γ射线管道爬行器的研制及起原理

摘 要：全面地介绍了γ射线管道爬行器的研制过程及研制过程中遇到一些问题及其解决方案。 关键词：管道 γ射线 无损检测 爬行器 可编程序控制 1 前 言 在现代化长距离油气管道建设中，对对接焊缝进行无损检测是保证工程质量的重要手段，其中射线照相又占据了十分重要的地位，射线检测具有缺陷检出率高、直观形象等优点。长期以来，射线检测主要依靠X射线机与γ射线源在管道外面通过双壁透射进行照相，在工作工程中，抬动机具、布置底片等劳动强度相当大，因焦距长而又必需增大射线功率或曝光时间，因此工作效率很低。 在管道射线检测过程中几种主要手段的对比： 1、X射线机：采用管外双壁透射照相，工作时需要工程车、发电机（5KW）等紧密配合，优点是底片质量高，可适应于复杂地段，缺点是某些地段难以工作，如山区、水田、沼泽等地段，在大比例检测中工效较低。 2、γ射线源：采用管外双壁透射照相，优点是附属机具简单，不需要发电机，适合于山区、水田、沼泽等地段，操作人员少，缺点是底片质量一般，曝光时间较长，曝光时间人为误差较大，操作人员人身接受的射线剂量较大。 3、X射线管道爬行器：它采用内曝光，具有底片质量好、速度快等优点，缺点是体积大、适应管径范围较窄，重量大，需要专用运输车（带吊车），需进口，日常维护工作量大，维修困难且价格昂贵。 因此，在工程中急需一种体积小，重量轻，操作维护简单，价格适宜的爬行器，所以我们进行了这方面的研制工作，研制出了γ射线管道爬行器，并成功地大范围的在陕京输气管道建设中投入了试运行，实践证明，定位精度满足使用要求，底片质量合格，底片质量稳定，操作人员人身所接受到的辐射剂量减少。 2 基本原理 γ射线管道爬行器是一种自动化射线产生装置，通过管道外部遥控装置的配合，它可以在金属管道内部完成前进、后退、休息、定位及射线曝光等一系列自动化无损检测过程。 本系统主要由机械行走部分、射线产生装置、辐射传感器、逻辑控制器部分、电源部分及管道外部的遥控定位用指令源等组成。 下面是整机原理方框图： （图略） 下面是整体结构示意图： （图略） 具体工作步骤：先在欲拍照的对接环形焊缝外面按照照相要求绕上专用的照相底片，然后，将遥控指令源放置于距离焊缝指定距离的位置上，用于指引爬行器到达焊缝下面指定位置，当爬行器运行到指令源下方时，辐射传感器将接收到指令源的信号，通过控制器的控制使爬行器停机定位，并发出警报声音，此时操作人员将指令源移开（可放置到下一道口位置上），从移开指令的时刻开始，经过20秒时间的延时自动执行出源动作，出源到位后开始启动定时器及强声警报，开始曝光底片，当定时结束后自动执行收源动作，并自动向下一个目标前进，重复执行上述动作即完成了射线照相的过程，用时间编码法可以自由遥控其前进、后退、曝光及休息等动作。 定位原理示意图： （图略） 3 设计与制作 3.1 硬件设计 为适应管道内部恶劣的工作环境，整机采用全密封结构，利用重力自纠偏原理，具有结构简单体积小、重量轻的优点。 其中射线产生装置由可更换的人工用γ射线源和藏于机体内部的电动收发源机构组成，在需要少量补片时，可取下射线源取下进行人工照相，射线源部分作到了人机两用，节省了投资。 射线传感器是整个研制过程中的难点，因为要采用全密封结构，传感器必须置于机体内，传感器于指令源之间的距离增大，对传感器的灵敏度、抗抖性以及定位方式都提出了较高的要求，在国内市场上又未见有出售，于是我们自行研制成功了专用的辐射传感器，实际试验证明其性能稳定可靠。 控制器部分：我们通过对比，采用了三菱公司的FX0-20MR型可编程控制器，具有编程简单，可靠性高的特点。 电源采用两只进口12V38Ah蓄电池串联组成24V电源。 整体布线：我们本着模块化、易升级、易维护的要求，而设计了专用的数据总线和电源总线结构，各部分通过接插件进行互相连接。 