鄭霄峰 代峰燕 李冬冬 陳家慶

1北京石油化工學院能源工程先進連接技術北京市高等學校工程研究中心

2北京石油化工學院

內(nèi)浮頂儲油罐清洗機器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展

鄭霄峰1代峰燕1李冬冬1陳家慶2

1北京石油化工學院能源工程先進連接技術北京市高等學校工程研究中心

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根據(jù)內(nèi)浮頂儲油罐清洗機器人的作業(yè)環(huán)境和功能要求，對國內(nèi)外內(nèi)浮頂儲油罐清洗機器人的研究現(xiàn)狀進行了綜合分析。儲油罐清洗機器人結(jié)構形式設計包括移動機構分析、進罐結(jié)構分析和清洗裝置分析；控制系統(tǒng)包括通訊方式分析、控制方式分析、路徑規(guī)劃分析和控制策略研究等。對比國外NESL、Landary等公司主要產(chǎn)品的性能，國內(nèi)相關產(chǎn)品防爆設計經(jīng)驗不足，沒有配套臍帶纜，機器人收放纜控制和遠程無人控制缺少理論分析和實驗驗證，行走性能與清洗效率有待改進與優(yōu)化。對于內(nèi)浮頂儲油罐清洗機器人而言，安全環(huán)保、高效率、低成本將成為未來的發(fā)展趨勢。

內(nèi)浮頂儲油罐；儲油罐清洗；機器人；控制系統(tǒng)；防爆設計

根據(jù)國家規(guī)定，原油及成品油儲罐大修間隔期限為5～7年，在檢修或更換油品之前必須清洗；我國石化行業(yè)一般規(guī)定（Q/SH039-013—1988）成品油儲罐每3～5年應清洗檢修一次，因此，需要定期對沉積在罐內(nèi)的油泥進行清理和回收。儲油罐清洗技術先后經(jīng)歷了人工清洗和機械清洗階段，隨著人們對儲油罐清洗作業(yè)安全、效率、成本、環(huán)保要求的不斷提高，儲罐清洗機器人技術作為一種無需人員進罐的清洗技術得到了國內(nèi)外越來越多的關注。

1 作業(yè)環(huán)境和功能要求

早期儲油罐清洗機器人的研究主要針對原油罐，儲油罐的結(jié)構也較簡單；隨著《儲油庫大氣污染物排放標準（GB20950―2007）》等國家標準的出臺實施，為減少蒸發(fā)損耗和大氣污染問題，內(nèi)浮頂儲油罐在各種油庫中應用日益廣泛。根據(jù)國家標準GB50341―2003和行業(yè)標準SH3046―1992規(guī)定，內(nèi)浮頂儲油罐罐壁至少開有1個鋼質(zhì)人孔，罐壁人孔直徑不小于DN500，中心高度介于650～915 mm；內(nèi)浮頂儲油罐的浮盤在罐內(nèi)成品油排盡之后由底部的眾多支柱支撐，浮盤高度不低于1 800 mm，浮盤支柱間隔在1 000 mm左右，浮盤和支柱大多為鋁質(zhì)結(jié)構，強度較低易發(fā)生變形；此外罐底還存在進出油管、擴散管、量油管、加熱器、脹油管等附件。作業(yè)時罐內(nèi)充滿了水霧，視線昏暗模糊，圖像定位傳感器不能正常發(fā)揮作用，電磁信號則容易受到罐體鋼質(zhì)結(jié)構的干擾。罐內(nèi)充滿油氣，根據(jù)國家標準GB50058―2014對爆炸性危險場所的定義和劃分，罐內(nèi)區(qū)域?qū)儆?區(qū)（置入惰性氣體可適當降低），罐外區(qū)域根據(jù)現(xiàn)場情況可劃分為1區(qū)、2區(qū)或安全區(qū)。

針對儲油罐清洗機器人的作業(yè)環(huán)境，提出了如下功能要求：

（1）機械結(jié)構簡單緊湊，能對照明攝像設備進行保護和清潔，可組裝不同清洗模塊，行走牽引力大，承載能力強，攜帶油泥少，清洗效率高，具備抗靜電、防碰撞、耐腐蝕和防沉陷能力。

