Обзор современного состояния вопроса проектирования роботов для перемещения внутри трубопроводов

В настоящей статье приведен обзор работ по теме проектирования устройств для перемещения по трубопроводным системам. Указаны основные требования, предъявляемые к подобным роботам.

Ключевые слова. Робот для мониторинга трубопроводных систем, водопровод, нефтепровод, газопровод.

Введение

В настоящее время остро стоит вопрос о создании средств автоматизации диагностики внутренних поверхностей трубопроводов и транспортных средств для перемещения внутри трубопроводных систем в целом. Исследования данной области проводятся как в России, за рубежом.

Важность внедрения роботизированных средств диагностики трубопроводов показана в ряде публикаций. Значительное внимание вопросу доказательства важности разработки робототехнических средств для транспорта внутри трубопроводных систем уделил в своей диссертационной работе Джонг-Хон Ким (Jong-Hoon Kim, англ.) из Университета штата Луизиана (Louisiana State University, англ.) [1]. В данной работе было рассмотрено современное состояние проблемы использования автоматики для обследования и ремонта водопроводов, газопроводов, нефтепроводов и трубопроводных систем для транспорта водорода. В работах [2–4] также отмечается важность применения роботов, способных перемещаться внутри трубопроводов, в связи с возможностью снизить таким образом стоимость обслуживания трубопроводных систем. В публикациях [5, 6] отмечается, важность разработки роботов для перемещения по трубопроводам в связи с тем, что значительная часть трубопроводов располагается под землёй или в труднодоступных местах. В статьях [7, 8] указано, что использование роботов для диагностики газопроводов, расположенных в жилых кварталах, важно с точки зрения возможности получения подробной информации о состоянии газопровода и точной локализации мест утечек газа, что является важным для обеспечения безопасности людей. В работе [9] также показывается важность применения автономных устройств для диагностики газопроводов изнутри, в связи с тем, что газопровод подвержен коррозии, возможно появление дефектов на сварных швах, газопровод может быть поврежден в процессе проведения строительных работ и т. п. В публикации [10] упомянуто, что использование роботов для обследования состояния трубопровода может уменьшить время, необходимое для проведения данных работ, за счет отсутствия необходимости экскавации и разбора трубопровода. В статьях [11–12] указывается, что применение роботов для диагностики трубопроводных систем может повысить безопасность работы на предприятиях, а также уменьшить издержки на проведение диагностики. В статье [12] особо отмечается, что использование роботов для обследования трубопроводов может увеличить точность мониторинга за счет возможности обследовать трубопровод по всей длине (при использовании методов, работающих с внешней поверхностью трубопровода, плотное расположение труб не позволяет провести полноценное обследование по всей длине, как отчается в работе [12]). В публикации [13], напечатанной в 2003 году, сообщается, что в США на обнаружение и устранение утечек газа в год тратится порядка 300 млн долларов, и большая часть этих средств тратится на экскавацию трубопровода и восстановление местности после окончания работ. Как отмечается в данной работе, применение инструментов для регулярного диагностирования трубопроводов может снизить указанные выше затраты и снизить риск возникновения аварийных ситуаций. В работе [14] приведены данные о том, что для стальных и чугунных газовых труб утечки газа можно ожидать каждые 15–150 метров.

Вместе с тем, параллельно с разработкой транспортных средств для перемещения по трубопроводам, в мире ведутся разработки роботов для перемещения по внешней поверхности трубопровода. Так в статье [15] описывается устройство, предназначенное для перемещения по трубам высокого давления тяжеловодного ядерного реактора.

Требования, предъявляемые к устройствам для перемещения в трубопроводе

Перемещение внутри трубопроводных систем является сложной задачей. Ученые выделяют ряд основных проблем, которые необходимо решить на этапе проектирования устройства для перемещения в трубопроводах.

В ряде работ отмечается, что способность преодолевать T-образные и L-образные (и, в некоторых случаях, Y-образные) соединения является необходимым качеством для подобного рода устройств, в связи с тем, что современные трубопроводные системы зачастую имею значительное количество подобного рода участков [2–4, 7–9].

В статьях [5, 8] указывается, что важной задачей, которую необходимо решить при проектировании роботов для перемещения по трубопроводам, является придание роботу возможности адаптироваться под меняющийся диаметр трубы. Это позволит расширить круг задач, решаемых роботом, как за счет возможности перемещаться по трубам с меняющимся диаметром, так и за счет возможности перемещаться по трубам, диаметр которых принадлежит к рабочему диапазону робота (в то время как устройства, неспособные адаптироваться к диаметру трубопровода, могут перемещаться только по трубам одного диаметра). Вопросам создания роботов, способных адаптироваться под меняющийся диаметр трубы посвящены также работы [5, 10, 11, 13].

В публикации [6] отмечается, что важным качеством для робота, предназначенного для перемещения в трубопроводах, является способность перемещаться на большие расстояния от места введения робота в трубу.