3.2软件设计 软件设计采用了梯形图语言编程，具有编程简单的特点。因γ射线源的不可关闭性，故本设计以人身安全为第一要求，因此要求在各种特殊情况下均应有较完善的保护措施。为此，我们特意在软件方面设计了容错能力，对于收发源受阻、定时器损坏、传感器损坏等均可在一定程度上自修复或保护退出管道，最大限度地保证人身安全及防止了割管事故的发生。 下面是系统运行流程图 （图略） 3.3 研制过程中遇到的一些难点问题及其解决办法 1、由于该机器工作环境的特殊性，故存在抗辐射干扰问题，这主要有两方面： （1）射线源对射线传感器的干扰问题 解决方法： 1）增大两者间距离 2）增加屏蔽层厚度 3）采用时间屏蔽法 （2）控制源、主射线源对微机控制器的干扰问题 通过试验的方法，发现影响并不严重，在物理结构上采用垂直安装以减少接受辐射部分的面积，增加适当的屏蔽材料。 电磁干扰问题：干扰源主要来自运动驱动电机和收发源电动机的启动、运行、制动过程中形成的延电源线传输的干扰信号，可以采用分线供电、电源分离、光电隔离等方法解决。 2、如何解决射线传感器寿命问题 主要问题是当主射线源出源之后，有强烈的γ射线散射线，将会照射到射线传感器上，一是影响传感器正常工作，二是将大大缩短其工作寿命（因采用盖革计数器），针对上述问题我们采用了如下解决方案： “按需供电”即当需要从传感器读取数据时才给其供电，使其在高强度辐射场中时管端无电压，形不成电离— 电子流，破坏了其雪崩条件，因此即解决了误触发问题又解决了计数管寿命问题。 4 结束语 通过自行开发研制成功γ射线管道爬行器，我们总结出了一套开发机电一体化科研项目的成功经验，对可编程控制器（PC）等新器件的应用达到了一定的水平。 随着经济的发展我国需要从国外引进的设备将越来越多，这些设备在技术上虽然很先进，但其价格却很昂贵，如果我们在引进某种设备之初，能对其进行深入的分析研究，对其性能加以改进，再由国内生产出来，则可以大大减轻对国外市场的依赖性，节省国家的外汇，为国家经济建设发展作贡献。 附录 爬行器技术指标数据 技术项目 技术指标 适用管道直径 Φ325mm— Φ720mm 运行速度 9.4m/min 爬坡能力 ±15° 转弯曲率半径 >500倍管道直径 连续爬行时间 20h 曝光时间范围 0— 10min 定位距离 300mm— 500mm可调 定位精度 <±2.5cm 收发源时间 1.2s 工作温度 -20℃— +50℃ 电源电压 24V 电池容量 38Ah 工作电流 1.5A 警报声音响度 100db 参考文献 1.美国无损检测学会，《美国无损检测手册》（射线卷），世界图书出版社，1992.7.1. 2.《三菱FX0-系列可编程控制器使用手册》 　 　 -------------------------------------------------------------------------------- 　 X射线管道爬行器的研制 X-Ray pipeline crawler development hina National oil & gas pipeline No.1 Engineering co. zhanghongliang 摘要 以苏丹输油管道工程无损检测为实例，介绍了三用型X射线管道爬行器的基本原理与应用效果，介绍了具体的研制过程，包括硬件和软件设计过程中应该考虑的一些关键问题，并将辐射场反馈、内定时等新方法应用于管道爬行器。通过大量的实践检验和技术数据对比，证明此爬行器具有经济、高效的特点。 