（2）能實時監(jiān)控工作環(huán)境，實時定位、預定軌跡跟蹤、自主避障。

（3）最大行駛速度0.15 m/s，轉(zhuǎn)彎半徑不大于1 m，爬行坡度不小于20°，行進深度不小于10 m。

（4）采用防爆工藝設計和制造。

2 結(jié)構形式設計

2.1 油罐清洗機器人移動機構研究

油罐清洗機器人按移動機構的形式可以分為吸附式、車輪式和履帶式。吸附式移動機構的優(yōu)點在于能在罐壁行走，適應地形能力強，還可兼?zhèn)溆凸迿z測、維修、噴漆的功能，是一種多用途機器人。李春香等[1]根據(jù)油罐清洗的工藝流程，提出了一種如圖1所示用于油罐清洗的壁虎式移動機構，該機構具有貼附和移動功能。上海交通大學[2]開發(fā)了一種如圖2所示的罐壁爬行機器人，由磁盤驅(qū)動模塊、變磁力吸附模塊、轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)模塊組成，可用于儲油罐罐壁的清洗和檢測作業(yè)。由于吸附式機器人不能承受較大的負載，故其清洗能力較弱，對于清洗作業(yè)量主要集中于浮盤和罐底之間區(qū)域的內(nèi)浮頂罐來說，吸附式機器人清洗效率較低。

圖1 壁虎式移動機構

圖2 罐壁爬行機器人

車輪式移動機構具有高度的運動靈活性和高效率的特點。周利坤等[3]介紹了一種如圖3所示全方位輪式清洗機器人，采用了三個全向單元對稱布局的三輪全方位移動機構，可進行類似于吸掃式清掃車的吸掃作業(yè)。圖4是中國石油大學[4]開發(fā)的污水沉降罐在線清洗裝置，其主體是由微型伺服電動機驅(qū)動的輪式移動小車，車體上裝有射流元件及虹吸裝置，作業(yè)時先將車底油泥清理干凈，以保證其運動的平穩(wěn)性。車輪式移動結(jié)構其越障能力和地形適應能力差、轉(zhuǎn)彎效率低，所以較多使用于底泥較薄的汽油、煤油油罐，不適合在底泥較厚的柴油與原油油罐中使用。

圖3 全方位輪式清洗機器人

圖4 污水沉降罐清洗小車

履帶式移動結(jié)構是目前使用最普遍的移動結(jié)構，其越障能力、地形適應能力強，可原地轉(zhuǎn)彎，能適應各種類型的油罐。比較有代表性的是英國Surface Control公司開發(fā)的用于清洗油罐的真空槽車[5]、美國Petroleum Ferment公司開發(fā)的用于流化和噴擊底泥的完全水力車[6]、美國Offshore Cleaning Systems公司開發(fā)的Industrobot[7]（見圖5）和美國Landary服務公司開發(fā)的遙控自動小車[8]等（見圖6）。

圖5 Industrobot H5清洗機器人

圖6 Landary遙控自動小車

2.2 油罐清洗機器人進罐結(jié)構研究

對于目前主流的履帶式油罐清洗機器人，其本體結(jié)構大多采用了組裝式和變形式兩種。組裝式機器人往往體積大，質(zhì)量大，機器人需要在罐外拆分后通過人孔運入罐內(nèi)，最后派遣技術熟練的工人進入罐內(nèi)完成組裝。拉格比Hydrovac工業(yè)和石油服務有限公司[9-10]開發(fā)了一種如圖7所示的被稱為水利推土機（Hydrodozer）的罐內(nèi)底泥清洗履帶式小車，小車由推土檔板、機械吊桶和帶壓噴射清洗頭組成，采用液壓驅(qū)動能夠方便地拆解成不同部分，進入油罐內(nèi)進行組裝。鄧三鵬等[11]介紹了一種如圖8所示的油罐油泥清理機器人系統(tǒng)，其機械結(jié)構由左履帶、右履帶、推鏟、主體和云臺五個模塊組成，分體模塊均可以通過罐壁人孔運入罐內(nèi)，這種模塊化設計解決了機器人的進罐問題。組裝式機器人需要借助外部動力才能將各個部件運送到儲油罐內(nèi)部，人員進罐組裝時需要做好安全防護，不僅耗時耗力而且存在著安全隱患。

