刘清友

(西华大学流体及动力机械教育部重点实验室，四川 成都 610039)



·机电工程·

油气管道机器人技术现状及发展趋势

刘清友

(西华大学流体及动力机械教育部重点实验室，四川 成都 610039)

摘要：随着我国管道建设速度的加快、管道数量的增加，管道检测、维护及运行安全成为近年来研究的热点。通过对常见7大类管道机器人的优缺点和应用环境进行的对比分析，系统阐述国内外管道机器人技术的研究现状；对当前油气管道机器人亟待解决的运动控制和定位控制2大技术难点进行分析；指出未来油气管道机器人的研究重点应集中在构造灵活可靠的机械结构、构建实时稳定的控制系统、提出新的能量供给技术等方面。综述分析内容对油气管道机器人的研究具有一定的参考价值。

关键词：油气管道；管道机器人；检测维护；技术现状；发展趋势

油气管道运输作为全球5大运输方式之一，在国民经济中占有重要地位[1]；但是由于油气管道输送的介质易燃易爆，油气管道一旦失效，极易引发重大的安全事故，严重危及当地人民的生命财产安全，并可能对当地生态环境等造成灾难性后果。为确保油气管道运输安全，对油气管道进行科学检测和合理维护一直是世界各国高度关注的热点和难点。

油气管道的失效主要由材料缺陷、腐蚀、外部干扰等原因造成，通常表现为管道断裂、管道变形、管道表面损伤3大类。为降低事故的发生率，定期对管道进行全面检测，在管道失效前及时发现管道缺陷并排除安全隐患尤为重要；然而，受技术和检测方法限制，油气管道的检测和维修难度大。为确保油气管道的安全，过去通常采用人工开挖、巡检的方式，完成对油气管道的定期或提前报废检测。显然，这些方法会造成大量经济损失[2]，并且漏检率高、效率低。

随着科学技术的发展，研究者把目光转向于开发一种专门针对油气管道检修、维护的特种机器人——管道机器人,并期望结合无损检测技术和智能化技术实现对油气管道的在线自动无损检测和维护。尽管目前的油气管道机器人在某些方面还不尽如人意，但是，油气管道机器人的出现在一定程度上提高了对油气管道的检测精度、准确度和效率，并在管道维护等方面发挥重要作用。为此，世界各国投入了大量人力和物力开展油气管道机器人的研究，并取得了丰硕的成果。

本文旨在对油气管道机器人技术的发展现状与趋势进行系统梳理，明确油气管道机器人目前的发展现状，分析油气管道机器人技术研究的重点、难点和发展趋势。

1各类油气管道机器人

油气管道机器人是一种集机电一体化、检测技术、智能移动载体技术等先进技术的综合体。根据在输油管道中实现检测、喷涂、焊接、清洗等功能的不同，或者根据工作环境与运动方式的不同有不同的类型划分方式。例如：根据运动方式可以划分为主动运动方式和被动运动方式；根据机械结构形式的差异等特性又可分为仿生式、车型式、支撑轮式、履带式、螺旋驱动式。这里结合其运动方式，主要考虑机械结构的不同将管道机器人[3]分为7大类，如图1所示。

(a)流体驱动式 (b) 轮式

(c) 履带式 (d) 支撑式

(e) 行走式 (f) 蠕动式

(g) 螺旋驱动式

1.1　流体驱动式管道机器人

流体驱动式管道机器人又称为管道猪，其驱动力直接来自流体，不需要额外增加任何动力元件；因此，只有在具有足够压力的大管径管道内才能得到有效驱动，如原油管道、天然气集输管道等。

美国GE公司[4]、Baker Hughes公司[5]、TD Williamson公司[6]、瑞士ROSEN公司[7]生产了利用机械刮削、射流、泡沫和凝胶等清洗方式的清洗型管道猪，以实现管道清洗作业；用于涂敷、堵漏等方式的维护型管道猪，以对管道进行维护作业；基于超声波、漏磁、可视化等检测方式的检测型管道猪，以检测管道变形与局部缺陷。