Summary: Take Sudan Oil transportation pipeline Engineering for example, deacriping the prime principle & results of x-ray crawler with there useful ways. And detail development with some key factors in hardware & software design, at the same time use radiographic field feedback, inner timing a pipeline crawler with a lot of fact test & technical data, it is sure that this crawler has the economic & fast property. （该刊是国家级优秀科技期刊,中国科技论文统计用期刊、美国工程信息公司EI PAGE ONE数据库期刊、美国化学文摘社（CA）收录期刊） 　 一、前言 随着我国石油工业的全面发展，对外承揽石油基建工程的增多，由我国承建的第一条国外大型输油管道─苏丹输油管道工程于一九九八年开始建设，这条管道全长1500公里，直径28英寸（直径711mm），工期一年，要求管道对接焊缝100%射线检测，总检测量将达15万道口以上。 这是一项国际投标工程，如果仍然采用国内惯用的施工手段，定向Ｘ射线机双壁单影法检测，无论从施工速度、人员数量还是造价上，都完全不具备竞争能力。唯一可行的办法就是采用射线管道爬行器拍片，而由于壁厚及标准的原因γ射线管道爬行器在此难以适用，只有采用X射线管道爬行器，它采用内曝光，具有底片质量好、速度快等优点，但需要进口，价格昂贵，日常维护工作量大且维修困难。 在这种情况下，我们研制出了X射线管道爬行器，并成功地大范围的在苏丹输油管道建设中投入了试运行，实践证明，操作维护简单，工作稳定可靠，定位精度满足使用要求，照相质量符合美国API1104-94标准，完全达到进口产品的使用效果，成功地取代了进口产品。 二、国内外技术概况 根据文献资料调查，国外对Ｘ射线管道爬行器的研究多年，技术相对较成熟，并已经有系列产品出售，主要国家有法国、英国、美国、比利时等。在国内基本处于研制阶段，未见大范围推广应用及产品出售。 在国内，射线照相检测目前仍然主要依靠Ｘ射线探伤机与γ射线探伤机在管道外面通过双壁透射进行，因双壁单影透照厚度增加必需增大管电压，焦距长又必需增加曝光时间，所以不但底片灵敏度欠佳，而且检测效率与内曝光相比也十分低下。 目前，在国内有外国产品的代理商，一台进口Ｘ射线管道爬行器的价格约100万元人民币，一般无现货，订货期最少三个月，不但价格昂贵，售后服务问题也难以得到及时有效地解决。 我们已经于1997年研制成功了首台γ射线管道爬行器，并已通过局级鉴定，达到了国内领先的水平。此外，公司还有10年以上应用进口Ｘ射线管道爬行器的经验，在此基础上开发研制Ｘ射线管道爬行器已经不存在技术性障碍。 在国外，长输管道100%射线检测早已普遍采用，国内也正向这个方向发展，因此，用目前的管外透照已难以满足检测工作量迅速递增的现状，如果参加国外工程施工就更是必须改进现有的检测手段，使其能满足检测效率上的需要。 三、总体设计 1、总体方案的确定 在为期三个月的调研过程中，查阅了近期国外爬行器厂家的有关技术资料，对现有的进口X射线管道爬行器的性能、控制方法、适用范围、工作条件等进行了对比分析。并到国内有关探伤设备的生产厂家进行了考查，确定了如下方案： 1.1主体主要分为三大部分：电动车（含控制）部分、Ｘ射线机部分、充电电源车(专为射线机供电)部分。整机电路方框图见图1。（图略） 这种分体式设计有利于搬运及多功能的实现： 当需要改为γ射线爬行器时，可以用γ射线电动发/收机构取代Ｘ射线机和充电电源车部分。 