圖7 Hydrodozer水利推土機

圖8 油泥清理機器人

圖9 NESL遠程遙控清洗小車

變形式機器人通過改變形狀以減小徑向包絡圓直徑，在收縮形態(tài)下依靠自身動力，通過罐壁人孔進入儲油罐內(nèi)部，隨后伸展至展開形態(tài)進行清洗作業(yè)。圖9所示為英國NESL公司[12]開發(fā)的遠程遙控清洗小車，液壓驅(qū)動，通過位于底部和前部的兩個液壓油缸驅(qū)動連桿機構來分別改變底盤軌距和抬放噴頭支架，進而實現(xiàn)形態(tài)變化。圖10所示為美國Landary服務公司開發(fā)的折疊式自動進罐小車，通過一個液壓油缸驅(qū)動連桿機構能同時改變履帶底盤的軌距和噴頭的位置[13]。變形式機器人機械結(jié)構、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)較為復雜，但是可以真正意義上實現(xiàn)非人員進罐清洗作業(yè)，有利于實現(xiàn)自動化控制并提高工作效率。

圖10 Landary折疊式自動進罐小車

2.3 油罐清洗機器人清洗裝置研究

清洗裝置決定了機器人搭載機構的形式，根據(jù)采用的清洗工藝，常見的清洗裝置可以分為三類：用于機械破碎底泥的工具、通過高壓水射流流化底泥的各類噴頭、用來抽吸底泥固液混合物的抽污泵。清洗機器人可以只攜帶一種裝置，也可以攜帶幾種裝置配合使用。英國NESL公司[14]研發(fā)了一種如圖11所示的Comebi Moverjet小車，噴頭固定在云臺上，可以靈活地控制水射流的方向，流化后的底泥被安裝在底盤前端的吸嘴抽出。新加坡Enviro-Force公司[15]研發(fā)的Tank Cleaning Tractor隨車攜帶移動抽污泵，前端安裝有動力螺旋刀具，能有效打碎底泥，流化后的底泥固液混合物通過位于刀具后方的通道被泵吸到罐外進行下一步的處理。意大利Gerotto Federico公司[16]研發(fā)的Lombrico微型抽吸挖掘機，由工業(yè)真空吸塵器、微型挖掘機和攝像照明設備等組成，特制的吸嘴可以對底泥邊挖邊吸。三種清洗裝置中，噴頭和抽污泵能較好地清洗成品油罐；機械破碎工具常用于底泥很厚的原油罐，而不適用于成品油罐。

圖11 ComebiMoverjet小車

3 控制系統(tǒng)研究

考慮到機器人所處的環(huán)境是爆炸性危險場所，所用電氣設備需要采用防爆型式，受制于早期防爆產(chǎn)品匱乏和價格昂貴，且由于國內(nèi)外內(nèi)浮頂儲油罐結(jié)構不盡相同，國外諸如NESL等公司開發(fā)的遠程遙控清洗小車、意大利Gerotto Federico公司研發(fā)的Lombrico微型抽吸挖掘機、Landary服務公司開發(fā)的遙控自動小車等均采用了液壓驅(qū)動、有線通訊、遙控控制的方式。機器人攜帶作業(yè)時，攜帶CCD攝像頭、LED照明燈、可燃氣體傳感器和氧氣傳感器。操作人員在位于安全區(qū)域的控制室內(nèi)通過車載攝像頭來監(jiān)視機器人行進狀態(tài)和清洗效果；通過在人孔或者浮盤加裝全局攝像頭來觀察機器人在罐內(nèi)位置，以及確定清洗區(qū)域；通過可燃氣體傳感器和氧氣傳感器來實時檢測罐內(nèi)油氣與氧氣濃度，確保作業(yè)安全。

