关键技术指标上具有明显优势，检测仪能适应的管道 strong 最小转弯半径为1.5D /strong （D为管道外径）， strong 管道变形通过能力为18%D /strong ， strong 缺陷检测灵敏度为5%t /strong （t为壁厚），性能指标处于国际领先水平。 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 检测仪还配套开发了 strong 数据自动分析智能专家系统 /strong ，能够对对管道缺陷及附属特征进行 strong 自动识别、量化、成像与评估 /strong ，支持先验判断和人工辅助分析，并基于管道压力评估和金属损失评估，提供在役管道评估维修策略。缺陷 strong 长度量化误差小于8mm、宽度量化误差小于20mm、深度量化误差小于10%t /strong 。 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 基于本项目的关键技术，已 strong 授权国内外发明专利112项 /strong ， & nbsp 形成了完整的自主知识产权体系。开发的系列化油气管道缺陷漏磁成像检测仪已应用于西气东输、胜利油田、加拿大西部油气管道等国内外检测工程中，积累了丰富的仪器研发和工程检测经验，项目技术还可推广应用于铁路、钢铁、汽车、核能、航天等领域。 /span /p /td /tr tr style=" height:75px" td colspan=" 4" style=" border-color: currentcolor windowtext windowtext border-style: none solid solid border-width: medium 1px 1px border-image: none 100% / 1 / 0 stretch padding: 0px 7px " width=" 633" height=" 75" p style=" line-height:150%" strong span style=" line-height:150% font-family: 宋体" 应用前景： /span /strong /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 油气管道缺陷漏磁成像检测仪适用于电磁无损检测领域，主要应用在石油和天然气输送管道的在线缺陷检测工程中，可及时发现油气管道的腐蚀缺陷以便采取积极措施进行修复，保障油气管道的正常运行、油气资源的安全输送。且本项目的关键技术成果还可推广应用于铁路、钢铁、汽车、核能、航天等领域的铁磁性构件的缺陷检测，如动车空心轴、金属管棒材、活塞杆、核电换热管、航空复合管等，对诸多行业的设备结构健康安全检测有积极的推动作用。 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 经贸委于2000年发布《石油天然气管道安全监督与管理暂行规定》，要求“新建管道必须在一年内检测，以后视管道安全状况每一至三年检测一次”，相比于国外工程检测，本项目工程检测费用仅为国外检测费用的三分之一，具有较强的竞争优势。且本项目开发的系列油气管道缺陷漏磁成像检测仪已在西气东输、胜利油田、加拿大西部油气管道等众多油气管道检测工程中应用，积累了丰富的工程检测经验，缺陷识别准确率高、用户反馈良好。近年来，在“一带一路”战略框架下，我国将进一步加大与周边国家在油气领域的战略合作，这对油气安全输送与管道缺陷检测提出了更高的要求，且随着越来越多的油气管道投入运行和在役管道使用年限的增长，以及本项目开发的系列油气管道缺陷漏磁成像检测仪在检测性能、价格等方面的诸多优势，将拥有更多的工程检测需求和更广阔的市场应用前景。 /span /p /td /tr tr style=" height:72px" td colspan=" 4" style=" border-color: currentcolor windowtext windowtext border-style: none solid solid border-width: medium 1px 1px border-image: none 100% / 1 / 0 stretch padding: 0px 7px " width=" 633" height=" 72" p style=" line-height:150%" strong span style=" line-height:150% font-family: 宋体" 知识产权及项目获奖情况： /span /strong /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 研发的油气管道缺陷漏磁成像检测仪具有自主知识产权，围绕油气管道检测理论研究及仪器研发核心关键技术，申请并授权了国内外发明专利112项，开展的相关项目获得多项省部级及行业奖项。 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" strong span style=" line-height:150% font-family:宋体" 知识产权情况： /span /strong /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" strong span style=" line-height:150% font-family:宋体" 中国发明专利： /span /strong /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 海底油气管道缺陷高精度内检测装置，ZL201310598517.0 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 一种全数字化高精度三维漏磁信号采集装置，ZL201310460761.0 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 油气管道缺陷内检测器里程测量装置，ZL201310598590.8 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 管道三维漏磁成像检测浮动磁化组件，ZL201410281568.5 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 浮动式管道内漏磁检测装置的手指探头单元，ZL201310598515.1 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 三维漏磁检测缺陷复合反演成像方法，ZL201510239162.5 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 管道三维漏磁成像缺陷量化方法，ZL201410799732.1 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 基于交直流复合磁化的漏磁检测内外壁缺陷的识别方法，ZL200810055891.5 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 基于三维有限元神经网络的缺陷识别和量化评价方法，ZL200610164923.6 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 管道腐蚀缺陷类型识别方法，ZL200410068973.5等 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" strong span style=" line-height:150% font-family:宋体" 美国发明专利： /span /strong /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" IMAGING METHOD AND APPARATUS BASED ON & nbsp MAGNETIC FULX LEAKAGE TESTING, US2016-0161448 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" AN INNER DETECTING DEVICE FOR SUBSEA & nbsp OIL AND GAS PIPELINE /span span style=" line-height: 150% font-family:宋体" ，US2015-0346154 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" METHOD AND APPARATUS FOR QUANTIFYING PIPELINE & nbsp DEFECT BASED ON MAGNETIC FLUX LEAKAGE TESTING, US2016-0178580 /span span style=" line-height:150% font-family:宋体" 等 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" strong span style=" line-height:150% font-family:宋体" 英国发明专利： /span /strong /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" An inner detecting device for subsea & nbsp oil gas pipeline, GB2527696 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" strong span style=" line-height:150% font-family:宋体" 日本发明专利： /span /strong /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 海中の石油ガスパイプライン用の内部検出装置，JP6154911 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 加拿大发明专利： /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" AN INNER DETECTING DEVICE FOR SUBSEA & nbsp OIL AND GAS PIPELINE /span span style=" line-height: 150% font-family:宋体" ，CA2,888,756 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" strong span style=" line-height:150% font-family:宋体" 项目获奖情况： /span /strong /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 2017 /span span style=" line-height:150% font-family:宋体" 年湖北省技术发明一等奖 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 2014 /span span style=" line-height:150% font-family:宋体" 年北京市科学技术奖一等奖 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 2014 /span span style=" line-height:150% font-family:宋体" 年国家知识产权局中国专利优秀奖 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 2013 /span span style=" line-height:150% font-family:宋体" 年中国产学研创新成果奖 /span /p p style=" text-indent:28px line-height:150%" span style=" line-height:150% font-family:宋体" 2009 /span span style=" line-height:150% font-family:宋体" 年石油和化工自动化行业科学技术一等奖 /span /p /td /tr /tbody /table p br/ /p