当需要作为救护车使用时，可以用救护车部分取代Ｘ射线机和充电电源车部分。 其中： 电动车部分采用电池驱动的直流电动机带动减速机构制作； Ｘ射线机部分采用专门研制的直流供电型周向Ｘ射线机； 充电电源车部分采用阀控密封免维护蓄电池串联组成。 　 图1 整机电路方框图（图略） 1.2爬行器设计主要技术指标 表1 技术项目 技术指标 适用管道直径 711mm 运行速度 >15m/min 爬行距离 >8km 爬坡能力 10° 定位精度 <±2.5cm 工作温度 -10℃—+50℃ X射线参数 160kV/3mA 累计可曝光时间 >80min 　 2、设计 2.1、基本原理 射线管道爬行器主要由机械行走部分、射线发生部分、定位传感器、逻辑控制器、电源及管道外部的遥控定位用指令源等组成，它是一种自动化射线产生装置，由机械行走部分带动射线发生装置在管道内部行走，在管道外对接焊缝处贴X射线专用胶片和标记，通过管道外部遥控装置的配合，可以在管道内定位及曝光，从而对管道对接环焊缝进行X光透照，实现管道对接环焊缝的无损检测，另外，还可以通过遥控控制爬行器的前进、后退、休息等动作。 2.2、硬件设计 硬件设计包括：机械行走部分、射线发生部分、定位传感器、控制器(电路)部分、电源部分和自动救护车部分。 机械部分：由电动车机体，充电电源车机体，24V直流电动机，减速器，胶轮，轮轴及连接附件组成。整机连接见图2。 图2 X射线管道爬行器整机连接示意图（图略） 充电电源车:选用1mm厚不锈钢板，经冲压焊接而成，要求本身有一定刚性不易变形，安装耐磨材料车轮，整体长度根据电池体积决定，不能过长，以免增大转弯半径和增加运输难度。电池接线方法见图3。 图3 电池接线示意图（图略） 射线机部分：由我方提出设计及接口要求交由射线机专业生产厂家制作。具体要求是：直流高压直接供电，固定管电压160kV，管电流3mA，取消AC/DC部分，改变高压包参数，提供故障反馈信号，散热风扇按需自动打开及自动延时关闭，以节省电力。控制台体积要小且与射线机头一体化安装，结构上采取防尘设计。 定位传感器部分：在我们1997年开发成功的γ射线爬行器研制过程中已基本得到解决。对于其中的抖动、误动问题可以在程序设计中进行容错处理，从而降低其设计复杂性。因运输途中振动很大，所以制作工艺要求较高，元器件严格筛选，并采取防振措施[1]。 控制器(电路)部分：通过研制γ射线爬行器的经验，继续采用原可编程控制器（FX0系列20点继电器输出型），具有体积小、供电方便、可靠性高的特点。电路布线方面尽量简单化、以方便维护，就近安排强电部件，将强电与弱电分离，以免造成对控制系统的干扰[2]。 电动车供电：考虑到控制器供电方便和电动机供电时间的要求，电动车电源采用24V直流电源。使用一套100%充足电的38安时电池，行走速度18米/分钟，平均工作电流4安培计算，可以连续爬行约7.6小时（80%放电容量），爬行距离8208米。爬行距离远是一项重要特色，这样可以适应一台爬行器工作在几个工作面轮流工作和“二接一” 间隔检测的施工技术要求。 射线机供电：Ｘ射线管道爬行器供电方式有四种：a.燃油发电机供电 b.直流逆变器供电 c.有线电缆供电 d.纯直流高压供电。目前的发展趋势是纯直流高压供电方式，这种供电方式具有电源效率高、无噪音、重量轻、使用灵活方便等优点。所以，从技术进步角度出发，选用纯直流高压供电为好，经综合考虑，直流电压选择120V，这样便于Ｘ射线机和充电电源车的设计。 自动救护车部分：利用汽车雨刷器12V直流电动机通过涡轮涡杆传动带动提升臂制作，要求升降到位能够自停。此部分作为一个单独部分，当需要时再与任意一台普通爬行器的电动车相连接而组成自动救护车，并采用了“即插—即用”的控制方式，在转换为救护车时无需另外的转换开关加以控制。