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（來源：我們電廠人）

【摘要】隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和生產(chǎn)運(yùn)行安全性要求的提高，高空設(shè)備的檢測需求日益增加。傳統(tǒng)的檢測方式存在諸多弊端，如高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高、檢測效率低、周期長、成本高等，難以滿足工業(yè)4.0時代快速檢修和精準(zhǔn)診斷的需求。

柔性導(dǎo)軌機(jī)器人作為一種新型的檢測設(shè)備，以其獨(dú)特的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)對鍋爐水冷壁、高過、高再等高空設(shè)備的全覆蓋無損檢測。

該機(jī)器人采用模塊化結(jié)構(gòu)，可搭載超聲測厚儀、冷陰極X射線檢測儀、氧化皮檢測儀、高清攝像頭等多種檢測設(shè)備，具備360°無死角檢測能力，可有效替代人工完成危險(xiǎn)作業(yè)。

本文圍繞高空設(shè)備檢測現(xiàn)狀與需求展開討論，并介紹了柔性導(dǎo)軌機(jī)器人的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與工作原理，闡述其在鍋爐水冷壁和高溫過熱器檢測中的典型應(yīng)用方案。

同時，分析了該系統(tǒng)在提高檢測效率、保障安全和降低成本方面的優(yōu)勢與應(yīng)用價值，為高空設(shè)備無損檢測機(jī)器人的創(chuàng)新技術(shù)和應(yīng)用前景提供參考。

01

高空設(shè)備檢測現(xiàn)狀與需求

1. 高空設(shè)備檢測現(xiàn)狀

在工業(yè)生產(chǎn)中，高空設(shè)備的檢驗(yàn)檢測對于保障安全生產(chǎn)至關(guān)重要。例如，火電鍋爐的受熱面在長期運(yùn)行過程中，由于受高溫、高壓、飛灰等多重因素影響，容易出現(xiàn)管壁局部減薄、磨損、腐蝕以及氧化皮堆積等問題，嚴(yán)重時甚至可能發(fā)生爆管并引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，造成人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失。

因此，需要通過定期無損檢測等手段預(yù)防事故發(fā)生。

然而，傳統(tǒng)的檢測方式面臨諸多挑戰(zhàn)和困難。目前，高空檢測主要依靠人工搭建腳手架或升降平臺進(jìn)行檢查，不僅作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高，而且消耗大量的人力物力，檢測成本居高不下，檢測效率低。

以某百萬級鍋爐為例，水冷壁管總數(shù)過千，總焊縫量超過二十萬處，人工檢查依賴目視檢查或便攜式儀器抽查，既耗時又容易遺漏缺陷，檢測結(jié)果受作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)影響較大，在有限的停爐時間內(nèi)無法充分檢測。

而且鍋爐爐膛內(nèi)環(huán)境通常粉塵濃度高、溫度高且通風(fēng)不良、光線昏暗，這些惡劣條件不僅影響檢測精度，也給作業(yè)人員的身體健康和心理承受能力帶來負(fù)擔(dān)。

同時，人工檢查在數(shù)據(jù)管理方面也存在困難，難以實(shí)現(xiàn)檢測結(jié)果的快速統(tǒng)計(jì)和有效利用，這也在一定程度上影響了檢修決策的效率和準(zhǔn)確性。

圖1 搭建腳手架進(jìn)行人工檢查

2. 現(xiàn)有檢測機(jī)器人人的弊端

市場上出現(xiàn)的部分爬壁機(jī)器人等替代方案雖然能在一定程度上減少人員高空作業(yè)，但也存在顯著弊端。

絕大多數(shù)爬壁機(jī)器人采用磁輪吸附方式進(jìn)行行走，一方面，機(jī)器人自重較大或管屏表面存在防磨涂料、氧化皮等，降低磁吸附力，增加機(jī)器人掉落的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，這類機(jī)器人自身的越障能力較差，很難越過3cm以上障礙物，對于鍋爐中的防磨梁等障礙難以跨越，檢測效果受限。

因此，高空無損檢測對檢測設(shè)備的智能化、靈活性和可靠性提出了更高要求，成為行業(yè)迫切需要解決的問題。

02

柔性導(dǎo)軌機(jī)器人結(jié)構(gòu)