但是由于管道运输介质采用高压运输且存在波动性，因此管道猪的运动较难控制，其作业效果受到影响。

1.2　轮式管道机器人

轮式管道机器人类似于一辆平板小车。它的驱动通常采用电机直接驱动机器人轮子的方式，其动力源由机器人上装载的电缆或电池配送。轮式管道机器人的速度控制通常在单片机上实现，利用速度传感器检测机器人运行速度，并与实际需要的速度比较，实时调整机器人的速度来满足作业需求。这类管道机器人运动速度调节方便、运动灵活，广泛应用在短距离的管道中。有相当一部分商用管道机器人就是采用的这种结构。

文献[8-9]研发的Explorer系列天然气管道视觉与无损在线检测轮式管道机器人，可进行视觉检测、漏磁检测和远场涡流检测。文献[10]研制的MAKRO轮式管道检测机器人可实现机器人本体的灵活弯曲与越障，可以在水平管道或坡度较小的倾斜管道内运行。文献[11]研制的煤气管道检测机器人使用直线轮式驱动方式，通过平行连杆机构实现机器人变径，能够克服机身后拖动的电缆与管道之间的摩擦阻力而向前行进。文献[12]的三轴差动式管道机器人属于直线轮式驱动结构，由于采用三轴差速机构，使得过弯时通过性大大提高，且无寄生功率产生。

但是由于给轮式管道机器人电机供电需要装载电缆或电池，因此其运动距离受到很大程度的限制。同时，轮子与管壁的摩擦力有限，在管道内流体流量较大时极难实现机器人的运动，因此轮式机器人不适用于大流量的管道内。此外，轮式管道机器人也无法在垂直管道内使用。

1.3　履带式管道机器人

履带式管道机器人是由轮式管道机器人演变而来。轮式管道机器人由于轮子与管壁的摩擦力较小，应用范围受到很大程度的限制，因此将轮子改良为履带，可以有效地提高机器人牵引力、越障能力；但是机器人的结构变得复杂，控制难度加大，体积也有一定程度增大，灵活性受到影响。

韩国汉阳大学Kwon等[13]研发的履带式管道机器人由3组径向均布的履带轮提供行走的动力，其上装有CCD(charge coupled device)摄像机以获取管内信息，可稳定的爬坡、通过弯管和T形管，但目前还处于实验室研究阶段。

1.4　支撑式管道机器人

支撑式管道机器人也是轮式管道机器人的一种变形。支撑式管道机器人周向均匀布置的支撑臂紧贴管壁，为机器人提供足够的牵引力，甚至可以克服机器人自身重力，实现在垂直管道内的运动。对称的支撑臂有效地保证了机器人中心轴线与管道中心轴线的一致性，因此，在运动稳定性上远超过轮式和履带式管道机器人。

但是，与轮式管道机器人和履带式管道机器人相比，支撑式管道机器人的结构复杂很多，速度控制的难度也大大增加。依据不同的需求，3种机器人应用于不同的场合。

1.5　行走式管道机器人

行走式管道机器人拥有如动物腿一样的结构，可以实现管内爬行。

要实现机器人的行走，需要非常复杂的机械结构和多组驱动器。虽然机器人能完成许多复杂的运动，但是其制造难度、控制难度都相当大；因此，除非十分精密的管道或者特殊作业要求，一般不采用行走式管道机器人。

1.6　蠕动式管道机器人

蠕动式管道机器人运动过程如图2所示。首先前端张紧管壁，后端脱离管壁(图2(b))；然后收缩前后端，由于前端固定，后端则向前移动(图2(c))；接着后端张紧管壁，前段脱离管壁(图2(d))；最后伸长前后端，由于后端固定，前段向前移动(图2(a))。这样，就完成了一次运动。机器人通过不断重复的收缩和伸长运动，便实现了机器人本体的前进。它大多采用气动的方式驱动前后端的收缩和伸长，这样的驱动方式牵引力有限，且能量损失较大；因此，蠕动式管道机器人一般适用于小管径、短距离的管道内。