用于当因电源供给问题或驱动电机故障而不能运动的爬行器的救护，可以自动将故障爬行器拖出管道。 此外，在充电电源车--射线机—电动车之间的挂接环节上参考了国外的设计，作到了既方便挂接、运行灵活又不影响定位精度。 2.3、软件设计 主要包括：运行过程程序化描述和PLC程序编制。 运行过程程序化描述，就是根据实际工作要求和现场积累的工作经验，作出用户需求分析，在控制器内部通过编制程序对外设进行时间上的操作安排，外设包括：定位传感器、按键、指示灯、警报器、定时器、电动机（继电器组）、射线机、自动救护车等。 程序设计采用梯形图语言编制流程图，利用手持式编程器调试。（具体程序梯形图A4纸17页略） 在软件方面设计了定位传感器故障、定时器故障、射线机故障等容错能力，可在一定程度上自修复或保护退出管道，最大限度地防止了割管的发生。 同时，我们还设计了一种首创的新技术，使爬行器在工作过程中的曝光时间可以通过管道外部遥控调整，为壁厚变化的管道检测提供了方便。 此外，还预先设计了管内积水传感器、电流过流传感器等[1]配套程序，以利于以后的功能扩展； 四、性能试验 经实测其数据如表2所示： 表2 技术项目 技术指标 适用管道直径 400-1200mm 运行速度 18m/min 最大爬行距离 10.8km 最大爬坡能力 15° 定位精度 <±2.0cm 最小转弯半径 10D（D为管道直径） 工作温度 +72℃（苏丹输油管道施工现场管道内部气温） X射线参数 160kV/3mA 可曝光累计时间 82min 电动车电压 DC 24V 射线机工作电压 DC 120V 射线机工作电流 6A 　 五、结论 经过长达一年时间的试验运行，实践证明，各项技术性能指标已经达到了原设计的要求。成功地实现了以国产取代进口，节约了大量的外汇。 效率与双壁单影透照相比至少提高8倍以上，下面表3为实测数据： 表3 名 称 工作时间(小时) 日工作量(焊口) 日本理学300 12 18 ZP2爬行器 6(前进)+6(回退) 130 与进口产品相比，价格优势明显，仅仅相当于进口产品的1/5，而且日常维护、维修方便，维修配件有保障，下面表4为实际数据： 表4 对比项目 产品型号 自研(ZP2) 进口(IRIS10) 重量 130(千克) 133(千克) 长度 3.05(米) 3.55(米) 适用管道直径范围 400-1200(毫米) 300-1550(毫米) 价格 20(万元人民币) 12.7983(万美圆) 在工作过程中，由于管内障碍物、电动机、继电器及电池充电等原因，造成的滞留管道中，自动救护车也发挥了预期的作用。 [在本研究中得到了张森、彭卫华同志的大量帮助，在此一并表示感谢] 参考文献： [1]张福学.电子工业出版社.传感器应用及其电路精选 [2]诸邦田.人民邮电出版社.电子电路实用抗干扰技术 　 -------------------------------------------------------------------------------- 辐射传感器的研制 　　摘要　首先对辐射传感器的工作原理、基本电路、调整做了讨论。在此基础上，对辐射传感器在实际工作中应该注意的几个问题进行了介绍。 　　关键词：辐射 传感器 1　引言 辐射传感器是研制射线管道爬行器过程中的关键点，对于采用全密封结构，传感器置于机体内的爬行器，因为传感器与指令源之间的距离增大，对传感器的体积、灵敏度以及抗抖动性能都提出了较高的要求，而在国内市场上又未见有出售，于是我们自行研制成功了专用的辐射传感器，在苏丹管道工程、涩宁兰管道工程中得到了应用，通过实际试验证明其性能稳定可靠。 2　辐射传感器的结构及其工作原理 2.1　辐射传感器的结构 辐射传感器主要由：盖革—弥勒计数器、高压发生器、电压比较器、功率推动、继电器、电源稳压器等组成。 　 