及在鍋爐檢測中的應(yīng)用

針對上述問題，柔性導(dǎo)軌機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，以解決高空設(shè)備檢測過程中作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)高、檢測效率低的難題，未來有望逐步替代傳統(tǒng)人工檢測方式。

柔性導(dǎo)軌機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)由柔性導(dǎo)軌行走機(jī)構(gòu)、硬性導(dǎo)軌、檢測模塊、終端控制模塊、定位模塊等部分組成，設(shè)計(jì)上充分考慮了高空環(huán)境的復(fù)雜性和檢測需求。

圖2 柔性導(dǎo)軌機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

1. 行走機(jī)構(gòu)及原理

柔性導(dǎo)軌機(jī)器人的核心部件是它的行走機(jī)構(gòu)，其中包含橫向?qū)к壓涂v向?qū)к壖跋鄳?yīng)的行走單元。

首先，行走機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人的移動平臺，依靠導(dǎo)向輪與柔性導(dǎo)軌之間的摩擦力驅(qū)動，可在導(dǎo)軌上平穩(wěn)行進(jìn)。行走機(jī)構(gòu)配備編碼器或編碼輪，精確記錄行進(jìn)距離和位移，有利于與定位模塊的數(shù)據(jù)融合。

基于現(xiàn)有技術(shù)，該機(jī)構(gòu)行進(jìn)速度可達(dá)8 米/分鐘，最大承重達(dá)到180千克，能夠承載各類檢測儀器，如超聲測厚儀、氧化皮檢測儀、數(shù)字射線成像儀等等，滿足各類檢測需求。

柔性導(dǎo)軌采用高強(qiáng)度、耐磨且柔韌性良好的材料制造，能夠適應(yīng)高溫、高塵等復(fù)雜環(huán)境，長期保持穩(wěn)定性能，實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)。橫向?qū)к墐啥斯潭ㄓ阱仩t的爐頂或水冷壁看火孔處，或按照受檢區(qū)域形狀靈活布置，并配備緊繩器以保證行走機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)動；縱向?qū)к夁B接橫向?qū)к壟c行走機(jī)構(gòu)，上端沿橫向?qū)к壴谒椒较蛏匣瑒印Ｍㄟ^縱橫導(dǎo)軌的組合，可在待檢測壁面上構(gòu)建完整坐標(biāo)系，使檢測探頭能夠移動到任意位置，實(shí)現(xiàn)無死角檢測。

此外，機(jī)器人的運(yùn)動依靠導(dǎo)軌而非磁力吸附，不受管屏表面涂層和結(jié)構(gòu)障礙的影響，可以穩(wěn)定運(yùn)行于各種復(fù)雜環(huán)境中，較磁力爬行類機(jī)器人更加靈活。

圖3 柔性導(dǎo)軌機(jī)器人現(xiàn)場檢測

2. 檢測模塊

檢測模塊是柔性導(dǎo)軌機(jī)器人完成無損檢測任務(wù)的關(guān)鍵部分，通常集成多種檢測傳感器和分析設(shè)備。根據(jù)不同場景下的常見缺陷類型和工業(yè)要求，檢測模塊一般包括但不限于以下幾類設(shè)備：

(1) 電磁超聲測厚儀

在水冷壁檢測中，硬性導(dǎo)軌懸掛于縱向行走機(jī)構(gòu)上，并隨之上下移動。當(dāng)機(jī)器人移動到目標(biāo)檢測位置后，硬性導(dǎo)軌兩端的電磁鐵通電磁化，吸附于被測管屏，使電磁超聲測厚探頭能夠在導(dǎo)軌上穩(wěn)定地橫向移動。測量完成后電磁鐵斷電退磁，機(jī)器人即可整體移動到下一檢測點(diǎn)。

該檢測方式無需耦合劑，即使管屏表面存在少量結(jié)焦、氧化皮或輕微不平整，也能正常測量；測厚探頭可以連續(xù)快速地采集管壁厚度數(shù)據(jù)，并穩(wěn)定地傳輸?shù)娇刂破?；系統(tǒng)可自適應(yīng)不同規(guī)格的管排，實(shí)現(xiàn)對不同管徑管子的連續(xù)測厚，測量精度可達(dá)到±0.1毫米，并可一鍵生成檢測報(bào)告。

