基于自动爬壁机器人的风机塔筒焊缝TOFD检测技术研究

陈刚，杨旭，黄桥生，汪势杰，黄浩

（1.国能长源湖北新能源有限公司；2.国家能源集团科学技术研究院有限公司，湖北 汉川 431614）

近年来，由于我国经济持续增涨，国家各地区对电力系统的需求也在不断攀升。稳定而强大的电网系统是由无数输电线路杆塔组成的，因此，对钢管杆塔质量问题的关注也越来越受到关注。

电力行业中，在役输电钢管杆塔的焊缝质量对于杆塔的使用寿命等具有重要的影响，因此，对于焊缝质量的检测要求也越来越高。

传统的检测方法是人工检测法，即检测人员负重高空作业，存在安全成本高、劳动强度大、工作效率低等问题，事倍功半，而且对检测人员的身心等综合素质要求很高，亟需一种取而代之的自动化检测系统。若能有效解决针对钢管杆塔的无损检测问题，将能把工人从这种高空极限作业中解放出来，减少人力投入，减少安全隐患，避免人身安全及财产的损失。传统人工相控阵/TOFD/导波检测图如图1。

图1 传统人工相控阵/TOFD/导波检测

1 风机塔筒焊缝

风机塔筒是风力发电的塔杆，在风力发电机组中主要起支撑、吸收机组震动的作用。其主要制作工艺是将钢板卷制焊接成筒体，再将多个筒体焊接装配到一起，最后形成一个风机塔筒。风机塔筒的定期维护工作主要包括焊缝检测、清洗表面、打磨锈蚀部位、补喷面漆等。如果在检查中发现了不符合要求的焊接缺陷，则必须做标记和记录，再根据进一步的检测结果作出相应处理。目前，风机塔筒的维护需要工人通过绳索吊在高空中或搭建塔架扶梯来进行。这种方法的缺点是费时、费力，并且十分危险。开展风机塔筒智能监督检测系统研究，设计用于风机塔筒焊缝自动检测爬壁机器人，可以将工人从这种高空极限的作业中解放出来，节约人工成本，避免发生因焊缝开裂造成的风机塔筒倒塌事故，实现风机塔筒的智能化检测。

2 TOFD检测技术

TOFD超声波衍射时差法，主要是通过超声波在缺陷端部产生的衍射信号进行对缺陷的定位及定量，该方法不同于利用反射波进行探测的常规超声探伤法。TOFD超声波衍射时差法对焊缝缺陷，尤其是危害性大的裂纹类缺陷有极强的检出能力，而且定位、定量精度也高，该方法测量的是缺陷的真实尺寸而非当量尺寸，是一种能够将检测数据数字化图像化的成熟检测方法。TOFD法具有的突出特点及其在焊缝缺陷检测中的成功应用，使之已成为焊缝超声检测和缺陷定量中的一个极具发展前景的新技术。TOFD检测技术本身是一种较为成熟的无损检测技术，目前，已大量应用到工业检测中。结合本领域的具体检测需求，需要将TOFD检测技术加载至爬行机器人平台上并对塔筒焊缝进行有效TOFD检测，该技术需求又是一个全新的技术难题。针对整个市场所需要的爬行检测系统，目前，市面上没有类似的成熟产品甚至解决方案。

3 爬壁机器人技术

机器人领域中，爬壁机器人技术一直是一个众多学者关注的重点，针对大型的储罐、高楼墙幕、船体等高大结构的检测和施工作业，人力难以到达的位置就需要爬壁机器人代替进行相关作业。项目中研究的机器人本体就是用于风机塔筒焊缝自动检测的爬壁机器人。面向风机塔筒的爬壁机器人，既要吸附可靠，又要运动灵活，因此，机器人吸附方案选择和运动机构的设计显得尤为重要。爬壁机器人分为真空吸附、磁吸附及推力吸附三大类，各方式爬壁机器人的优缺点如表1所示。目前，针对磁吸附爬壁机器人的研究比较多，永磁吸附式爬壁机器人具有吸附可靠性高、承载能力强等优势，非常适合大型铁磁性结构件的攀爬，而且在磁吸附方式上通常都是采用固定吸附力的工作方式，即机器人在工作过程中，机器人的磁吸附力基本不变。考虑到风机塔筒是钢质材料装配焊接而成，所以在风机塔筒壁面上进行焊缝检测作业的爬壁机器人适宜采用永磁吸附作为其吸附方式。

表1 各方式机器人对比

4 检测系统设计

爬行器主要分为分体式车身、把手、扫查架安装臂、高强度永磁车轮、电源转换盒、编码器等，如图2所示。在设计上，爬壁机器人使用稀土磁体制作高强度永磁轮，从而使得其在意外突然掉电后不会发生车体从被检测表面掉落的危险。因此，爬壁机器人可以安全地进行垂直、水平和倒置等不同方式扫描被测目标。通过搭载高精度电子编码器，可以进行毫米级的程序设定和实际检测。机器人在做沿焊缝直线检测时，通过高精度的机械传动，可以实现偏离焊缝轨迹不超过2mm，且依靠激光光栅器的校准功能，随时对行进路线进行精密微调，从而确保检测的精度和一致性。