2.2 辐射传感器的工作原理 外部电源通过LM7812稳压器为整个电路提供一个稳定的12V电源，由三极管Q1和变压器B1组成的自激振荡器，经过变压器升压，D2、D3、C5、C6倍压整流输出一个380-420V的直流电压为盖革计数器G提供工作电压，当有射线照射到计数器上时，计数器内气体发生电离并伴随着雪崩效应，在微观上瞬间导通，然后逐渐恢复到截止状态，再导通，再截止，周而复始，在宏观上是单位时间内计数量增加，随着辐射强度的增加，计数的频率呈线性增加，当达到一定的阀值后，计数管将进入饱和状态，计数频率不再随辐射强度的增加而增加，我们在计数器上串联一个电阻R4，就可以从电阻两端取得计数器的信号，经过由电阻R5电容C9组成的积分电路转变为平滑的直流电压，当没有辐射时，电压为零，当有较强的辐射时，电阻R4上的电压将能够达到0.9伏，输出阻抗达到109Ω，如果采用达林顿三极管直接放大，效果也不理想，而使用CMOS集成电路LM393组成的电压比较器，因其输入阻抗也非常高，达到1010Ω，就不会对前级产生影响，此电压信号由e点进入比较器，比较器的基准电压f是可调整的，用来调整传感器的灵敏度，当比较器的同相输入端e高于反向输入端f 0.004伏时，比较器将输出高电平，驱动级三极管Q2导通，驱动继电器J，使继电器J触点吸合，表示有辐射存在，此电路除可用于传感器以外还可作为辐射警报器使用，电路中的R4C9C12等是提供一个防抖动作用，通过电阻R7正反馈回路组成迟滞放大器，既施密特电路，用于防止临界点的抖动和偶尔的误动作。 　 　 　 3　安装调整 在调整过程中，首先用万用表测试a点应为12V，如不正常基本上是集成电路的问题，b点是3V左右，如不正常应检查稳压管DW极性是否接反，如正常再用1000V直流电压档测试c点对地电压，应该有几十伏特，用手摸能感到轻微的电击，电阻R3是起稳定作用，d、e点用数字表测量，结果见下表： 电压 状态 d点 e点 g点 无辐射 0V 0.011V 0.3V 有辐射 0.9V 0.015V 0.7V f点电压是可调的，应使用多圈电位器，以保证调整的微小变化，也可根据具体情况进行调整，视灵敏度要求而定。 4 实际应用中的一些问题 在实际应用的时候，因为盖革计数管的敏感方向是垂直于管子的360度范围，为保证适当的敏感角度，可采取在盖革计数管两测加3-8mm铅板，以形成一个小角度的辐射窗口。 为防潮气侵入电路板高压部分，应该用密封硅胶将高压部分、盖革管及取样部分封闭，在封闭之前应该做烘干处理，这一点致关重要，如果不封闭，传感器将很容易失效。 为了保证盖革—弥勒计数器的寿命（卤素管寿命为109以上计数值），我们采取的是“按需供电”的方式，既在主射线源工作时，通过程序控制使辐射传感器的供电切断，当主辐射消失后，才给传感器再次供电，实践证明效果很好。 5　结论 　　(1)本电路参考了国外电路和国产射线剂量报警器，具有相对简单的特点，没有采用多级放大，也没有使用射极跟随器，而是利用高阻抗集成电路直接进行微小信号的放大，使整个电路简洁明了。 (2)经过实验，如果不采用施密特电路，电路的灵敏度会大大增加，但不稳定因素也增加了，容易出现误动作。 (3)电路中的关键还有后期的防潮处理。 (4)如果采用半导体敏感器件制作辐射传感器可能电路会更加简单，但器件不易购买。 (5)个人观点：制作管道爬行器最好不使用辐射传感器，但一般的非辐射类传感器作用距离都比较近，对于300---700mm距离上精确定位难度较大。 　 参考文献 1 李廷高 陈风上，真空电子器件，电子工业出版社，1994：378~392

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