无人机技术在特种设备检验中的应用研究

2023-08-09李响*

化工装备技术 2023年4期

李响*

（上海市特种设备监督检验技术研究院）

0 引言

近年来，我国特种设备数量不断增长，特种设备检验往往涉及有毒、有害空间检验和高空检验，有时还需要搭建脚手架，既安全隐患，也降低了特种设备的检验效率。随着工业技术不断发展，特种设备检验也越来越智能化。

无人机具有成本低、灵活性高等特点，在诸多领域被广泛应用。因此可以将无人机应用到部分特种设备检验工作中，用于有毒有害等危险的检验检测环境。国内部分特种设备检验行业研究人员已将无人机应用到特种设备检验试验，无人机技术应用在起重机械检验和锅炉检验较多。

1 无人机简介

无人机（Unmanned Aerial Vehicle）是基于设计的飞行程序，利用无线电遥控设备或自带控制装置实现无人操纵的飞行设备[1]。根据无人机的轴数和桨数不同，可将无人机分成多旋翼无人机、单旋翼无人机、固定翼无人机、固定翼混合垂直起降无人机共4 种。多旋翼无人机可以在空中完成高精度悬停动作，所以特种设备检验中应用较多的是多旋翼无人机。特种设备检验用无人机需要进行改装和升级，根据需求在无人机上挂载高清摄像头和检验检测装置，需要具备自主避障和抗电磁干扰等功能，现场对特种设备进行检验时，检验人员需要重点关注无人机地面系统、飞机系统和负载设备。此外，根据《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》，操作质量超过7 kg 的无人机要求具备无人机驾驶资质[2-3]。

2 无人机在锅炉检验中的应用

工业生产离不开锅炉设备，锅炉通常在高压、高温等恶劣工况下运行。锅炉的主要类型包括火管锅炉、回收锅炉、水管锅炉、生物质锅炉等。锅炉宏观检验要求应检尽检，锅炉内部结构复杂，锅炉的拉撑板管和板杆可能存在腐蚀、裂纹和断裂等风险。采用传统方法检验时，检验员需要进入锅炉内部，查看烟囱、外烟道是否存在腐蚀，检查对流管道和冷凝管有没有凹陷、裂纹或变形。如果可以采用无人机对锅炉设备内部进行检验，可以极大减轻检验员的工作强度，降低风险。

但是，锅炉内部各类部件分布杂乱、粉尘弥漫，这些复杂的条件给无人机的自主避障飞行和图像摄制带来了挑战，具体来说，无人机在锅炉设备炉膛内巡检时，导航、感知和控制等功能都需要满足更高的技术要求。要使无人机在锅炉设备中安全飞行，就要确定无人机在锅炉中的实时位置，涉及到无人机激光雷达高精度定位、无人机自主避障、惯性导航、蓝牙室内定位技术、视觉导航、激光雷达导航等技术。

2.1 无人机检验锅炉实践

国内多家锅炉检验机构采用了无人机检测机器人对锅炉进行检验，陆云等[4]采用Elions 无人机对某电厂的锅炉进行内部检测，用无人机检测了该电厂锅炉的水冷大灶壳顶部、集箱接管、末级再热管、炉膛和换热器片等部位，现场锅炉检测队伍由无人机操作员和锅炉监检师组成，首先由锅炉监检师确定需要检测的目标，然后手动制定无人机飞行路线，并识别炉膛内部有可能妨碍无人机飞行的部件，最后成功在锅炉检测过程中采集到了清晰的照片和视频，这说明利用无人机巡视锅炉提高了锅炉检验的效率。

邢一阳等[5]针对火力发电厂的锅炉设备现场检验任务重且有安全风险等情况，设计了适合在炉膛密闭空间内飞行的无人机，该无人机可以在锅炉炉膛内部自主飞行，并对锅炉内受压元件、锅筒、砖衬等进行拍摄，并将图像同时传输到锅炉外，由检验员对锅炉内部缺陷进行实时评估。