图2 爬行机器人

针对风机塔筒的焊缝进行检测，还需要设计与爬壁机器人相匹配的TOFD扫查架（如图3所示），通过夹持合适的TOFD探头就可进行焊缝检测。由于TOFD技术通常采用两个对称放置且频率、尺寸、角度都相同的探头一发一收。通常采用在固体中具有较强穿透能力的纵波斜探头，这是TOFD法的一大特点。当焊缝位于垂直轴线方向时获得的检测波形最明显，评估结果也最准确。

图3 爬行装置

其次，耦合一直是超声检测领域中的重要环节。在考虑到风机塔筒焊缝的高空检测环境，选择耦合泵送装置为探头部分稳定、持续的输送耦合剂，确保检测的有效进行，如图所示。泵送装置可随时控制耦合剂输出流量，并可通过爬行机器人前端高清摄像头监控耦合状态，无须人工涂抹耦合剂，真正做到自动化检测。由图3可以看到，在风机塔筒TOFD检测应用中，将多组探头固定在爬壁机器人上，探头间距可根据工件厚度进行调节。爬壁机器人根据实际情况由电机驱动，靠附有磁铁的四个轮子，沿在焊缝方向布置的导轨进行扫描。探伤位置和探伤距离由磁性或光学编码器传输给上位机。探头检测数据通过中间连接的一根很长的数据导线连接到检测仪器上，进行检测数据的分析。针对本项目，风机塔筒的环焊缝直径：R≥1.2m，爬壁机器人爬行时爬行面与水平面最大夹角为90°。因此设计的爬壁机器人的整体尺寸长×宽×高：≤245mm×295mm×122mm，最小高度为85mm（不含把手）。其他主要技术指标表如表2所示。

表2 爬壁机器人主要技术指标

最后，在245mm×295mm×122mm这么小巧的车身内，装配了类似汽车的差速器机构，从而实现机器人灵活转向、四轮等功率匀速输出。磁力爬行机器人内部结构精密，设计目标是完全符合各类工况的焊缝和钢板的检测任务，最大限度地提升操控性和个人使用习惯。精密的谐波差速器系统可以使磁力爬行器人在2～254mm/s匀速或变速行进。优质的差速器还带来扭矩的提升，磁力爬行器在碳钢表面垂直运动时，要抵抗自身重力以及强大磁吸力的作用，如果磁轮扭矩不够，就无法实现稳定输出，甚至会发生倒滑、坠落的危险。

高级磁力机器人采用的精密谐波差速器除了可以负载自身重力和磁吸力外，还可以额外负重20kg，且能保持空载的运行状态，这些都源自高性能电机和差速器的性能优势。综上，本文中设计的风机塔筒焊缝自动检测爬壁高级磁力机器人具有车身小巧、磁吸力超强、适用范围极广、高精度的操控性、双轴平面扫查、精妙的双体车身设计、精准的激光定位、高性能差速器、自动化泵送耦合装置等特点。

整个检测系统的检测过程为通过操控爬行器在塔筒上进行吸附爬行，可前进、后退，转弯等操作，在爬行到指定检测位置后，开始喷水耦合。通过TOFD探头在工件上获取回波，爬行器带动探头以直线方式行进，扫查整个焊缝。数据以有线方式传送至TOFD主机进行检测评价。

5 检测软件设计

除此之外，检测软件根据某机组塔筒的塔筒焊缝分布结构图纸建立了相应模型。通过该焊缝分布模型的建立，可以帮助使用人员快速识别及定位对应的焊缝位置，进行针对性检测。首先，该模型可以根据实际的塔筒焊缝分布修改对应的层数和列数，形成与实际塔筒相对应的焊缝分布模型。

在对整个塔筒进行检测完成后，按照命名要求建立文件夹，通过点击打开文件夹按钮，选择检测数据文件夹的存储路径，软件会自动判断是否有对应的图谱文件。若文件存在，则相应的焊缝显示深灰色；若文件不存在，则显示浅灰色，如图4所示。点击需要评图的蓝色焊缝，可以进入评图软件，软件自动显示相应焊缝的TOFD检测结果进行评图工作。

图4 塔筒局部模型示意图

该技术目前已应用到国电长源风电行业公司，检测效果良好，如图5所示。

图5 现场检测

6 结语

风机塔筒焊缝在不搭脚手架的情况下进行快速高效的定期检测，是提高定期检测效率、降低检测成本的关键。本文磁力爬行机器人搭载TOFD检测技术，能实现自动化扫描检测，是解决高空检测需求的较好方法。磁力爬行机器人能到达人所不能及、复杂多变的工况环境中，通过其携带的无损检测设备去完成对需求部位的检测任务，可以大大提高检测效率、降低人员危险性和劳动强度。未来通过搭载相控阵、导波、电磁等等多种检测技术模块就可以实现多方法检测手段，为更复杂的检测环境提供解决方法。