图2　蠕动式管道机器人运动过程

蠕动式机器人有效地克服了轮式机器人对管壁磨损较严重的问题，在越障方面也胜过轮式机器人，因而在小管径、短距离任务中应用相当广泛。

Smartract公司[14]和Omega公司[15]生产的蠕动式管道机器人牵引力大、性能好，在油气井中进行测井、修井等作业表现突出。文献[16]研发的蠕动式微小管道机器人，具有0°至90°爬坡能力，可通过较大弯曲半径的管道。

1.7　螺旋式管道机器人

螺旋式管道机器人是将驱动轮轴线与管道轴线之间形成一定夹角，使驱动轮沿管道壁的某一螺旋线行走，螺旋运动沿轴线的速度分量即为管道机器人的移动速度[17]。

螺旋式管道机器人实际上是支撑式管道机器人的一个演变形态。它保持了支撑式机器人封闭力的特点，同时通过螺旋运动减低速度，从而使轴向驱动力大大提高，通过改变驱动轮倾斜角实现对驱动力大小和速度快慢的调整。它更适用于管道内部周向全管径的覆盖扫描。

文献[18]研制的被动螺旋式管道机器人通过CCD摄像头实现信息的采集，整个系统采用托缆控制方式。文献[19-20]合作研究的被动螺旋式驱动管道机器人具有轴向与周向视觉检测功能，适于在直管中行走。作者带领团队与香港大学合作，开发了一系列管道机器人[21-25]。在2011年研制出被动螺旋式管道机器人实验样机。该样机具有小范围变径的功能，但牵引力较小，在负载较大的情况下容易出现打滑现象。2012年在被动螺旋式管道机器人的基础上进行改进，研制出履带式螺旋管道机器人。该机器人具有更好的越障性能和行走稳定性，具备较大牵引力。2013年进一步开展了基于遗传算法的锥弹簧连接蠕动式管道机器人行走控制研究，并对研制成功的试验样机进行实验测试。该机器人可通过135°和90°弯管，可适应小范围管径变化。

除以上几种典型结构的管道机器人外，还有一些机器人将不同类型机械结构结合于一身，各种结构机器人各有优劣，在不同场合和作业要求下发挥着各自的作用。

2管道机器人存在的技术难题

管道机器人的出现实现了管道作业的自动化，但机器人的运动控制和定位问题，一直是管道机器人领域亟待解决的技术难题。

2.1　管道机器人运动控制问题

管道机器人在作业过程中，其运行速度的快慢、平稳性，以及过弯能力、越障能力等运动性能直接关系到作业效果的好坏；机器人的运动性能又受管道内的障碍、机器人执行机构的输出误差和机器人自身载荷的变化等影响：因此，管道机器人的运动控制问题成为管道机器人领域的研究重点和难点之一。

如上一节所描述的，按照供能方式的不同，管道机器人可以分为自驱动式和流体驱动式2类。所有带有电缆或电池的管道机器人都属于自驱动式。对这类机器人的控制常常是通过控制连接执行机构的电机或电磁阀等来实现。对流体驱动式机器人即管道猪的控制是通过控制机器人前后压差的方式来实现。

2.1.1自驱动式管道机器人的运动控制

自驱动式管道机器人与传统意义上的智能小车控制方式类似，常采用上位机进行运算处理、路径规划，下位机与电机、电磁阀等通信实现执行机构动作的方式。

文献[26]研制的轮式管道机器人，在机器人控制器中采用了模糊控制、复合式学习算法和PID调节，并进行了机器人的模拟仿真，验证了机器人的实时调速功能。文献[27]研制的履带式自适应管道机器人，采用了反馈控制来调节机器人预估自身所需张紧力，能够适应400~700 mm的任意内径管道，其样机验证了通过T形管、L形管的性能良好。上海交通大学王永雄[28]研究的履带式管道机器人，其控制系统采用了基于分层模糊控制的路径跟踪控制算法、模仿学习中的最大化边际规划方法，有效降低了控制器运算量，提高了机器人自主导航的鲁棒性和自主壁障能力。中国石油大学朱慧卿[29]研究的基于Internet遥控的管道机器人，采用神经网络和改进型Smith预估器相结合的控制系统，提高了机器人运行的稳定性和动态性能。本团队与香港大学合作研发的螺旋驱动式管道机器人[23]，通过调节驱动轮螺旋角的方式调节其运动速度，并利用神经网络算法，消除机械误差，大大提高了机器人的速度控制精度和牵引力。

