Роботы-трубоходы

Из районов добычи полезных ископаемых к промышленным центрам нашей страны на сотни тысяч километров протянулись стальные нити трубопроводов. По этим магистралям транспортируются нефть и газ, вода, угольная пульпа, самые различные химические продукты. Протяженность только артерий голубого и черного топлива у нас в стране сегодня составляет около 500 тысяч километров.

Огромное трубопроводное хозяйство должно работать четко и бесперебойно. Основные требования, которые предъявляются при эксплуатации трубопроводов - высокая их надежность и безопасность. Успешное обеспечение всех этих требований связано с периодическим осмотром трубопроводов и оборудования, своевременным профилактическим ремонтом.

Работают трубопроводы, как правило, при высоких температурах и давлениях, в агрессивных средах. Дефекты, которые образуются в трубопроводах, часто возникают на внутренней поверхности трубы. Да и расположены трубы часто так, что снаружи к ним доступ затруднен.

Следовательно, выход из этой сложной ситуации может быть только один: необходимо иметь роботы-трубоходы - самодвижущиеся устройства, которые могли бы передвигаться внутри трубы и выполнять там целый комплекс операций: доставлять датчики и приборы неразрушающего контроля, ремонтную и другую аппаратуру. Обнаружив дефект, они могли бы на месте произвести необходимый ремонт.

Создание таких роботов-трубоходов - проблема весьма сложная. Ведь они должны проникать в труднодоступные места, перемещаться по покрытым отложениями поверхностям. Роботам, кроме того, надо уметь надежно перемещаться не только по горизонтальной поверхности, но и по вертикальным стенкам трубы, вверх и вниз, иметь большую силу сцепления с поверхностью трубы и т. д.

Над созданием роботов-трубоходов работают сегодня во многих странах мира, в том числе в Америке, Англии, Западной Германии. Успешно решается эта проблема и у нас в стране. Образцы различных по конструкции и способам передвижения роботов созданы конструкторами научно-производственного объединения (НПО) "Энергия" Министерства энергетики и электрификации СССР.

Основная трудность, с которой столкнулись ученые и инженеры - это создание для роботов-трубоходов уникальных движителей для обеспечения перемещения робота внутри трубопровода, в котором не только тесно: из-за изгибов, сужений в местах сварных швов форма трубопровода различна. Форма рабочей поверхности традиционного движителя неизменна. Поэтому обеспечить полное прилегание поверхности движителя к поверхности трубы трудно и, следовательно, практически нельзя избежать значительных нагрузок в точках контакта.

Кроме того, движитель должен быть весьма компактно размещен в корпусе робота с учетом того, что на нем необходимо смонтировать телевизионную и осветительную аппаратуру, сканирующее устройство с блоком ультразвуковых датчиков и другую диагностическую аппаратуру.

Эксперименты показали, что традиционный движитель с обычными приводами на колеса не может обеспечить нормальную работу робота-трубохода при его поступательном движении внутри трубопровода. Было принято решение создать новый, универсальный и компактный движитель. Как один из вариантов был принят щеточный движитель, прототипом которого послужил червь, тело которого покрыто щетинками. Инженеров заинтересовала особенность движения червя по земле. Червь использует упруго прижатые к стенкам норы щетинки как опоры. Попеременно то удлиняясь, то сокращаясь, червь проталкивает вперед переднюю часть тела, а затем подтягивает к ней заднюю. Сравнительно длинные и упругие щетинки позволяют червю двигаться в норе за счет продольных сокращений.

В простейшем варианте щеточный трубоход представляет собой две цилиндрические щетки, соединенные между собой возвратно-поступательным приводом. Такой щеточный трубоход будет беспрепятственно двигаться в трубе, какой бы гладкой ни была ее поверхность, независимо от ее положения в пространстве, при любой смазке на стенках.

Щеточные движители надежно обеспечивают перемещение робота-трубохода не только в трубе, но и в любом канале с сечением произвольной формы. Если движитель собрать щетками внутрь, то робот может перемещаться и по внешней поверхности трубы.

