Российские роботы для неразрушающего контроля: какие они бывают?

Неразрушающий контроль обязателен при производстве и эксплуатации промышленных объектов: трубопроводов, сосудов, транспорта и сооружений. В последнее время в этой сфере активно разрабатываются роботы для замены человека из-за опасных условий труда или работы в труднодоступных местах. В данной статье мы рассмотрим лишь некоторые российские разработки, которые, в целом, можно разделить на 5 классов.

Роботы для внутритрубной диагностики

Задача внутритрубной диагностики автономными роботами весьма актуальна — в России десятки тысяч километров трубопроводов, которые не могут быть проконтролированы традиционными внутритрубными снарядами. Для путешествий внутри трубы в потоке транспортируемой среды или под давлением воздуха/газа роботизированной системе нужно проявить активность и автономность. Хорошим примером такого шустрого «парня» является «Сканер-дефектоскоп А2072».

Решенные технологические задачи для такого робота:

· Связь на основе WiFi, обеспечивающая расстояние передачи свыше 1 километра

· Магнитные колеса-редукторы (усилие отрыва от ферромагнитной поверхности 60 кг ) позволяют пробираться в тройники, зависать в потолочном положении

· LiFe полимерные аккумуляторы емкостью 200 Вт*ч, обеспечивают до 8 часов автономной работы

· 3-х осевой МЭМС-инклинометр фиксирует угловое положение (погрешность измерения ± 0,1 градус), что позволяет реализовать функции трассировки пройденного участка и автоматическое управление движением

· Блок ультразвукового контроля построен на базе преобразователей с сухим точечным контактом, то есть не нужно тащить с собой контактную жидкость. Низкая чувствительность таких датчиков компенсируется тем, что используется решетка из 32 элементов, работающих совместно

· телекамера с подсветкой для поиска посторонних предметах в трубах и выявления больших дефектов

· датчик метана на борту

Еще одно семейство роботов российской разработки применяется в том числе в России, Франции и США. Это разработки ТДК-400-М-Л, RODIS-8.

Особенности этих роботов:

· в зависимости от исполнения пролезают в трубопроводы Ду200-Ду1400

· перемещение идёт на гусеничном ходу враспор

· питаются по кабелю длиной до 550 м, зато гарантировано будут извлечены из трубы в случае необходимости

Кроме них существуют системы для телеинспекции трубопроводов Sigma с манипуляторами Р150 и Р200К, которые позволяют проводить телевизионный контроль, измерение деформации, отслеживание трассы труб внутренним диаметром от 150 мм.

Их особенности:

· Дополнительная камера заднего вида

· Устройство намотки кабеля, синхронизированное с движением робота

· Защита от опрокидывания

Роботы для контроля трубопровода снаружи

Другой пример контроля основного металла и сварных швов труб при эксплуатации — сканер-дефектоскоп АВТОКОН-МГТУ, который, как видно из названия, разработан в МГТУ (МВТУ) им. Баумана. Только этот сканер автономно перемещается по наружной стороне трубы, вдоль трубы или по её окружности. Данные тоже передаются на управляющий компьютер по WiFi.

У него два ведущих магнитных колеса, аккумуляторы и блоки с ультразвуковыми датчиками для контроля сварного шва с обеих сторон. Его особенность в том, что он тащит на себе баллончики с густой смазкой, которая постепенно подаётся под ультразвуковые датчики.

Интересная задача для подобных роботов, которые ползают по трубе изнутри или снаружи — отслеживать и контролировать позицию относительно валика усиления сварного шва. Потому что промах означает, что контроль не был проведен полноценно. Точность позиционирования зависит от методики контроля и толщины стенки трубы, и желательно, чтобы она составляла до 1/4 толщины.

Наиболее простым в реализации, однако не самым дешевым, способом выглядит применение лазерного триангуляционного профиломера, по измерениям профиля валика усиления шва без труда определяются его границы и отклонение центра от желаемого.

Другой способ состоит в том, что лазерная линия проецируется простой указкой, а относительно дешевая видеокамера снимает профиль и управляющий компьютер пытается рассчитать профиль подобный показанному выше по видеоизображению (облаку точек).

Третий вариант, хронологически более ранний, — применять магнитные датчики по обеим сторонам сварного шва,что и сделано в сканере «АВТОКОН».

Сканирующие устройства для трубопроводов и оборудования АЭС

Для контроля оборудования и трубопроводов атомных электростанций еще с 1970-х годов применяются системы автоматизированного контроля: корпусов реакторов и технологических каналов, трубопроводов различных типоразмеров, теплообменных трубок парогенераторов.

Задача решается примерно одна и та же — переместить группу датчиков (ультразвуковых, вихретоковых) по заданной траектории, обеспечив их равномерное прижатие и высокую повторяемость позиционирования.

В зависимости от сложности задачи такие сканеры бывают двух-, трех- координатные, крепятся к объекту контроля на монтируемые направляющие или передвигаются на магнитных колёсах. Применяемые приводы обычно или на основе цепной, ремённой или зубчатой передачи. Реже используются винтовые передачи, пневмоприводы. Информация о текущей координате обычно передается в дефектоскоп с помощью квадратурных энкодеров.