随着智能控制技术的发展，国内外对自驱动式管道机器人的运动控制水平不断提高，通过智能控制算法不断优化机器人机械误差，能够实现机器人运行的平稳，具有较强的牵引力、越障能力和过弯能力。

2.1.2流体驱动式管道机器人的运动控制

流体驱动式管道机器人主要用于长距离、大管径管道的清管、检测等作业。这类机器人的动力来自于管道中的流体，机器人的速度与管道内流体的速度相关。一方面，流体的速度一般高于机器人能够实现精准作业的速度；另一方面，由于流体的速度波动，机器人的运行速度也随之波动。想要实现这类机器人稳定在适应于作业需求的速度上是十分困难的。多年来，各国都在不断探索流体驱动式管道机器人的速度控制问题。

第1种方法是通过调节机器人上下游加压站压力的方式来调节机器人运行速度。这种方式操作较简单，对机器人的结构设计要求不高；但是每次运行机器人时都需要根据机器人的不同需求速度，估计管道内流体的流量，然后花费很长时间调节管道内流体压力，直至机器人运行速度满足要求。通常管道机器人进行检测作业时，其运行速度较缓慢；然而在这种控速方式中管道流体速度与机器人运行速度大致相同，这就意味着需要同时降低管道内流体的运行速度，这无疑会造成管道运营商的巨大经济损失。考虑到种种不利因素，这种控速方式逐渐被取代[30-32]。

第2种方法是采用在流动式机器人内部开设固定旁通孔的控速方式。这种方式的原理是通过其自身的旁通孔泄流来降低机器人前后压差，从而达到降低速度的目的。利用这种方式设计的管道机器人，解决了管道内流体流速过大的问题，结构上较容易实现；但是由于旁通孔的大小固定，一旦制造完成无法改变，因而对于不同流量的流体管道，需要专门设计机器人的旁通孔，其通用性较差。旁通孔只是降低了流体的部分流速，机器人速度在一定值上波动，没有解决流体的流速波动问题[30]。

此外，近年来出现了管道机器人闭环实时控速系统的理论构想。这种系统利用传感器检测机器人实时速度，并反馈给中央处理器单元，由处理器统一计算规划后发出命令调节机器人旁通阀的开闭程度，以改变其前后压差，从而实现对机器人速度的实时控制[33]。这里所用的旁通阀不像上面所述的旁通孔无法改变旁通流量，而是基于管道内流体的流速动态响应，能够很好地将机器人速度稳定在所需值；但是这种控速方式现在还处于试验阶段，没有成型的理论用于获得机器人前后压差和旁通阀开度之间的关系[34-37]。

2.2　管道机器人定位问题

管道机器人在实施管道作业时，需要对其所在位置进行确定，以便监测机器人在管内工作情况。特别是在管道检测中，确定管道缺陷位置，这尤为重要。常用的定位方式有里程轮定位、GPS卫星定位和CCD视觉定位[38]。

大多机器人采用里程轮定位的方式，其本质是通过记录里程轮转过的圈数来得到当前位置。由于管道内运输介质的原因，在管壁内会形成结蜡等情况，定位轮在结蜡的管壁运行会出现打滑现象。同时管道内存在的缺陷等会使得机器人产生颠簸。打滑、颠簸以及其他的外界影响，会使得定位轮记录的位置数据出现误差。特别是在长距离的管道检测中，里程轮的误差不断积累，将超出误差允许范围。在管道检测作业这种需要得到准确的管道缺陷位置的情况下，里程轮定位精度将达不到要求。为此，国内外研究团队提出了许多对里程轮误差进行校准的方法。ROSEN公司的电磁感应标志器利用管道机器人中的线圈与固定位置上的标志器中的永磁体发生电磁感应产生信号，实现位置校准[39]。天津大学宋志东等提出的里程轮信号优选算法[40]，利用控制算法优选里程轮脉冲信号，提高了机器人定位精度。