國內(nèi)鄧三鵬等[17]研制油泥清理機器人，可依據(jù)圖像采集及顯示裝置顯示的情況手動操縱機器人行走、清理工作，或者使其按照設定的程序行走并進行自動清理。周利坤等[18]研制的全方位移動清洗機器人包括通訊傳感單元、控制單元和供電單元，通訊傳感單元能檢測周圍環(huán)境和機器人的各種信息，并反饋給遠程控制單元；控制單元包括了人工控制模塊和智能控制模塊。

隨著防爆技術的不斷發(fā)展，大量防爆產(chǎn)品出現(xiàn)，可供機器人選擇的各類電氣設備逐漸增多，使先進控制理論與技術、計算機技術在儲油罐清洗機器人控制系統(tǒng)上的應用成為可能。我國在儲油罐清洗機器人控制方面開展了路徑規(guī)劃和行走控制策略等研究，提出了全覆蓋遍歷路徑規(guī)劃方法及評價指標與基于PLC的電液閉環(huán)控制策略[19-21]。

4 總結(jié)與展望

國外早在1986就開始了相關研究，目前已經(jīng)有類型眾多的適用于內(nèi)浮頂儲油罐清洗機器人投入使用，許多提供優(yōu)質(zhì)儲油罐清洗服務的公司基于機器人技術設計了先進的非人員進罐清洗系統(tǒng)，并在實踐中取得了良好的效果[22]。由于國外在內(nèi)浮頂儲油罐結(jié)構（國外沒有浮盤支柱）以及對作業(yè)管理要求（國外通過置入惰性氣體能夠保證罐內(nèi)為1區(qū)）上與國內(nèi)存在著差異，國內(nèi)機器人作業(yè)環(huán)境相對來說更為苛刻，雖然國內(nèi)在儲油罐清洗機器人領域開展的相關研究取得了一定進展，提出了一些行走和控制方案并研制出了相關樣機，但是尚沒有適合于內(nèi)浮頂儲油罐的相關產(chǎn)品在商業(yè)中應用。機器人清洗與行走裝置對罐內(nèi)復雜環(huán)境的適應性、清洗效果、控制性能、安全保障與經(jīng)濟效益等問題還有待進一步深入研究?？傮w來說，儲油罐清洗機器人技術在國內(nèi)處于研究探索階段。

對于我國內(nèi)浮頂儲油罐清洗機器人研發(fā)而言，仍有一些亟待解決的難題：

（1）防爆設計。避免發(fā)生靜電集聚，避免產(chǎn)生碰撞火花，機器人進罐應有引導機制，防止與人孔碰撞，機器人進入危險區(qū)域內(nèi)攜帶的電氣設備需要達到相應的防爆等級，電氣連接符合防爆型式的要求，減少電氣使用并盡量避免中間接線。

（2）臍帶纜的設計及收放纜控制。機器人拖拽的臍帶纜需要具備耐磨、耐疲勞、耐腐蝕、防靜電、抗拉的特點；同時臍帶纜的收放要匹配機器人的控制，機器人行走過程中應當避免摩擦、碾壓和纏繞臍帶纜。

（3）遠程無人控制。實現(xiàn)機器人作業(yè)工況的實時監(jiān)控、故障診斷和抗干擾通信，合理地規(guī)劃路徑及可靠地自主避障。

（4）行走性能與清洗效率。行走裝置具備對復雜地形的適應能力，實現(xiàn)底泥高效清洗及清洗機構參數(shù)的優(yōu)化。

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（欄目主持 紀嫦杰）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.10.002

鄭霄峰：在讀碩士研究生，2013年畢業(yè)于華北水利水電大學機械學院，從事光電檢測與機器人技術研究工作。

2015-03-04

基金論文：2014年度北京市屬高等學校“長城學者”培養(yǎng)計劃資助項目(CIT&TCD20150317)。

13146082418、zheng11098938@foxmail.com