Системы контроля корпусов реактора ВВЭР-1000 (СК.27, СК.187) и каналов РБМК-1000 (СК.26), разработанные в НИКИМТ в советское время, выпускаются и применяются поныне. Эти системы предусматривают удаление оператора на расстоянии 100-150 м от объекта контроля.

Одно из важных требований к таким системам, которые применяются на вскрытом оборудовании, состоит в том, чтобы ничего от них не отвалилось и не попало в первый контур реакторной установки. Еще к особенностям СК.187 — робот несет также и оборудование для зачистки наружной поверхности корпуса и днища реактора.

Система СК.26, которая контролирует топливные каналы и каналы СУЗ реактора РБМК, устроена так: над каналом устанавливается барабан с тросом и кабелем, на который подвершивается «торпеда», которая вращаясь со скоростью 2 оборота в секунду проходит требуемую зону контроля и протаскивает группу ультразвуковых датчиков. В случае необходимости (подозрении на наличие дефектов) в автоматическом режиме сканируется нужный участок канала и данные записываются для последующей расшифровки.

Еще один пример — сканер для контроля сварных соединений роторов паровой турбины. Особенность геометрии такова, что в зазор шириной порядка 200 мм между дисками нужно впихнуть сканер и обеспечить двухкоординатное сканирование. Для фиксации сканера на объекте выбран направляющий поликлиновый ремень, который натягивается храповиком. Из-за своеобразной формы сканер получил наименование сканер “КОНЬ”.

Решенные технологические проблемы для подобных сканеров и систем:

· Точность позиционирования порядка 0,1 мм при использовании сервомоторов или шаговых двигателей. Такая точность необходимо для применения продвинутых методов обработки исходных данных контроля

· Возможность подбирать диапазон рабочих частот, чтобы не впадать в нежелательный резонанс пери работе с шаговыми двигателями в зависимости от конструкции сканирующего устройства.

· Для компенсации потери координаты из-за прокручивания ведущих колёс по объекту иногда применяются внешние энкодеры, для того чтобы давать обратную связь о фактически пройденном пути

· При работе с вращающимися частями при перемещении 16-канального зонда внутри 15-метрового канала в системе СК.26 применяются многоканальные токосъемники, которые несколько портят качество сигнала, однако позволяют выявлять дефекты на требуемом уровне чувствительности

· Для ряда систем контроля применяются радиационно-стойкие видеокамеры

Подводные роботы

Для обследования корпусов судов применяется подводный робот, разработанный в МВТУ им. Баумана. Робот имеет восемь винтов, может маневрировать в подводном положении. Пристыковавшись к корпусу судна за счет прижимного винта, робот перемещается по обшивке с помощью колёс. Робот несёт и зачистную машинку для подготовки “пятачка” для ультразвуковой толщинометрии.

Задачи для подводных роботов обещают быть обширными и разнообразными в связи с планами освоения шельфов в Ледовитом и Тихом океане. Здесь планируются целые подводные «города» для добычи газа. В том числе и потребуется делать диагностику оборудования и трубопроводов. Проблемы, которые встанут перед такими роботами во многом навигационные — борьба с течением, мутной водой, биообрастанием.

Стационарные комплексы для контроля

В описанных выше случаях робот или сам добирается до объекта контроля или его приносят его люди, но есть еще и вариант, когда объект контроля приходит к роботу сам, например по технологической линии или загружается краном.

К таким комплексам относятся различные системы контроля труб, колёсных пар подвижного состава, дисков, валов, колец и прутков. Контакт между датчиками и объектом может быть воздушный с зазором, струйный, щелевой, иммерсионный. Реже встречается вариант непосредственного контакта датчика и объекта.

При иммерсионном контроле изделие целиком погружается в ванну, а приводы вращают изделие и перемещают датчики по заданной траектории. В простейшем виде подобная система планшетного типа собирается из стандартных компонентов — алюминиевые направляющие и сервоприводы. Но если требуется увеличить число степеней свободы, то система становится сложнее. Система ультразвукового контроля авиационных дисков УКД-1200 имеет 5 степеней свободы и шестая это вращение планшайбы с диском.

Решенные технологические задачи для подобных систем:

· Высокая скорость движения объекта контроля (более 100 мм/с) для обеспечения требуемой производительности

· Перемещение датчиков по траектории, считанной из CAD модели объекта

· Автоматическая сортировка изделий на дефектные и бездефектные

· Краскопульты для автоматической маркировки дефектных участков

· "Акустический глаз" в иммерсионных системах для выставления точного расстояния от ультразвуковых датчиков до поверхности объекта

Заключение

Надо понимать, что средства доставки и перемещения датчиков это лишь половина задачи автоматизированного неразрушающего контроля, вторая половина это разработка методики и алгоритмов обработки данных.

В области программного обеспечения для управления роботами всё достаточно сложно, потому что каждый производитель создает собственную систему и пишет собственный софт. Однако можно выделить общие принципы, которые закладываются в программное обеспечение для автоматизированных систем в неразрушающем контроле:

· диагностика приводов при включении

· выполнение заранее заданной программы перемещения и режим ручного управления

· обнуление точки отсчета и задание направления осей перемещения

· калибровка энкодеров непосредственно на объекте контроля

· блокировки перемещений

· наблюдение за процессом движения по телевизионному изображению, совмещённому изображению 3D модели робота и объекта