За последние годы появились и другие роботы-трубоходы, так называемые роботы-магнитоходы, у которых движители удерживаются на опорной поверхности трубы силами магнитного взаимодействия.

Создание самодвижущегося робота, который мог бы передвигаться "вниз головой" и по вертикальным поверхностям металлических конструкций, в том числе и по самым различным трубопроводам, позволило бы решить многие задачи, связанные с их эксплуатацией и ремонтом.

Основная трудность, возникшая при создании магнитоходов - это необходимость обеспечить достаточно большую силу его сцепления с опорной поверхностью трубы. Расчеты показали, что для надежного удерживания магнитохода на вертикальной стене трением он должен прижиматься к ней с силой, в 10-20 раз превосходящей собственный вес. При движении магнитохода внутри трубы ему будут встречаться всевозможные препятствия. При преодолении уступов, валиков сварных швов, отверстий и т. д., из-за уменьшения площади соприкосновения колес с опорной поверхностью увеличится сопротивление магнитной цепи и, следовательно, снизится сила сцепления. Чтобы ослабить нежелательный эффект, конструкторы предложили делать магнитоход составным, а всю магнитную систему движителя крепить на шарнирах. В этом случае колеса будут более плотно прилегать к неровностям внутренней поверхности трубы.

В настоящее время реализуются многие проекты движителей с магнитным сцеплением. Один из таких роботов-магнитоходов, предназначенных для дистанционного неразрушающего контроля трубопроводов, перемещается с помощью гусениц. Движитель его имеет 16 подковообразных магнитов (по 8 штук на каждой стороне). На грузовой платформе такого робота-магнитохода установлен телевизионный датчик с осветителями, блок из пяти ультразвуковых датчиков, сканирующие и другие приборы. С пультом управления магнитоход связан кабелем.

Построена и целая серия колесных магнитоходов, получивших название "Макар" ("магнитный кар"). Магнитоход "Макар-I" движется с помощью четырех передних ведущих колес и двух задних, рулевых. В колесах использованы ферритовые магниты диаметром 600 мм и толщиной 10 мм.

Дальнейшее развитие конструкций колесных магнитоходов получило воплощение в их модификациях "Макар-II" и "Макар-III". Управление движением этих роботов внутри трубы осуществляется с помощью реверсивных бортовых приводов. Повышена у них и грузоподъемность.

Наибольшую эффективность роботы-магнитоходы показывают в сравнительно "чистых" условиях, так как их магнитные колеса не имеют средств магнитной защиты. Для увеличения проходимости магнитоходов и защиты их от магнитных полей инженеры применили различные усовершенствования.

Роботы-трубоходы и магнитоходы передвигаются по трубам и другим крупным объектам из ферромагнитных материалов. А как же они могут перемещаться по немагнитным поверхностям, скажем, из нержавеющей стали или пластмассы? Для этого нужен движитель, который мог бы надежно сцепляться с любым твердым конструкционным материалом.

Перед конструкторами была поставлена весьма сложная задача: создать такой движитель. И они обратились к природе, стали искать там необходимую модель. Внимание ученых и инженеров привлекла обыкновенная муха.

Обыкновенная муха может свободно бегать по любой твердой поверхности - и по побеленному потолку, и по оконному стеклу. Она даже спит, прикрепившись к потолку вниз головой. Словно какими-то невидимыми крючками крепится она за неровности поверхности. Муха также легко передвигается по очень чистым и гладким поверхностям.

Как же устроены "движители" мухи и на каком принципе они работают?

Ученые установили, что механизм прикрепления лапок мухи к любым поверхностям происходит в результате адгезии - склеивания. Начались поиски вещества, с помощью которого муха способна передвигаться по любой поверхности. Получить и синтезировать это удивительное вещество оказалось возможным благодаря разработке реологических жидкостей и жидких магнитов. Стало возможным, в известных пределах, имитировать природное склеивающее вещество, выделяемое мухой.