GPS卫星定位法的实现需要管内机器人与外界保持实时通信，其定位精度高。我国大庆某采油厂就利用这种方式进行管下机器人定位，实际应用效果良好[41]；但是由于需要实时通信，对管道的环境要求较高，在埋藏较深、环境恶劣的情况下很难实现，并且GPS卫星定位系统较复杂，成本较高。

CCD视觉定位的基本原理是利用视觉传感器实现机器人定位。常用的方法是通过识别管道间焊缝的方式，利用视觉传感器获得视觉信号，再进行降噪等处理，判定焊缝位置，从而定位机器人[42]。这种方式在管道环境恶劣，如管道内被油污覆盖时很难提取到视觉特征，并且其成本也相对较高。

除了这3种主要方式外，在管道机器人定位问题上还使用到测力定位法、多传感器定位法、电磁波定位法和超声波定位法等。总之，随着传感器技术、信号处理技术和图像处理技术等不断发展，管道机器人的定位精度、准确性和实时性都得到了一定程度的发展，但是在环境恶劣、埋藏较深的情况下管道内定位的精度和准确性还有待提高。

3总结与展望

管道机器人技术是一种集现代制造技术、电子信息技术、先进传感技术、现代控制技术、通信技术等为一体的智能化机电装置。目前，国内的油气管道机器人技术与国外发达国家的技术相比，还处于比较落后的阶段。

随着科学技术的发展以及越来越多的科研工作者对油气管道机器人的重视，未来对于油气管道机器人的研究将主要集中在以下几方面。

1)灵活可靠的机械结构。未来的油气管道机器人应具备一机多能的结构形式，将各个功能模块化，在一台机器人上融合清洗、检测、切割、喷涂、焊接等功能。同时，在针对井下作业和具有弯道等特殊形式的油气管道中，机器人依然能保持良好的通过性。

2)实时稳定的控制系统。如前文所述，油气管道机器人运动控制问题是该领域的一个研究难点，尤其是在长距离、大管径的管道中，要保证机器人控制系统的稳定性和实时性十分困难。要在复杂多变的管道环境中实现可靠的控制，通信和定位能力也需同时提升。

3)能量供给。常用的拖缆供能方式不能满足长距离作业的需求，而利用电池供能的方式受现有储电技术的限制，其运动距离始终较难达到较长；因此，如何开发新的油气管道机器人能量供给技术产品也是未来研究的重难点。从现有技术来讲，利用油气管道内输送介质的压差实现机器人的能量供给会是一个较好的解决方案，但是此方案还未形成公开的可靠理论模型。要实现流体驱动式管道机器人的稳定可靠的控制，建立理论模型、进行运动动态分析十分必要。

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(编校：饶莉)

Research Status and Development Tendency ofthe Oil and Gas In-Pipe Robot

LIU Qingyou

(KeyLaboratoryofFluidandPowerMachinery,MinistryofEducation,XihuaUniversity,Chengdu610039China)

Abstract:With the accelerating of pipeline construction and the increase of pipeline mileage in China, pipeline detection, maintenance and operating security are research focuses recently. This paper compares the advantages and disadvantages of the seven major in-pipe robots and their application environments and systematically analyzes research status of in-pipe robot technology at home and abroad. It analyzes speed control and positioning control, which are the two core technological difficulties of oil and gas in-pipe robots needed to be solved urgently, and points out the research emphasis of oil and gas in-pipe robots in the future should focus on constructing flexible and reliable mechanical structures, realizing real-time and stable control systems, and putting forward new energy supply technology, etc. What reviews and analyzes in this paper has some reference value to research of oil and gas in-pipe robot.

Keywords:oil and gas pipeline; in-pipe robot; inspection and maintenance; technical status; development tendency

doi:10.3969/j.issn.1673-159X.2016.01.001

中图分类号：TP242

文献标志码：A

文章编号：1673-159X(2016)01-0001-06

作者简介：刘清友(1965—)，男，教授，博士生导师，长江学者特聘教授，主要研究方向为石油机械、机电一体化、油气井管柱力学等。E-mail：liuqy66@aliyun.com

基金项目：四川省科技支撑计划项目(2013GZ0150)。

收稿日期：2015-10-26