郑桂红等[6]采用无人机对5 台垃圾焚烧锅炉进行内部检验，使无人机在锅炉上部空间沿着“S”路线扫视锅炉内部，通过分析采集图片信息判断出锅炉存在过热管堆积淤泥、锅炉前墙水冷壁浇注料局部脱落、过热管壁磨损等问题。

2.2 无人机检验锅炉存在的问题

应用无人机对锅炉进行检验可能碰到以下问题：（1）无人机续航时间较短，例如上文提到的Elions 无人机的续航时间仅半小时；（2）无人机检验的锅炉内部环境较为恶劣，无人机需采用耐高温材料进行定制防护；（3）采集到的图像可能存在畸变现象，成像效果会影响锅炉检验结果的判定；（4）无人机在锅炉炉膛中无法自主悬停，锅炉炉膛和尾部烟道信号屏蔽严重，存在较强的电磁干扰，卫星导航、视觉导航均无法使用，无人机需要自主进行定位；（5）无人机避障能力有待提高，锅炉内部空间狭窄，各种细长部件会影响无人机飞行安全，这就要求无人机在锅炉中实现三维自主避障。

3 无人机在起重机检验中的应用

起重机是一种使用广泛的特种设备，起重机类型包括桥式起重机、门式起重机、门座式起重机和塔式起重机。实际检验中类似港口门座式起重机的臂架系统和人字架、门式起重机的主梁下盖板和支腿上部等，这些部位易产生金属结构表面裂纹、锈蚀、塑性变形、螺栓连接缺损等，此外，在检验项目中目测项目约占57%，这些部位检验人员往往难以攀爬到达，因此可采用无人机对起重机械进行全面检验。这样既减少了检验的人力成本投入，又提高了检验的有效性和安全性。

3.1 无人机检验锅炉实践

起重机械检验项目包括起重机受力钢结构检测、螺栓连接检测、塔身垂直度检测等。采用无人机拍摄起重机械外观的高清影像资料，并利用图像处理技术对缺陷进行识别，可全面掌握起重机械的安全情况。

对起重机械进行检验时可以采用红外热成像检测技术，该技术的原理是根据缺陷区域和起重机正常表面的热量辐射值的不同，对起重机械整体的金属材料内部损伤和疲劳裂纹进行检测。甘肃特种设备检验研究院敬东等[7]设计了一种面向起重机检验的无人机智能辅助检测系统，除了可以对起重机检验部位进行拍摄外，还具备红外热成像功能，可以快速识别疲劳裂纹缺陷，同时安装了动刚度检测仪来检测起重机械的振动频率，可帮助检验员初步准确判断起重机有无异常。

南京特种设备检验研究院周前飞等[8]设计了倒置式无人机检测平台，其结构如图1 所示，该无人机检测平台包括机体结构、飞行控制单位和视觉探测设备。视觉探测设备可以实时多角度摄制起重机图像，并利用数字图像处理技术提取和识别起重机的缺陷特征，利用分形阈值法进行阈值分割，基于多尺度几何分析算法进一步识别起重机类似裂纹的区域。

3.2 无人机检验起重机实践

对起重机械进行无人机检验时，由于可见度和风力均会影响无人机摄像的稳定性，拍摄的影像数据可能被噪声干扰而导致模糊和畸变。福建特种设备检检院杨静[9]针对大型起重机的金属结构表面缺陷检测的具体要求和复杂现场环境，开发了无人机检测起重机的视觉检测装置，利用多尺度图像检测算法，对起重机的不同方向和大小的图像进行记录，采用灰度化、二值化对多尺度图像进行预处理操作，从而降低起重机的检测时长。并通过实地对起重机高空行车工作的现场飞行检验，验证了无人机检测起重机的视觉检测装置可靠性与有效性。南京特种设备检验研究院周前飞等[8]采用无人机作为飞行平台，搭载高分辨率视觉传感器探测装置，实时采集显示被检测区域的图像，采用图像处理技术对采集的图像进行分析，探索无人机对起重机损伤模式识别技术。

最后，能否用无人机拍摄的视频或图片代替检验员直接目测并作为检验依据，特种设备总局认为应按照安装检验规则施检，因此，特种设备检验需要对相关技术和检验有效性制定标准，促进无人机检验检测技术规范有序发展。