В лаборатории реофизики Института тепло- и массообмена АН БССР создана оригинальная суспензия - мелкодисперсный порошок (кремнезем) с маслом или керосином. Такая суспензия имеет консистенцию вазелина. При воздействии электрического или электромагнитного поля она мгновенно твердеет, при снятии поля - возвращается в исходное состояние. Этот материал успешно используется сегодня для закрепления деталей на металлорежущих станках.

Исследования показали, что и жидкие магниты также твердеют и разжижаются в магнитном поле. И прямой, и обратный процессы могут совершаться неограниченное число раз. Установлено также, что в магнитном поле эта композиция настолько прочна, что из нее можно изготовлять даже режущий инструмент разового применения, добавив в эту композицию порошок абразива типа корунда или эльбора. В этом случае жидкий магнит выступает в роли связующего материала.

Стало совершенно очевидным, что такие реологические жидкости можно использовать и в роботах-адгезоходах для усиления сцепления движителя с опорной поверхностью трубы или какого-либо другого объекта. Ученые помогли инженерам сконструировать колесный робот-адгезоход.

Что же представляет собой робот-адгезоход, и на каком принципе он работает?

Он имеет две пары "ног", попеременно удерживающих его на внутренней поверхности трубы, по которой он должен перемещаться. Во время движения постоянно имитируется шагание. Это обеспечивается каждой группой "ног", смонтированных в корпусе и снабженных приводами горизонтального и вертикального направлений. На концах шагающих "ног" имеются опорные пульпилы в виде башмаков с упругой подушкой, пропитанной клеящим составом. На корпусе адгезохода помещен резервуар с запасом клеящего состава, который по полым "ногам" адгезохода периодически подается в пульпилы. Каждая группа "ног" изолирована от корпуса и периодически подключается к внешнему источнику тока, с которым адгезоход связан линией коммуникации. В качестве бортового источника питания могут использоваться батареи, так как потребная мощность невелика. В том случае, когда роль клеящего состава выполняет магнитная жидкость, в опорные башмаки электродов закладываются обмотки подмагничивания.

Благодаря симметричной конструкции движителя, роботы-адгезоходы могут шагать по внутренней поверхности трубы в любом направлении. Процесс шагания осуществляется в следующей последовательности. Вначале перемещается первая группа "ног". Они прижимаются к поверхности трубы и мгновенно приклеиваются к ней. А затем с помощью горизонтальных приводов передвигается в нужном направлении и вторая группа "ног". Они также прижимаются и приклеиваются к опорной поверхности труб. На следующем этапе передвижения отклеивается, поднимается и передвигается первая группа "ног". Затем передвигается вторая группа "ног" и т. д.

Нельзя не заметить, что робот-адгезоход во время перемещения все время остается приклеенным к опорной поверхности трубы. Это и обеспечивает ему возможность передвижения в любом положении.

Испытания опытных образцов роботов-адгезоходов показали, что дальнейшее совершенствование их конструкции применительно к конкретным условиям эксплуатации позволит получить весьма эффективного и универсального помощника для работников службы эксплуатации и профилактического ремонта нефтяных, газовых и других подземных трубопроводных магистралей. Особенно широкие возможности применения роботов-адгезоходов откроются тогда, когда ученые и инженеры научатся полностью воспроизводить клеящий состав, аналогичный природному.

Итак, роботы-трубоходы, как оригинальное транспортное и диагностическое средство, пришли на помощь нефтяникам и газовикам, химикам и шахтерам. Они необходимы и работникам строительной индустрии, других отраслей народного хозяйства.

Даже весьма приближенные расчеты показывают, что использование уже созданных роботов оригинальных конструкций, в том числе роботов-трубоходов, роботов-магнитоходов и роботов-адгезоходов, может дать народному хозяйству экономический эффект, исчисляемый сотнями миллионов рублей.