Роботы для перемещения по трубопроводам малого диаметра

В работе [9] отмечено, что проектирование роботов для перемещения по трубопроводам малого диаметра, является важной задачей в связи с тем, что городские газопроводы зачастую имеют малый внутренний диаметр. Вопросам создания роботов, способных перемещаться по трубам малого диаметра посвящена также работа [5].

Литература:

1. Jong-Hoon Kim Sensor-based autonomous pipeline monitoring robotic system [Текст] // Dissertation submitted to the Faculty of Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy / Louisiana State University — Louisiana, 2011–100 c.

2. Se-gon Roh Differential-drive in-pipe robot for moving inside urban gas pipelines [Текст] / Se-gon Roh, Hyouk Ryeol Choi // IEEE Transactions on robotics, VOL. 21, NO. 1, February 2005–17 c.

3. Hyouk Ryeol Choi In-pipe robot with active steering capability for moving inside of pipelines [Текст] / Hyouk Ryeol Choi, Se-gon Roh // Bioinspiration and Robotics Walking and Climbing Robots, Maki K. Habib (Ed.), ISBN: 978–3-902613–15–8, 2007 — с. 376–402

4. Se-gon Roh Navigation inside pipelines with differential-drive inpipe robot [Текст] // Robotics and Automation, 2002. Proceedings. ICRA '02. IEEE International Conference on, Volume 3 / Washington, 2002–2575–2580 с

5. Shuichi Wakimoto A micro snake-like robot for small pipe inspection [Текст] / Shuichi Wakimoto, Jun Nakajima, Masanori Tanaka, Takefumi Kanda, Koichi Suzumori // Mechanical Engineering fields, Okayama University — Okayama, 2003 — c. 303–308

6. Ono Manabu Development of an in-pipe inspection robot movable for a long distance [Текст] / Ono Manabu, Hamano Toshiaki, Takahashi Masato, Kato Shigeo // Nippon Kikai Gakkai Robotikusu, Mekatoronikusu Koenkai Koen Ronbunshu, 2001, № 1; 91–92 с.

7. Dertien E. Basic maneuvers for an inspection robot for small diameter gas distribution mains [Текст] / Dertien E., Stramigioli S. // Robotics and Automation (ICRA), 2011 IEEE International Conference on, Shanghai International Conference Center — Shanghai, 2011 — с. 3447–3448

8. Dertien E. Development of an inspection robot for small diameter gas distribution mains [Текст] / Dertien E., Stramigioli S., Pulles K. // Robotics and Automation (ICRA), 2011 IEEE International Conference on, Shanghai International Conference Center — Shanghai, 2011 — с. 5044–5049

9. Kazimieras Ragulskis Behavior of dynamic processes in self-exciting vibration of an inpipe robot [Текст] / Kazimieras Ragulskis, Marijonas Bogdevicius, Vygantas Mištinas // The 25th International Symposium on Automation and Robotics in Construction. ISARC-2008, Vilnius Gediminas Technical University Publishing House “Technika” — Vilnius, 2008 — с. 209–212

10. Tache, F. Compact magnetic wheeled robot with high mobility for inspecting complex shaped pipe structures [Текст] / Tache, F., Fischer, W., Siegwart, R., Moser, R., Mondada, F. // Intelligent Robots and Systems, 2007. IROS 2007. IEEE/RSJ International Conference on — San Diego, California, USA 2007 — с. 261–266

11. Tatar O. Development of mobile minirobots for in pipe inspection tasks [Текст] / O. Tatar, D. Mandru, I. Ardelean // ISSN 1392–1207. MECHANIKA. 2007. Nr.6(68) — 60–64 с.

12. Hansen P. Monocular visual odometry for robot localization in LNG pipes [Текст] / Hansen P., Alismail H., Rander P., Browning B. // Robotics and Automation (ICRA), 2011 IEEE International Conference on, Shanghai International Conference Center — Shanghai, 2011 — с. 3111–3116

13. Schempf H. Explorer: Untethered Real-time Gas Main Assessment Robot System [Текст] / H. Schempf, E. Mutschler, Vitaly Goltsberg, George Skoptsov, Alan Gavaert, G. Vradis // 1st International Workshop on Advances in Service Robotics, ASER’03 — Stuttgart, March, 2003.

14. Hagen Schempf Visual and nondestructive evaluation inspection of live gas mains using the Explorer™ family of pipe robots [Текст] / Hagen Schempf, Edward Mutschler, Alan Gavaert, George Skoptsov, and William Crowley // Journal of Field Robotics, Volume 27 Issue 3, May 2010–217–249 с.

15. Changhwan Choi Feeder pipe inspection robot with an inch-worm mechanism using pneumatic actuators [Текст] / Changhwan Choi, Seungho Jung, Seungho Kim // International Journal of Control, Automation, and Systems, vol. 4, no. 1 — February 2006 — с. 87–95