(2) 高清攝像頭

為補(bǔ)充輔助檢測作業(yè)，機(jī)器人可搭載高清攝像頭進(jìn)行一體化視覺檢測。通過高清攝像頭，既能夠輔助硬性導(dǎo)軌和機(jī)械爪固定位置，也能夠配合高亮度LED采集管屏表面圖像，實(shí)時監(jiān)測管屏表面裂紋、砸傷、變形、磨損等多種缺陷，實(shí)現(xiàn)多功能融合，提升了檢測的全面性。

圖4 高清攝像頭進(jìn)行視覺檢測

(3) 冷陰極X射線數(shù)字成像儀

當(dāng)需要對高過、高再的焊縫裂紋、氣孔、氧化皮等缺陷等進(jìn)行高分辨率檢測時，柔性導(dǎo)軌機(jī)器人可攜帶冷陰極X射線源和數(shù)字成像板至目標(biāo)位置。機(jī)器人采用兩套平行布置的導(dǎo)軌系統(tǒng)，在管屏一側(cè)安裝射線機(jī)，另一側(cè)布置數(shù)字成像板，同步移動并通過機(jī)械爪固定，在射線拍攝時保持穩(wěn)定，實(shí)時成像。

圖5 高過、高再的X射線檢測及氧化皮檢測

(4) 數(shù)字氧化皮檢測儀

當(dāng)需要進(jìn)行氧化皮檢測時，柔性導(dǎo)軌上裝配機(jī)械臂，機(jī)械臂前端搭載氧化皮檢測儀探頭，對彎頭區(qū)域的氧化皮堆積量進(jìn)行定量檢測，同時裝配超聲測厚儀對管壁厚度進(jìn)行實(shí)時測量，綜合評估該部位的運(yùn)行狀態(tài)。

檢測模塊亦可配置紅外、超聲導(dǎo)波、磁粉等設(shè)備，這些傳感器往往通過模塊化接口安裝在機(jī)器人端部，可根據(jù)具體檢測任務(wù)靈活替換或組合。這一綜合檢查方案可快速移動位置，節(jié)約了反復(fù)拆裝檢測設(shè)備的時間，實(shí)現(xiàn)了管屏檢測的連續(xù)化、大面積覆蓋，大幅提高了檢測效率。

3. 控制模塊

柔性導(dǎo)軌機(jī)器人的終端控制模塊集成了運(yùn)動控制、檢測操作控制、通信功能控制、實(shí)時影像和檢測數(shù)據(jù)監(jiān)測、路徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)存儲等等。

操作人員通過人機(jī)交互界面可以遠(yuǎn)程操控機(jī)器人啟動或停止，調(diào)節(jié)傳感器參 數(shù)，執(zhí)行二維坐標(biāo)行走等；配套的系統(tǒng)軟件集成實(shí)時影像顯示和檢測數(shù)據(jù)顯示，可及時發(fā)現(xiàn)缺陷并報(bào)警；軟件能夠根據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)和檢測計(jì)劃自動生成機(jī)器人行進(jìn)路徑，并在檢測過程中根據(jù)進(jìn)度實(shí)時調(diào)整路徑，確保高效覆蓋所有檢測區(qū)域；檢測完成后系統(tǒng)自動化整理檢測數(shù)據(jù)，對測量結(jié)果進(jìn)行初步分析，標(biāo)記缺陷位置，生成詳細(xì)的檢測報(bào)告，為后續(xù)分析和決策提供依據(jù)。

圖6 機(jī)器人控制單元

4. 定位模塊

定位模塊負(fù)責(zé)實(shí)時確定機(jī)器人在鍋爐內(nèi)部的空間位置，以保證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確位置關(guān)聯(lián)。值得注意的是，在高溫鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部使用GPS 等定位方式不可行，因此需要采用基于導(dǎo)軌的機(jī)械定位方式。

機(jī)器人通過激光測距和視覺輔助定位技術(shù)，控制精度高，并配備計(jì)米器自動記錄所測管子編號，對檢測到的缺陷進(jìn)行噴涂標(biāo)記，便于后續(xù)的復(fù)查與缺陷消除。

此外，定位模塊可能結(jié)合固定參考點(diǎn)或標(biāo)志物進(jìn)行絕對定位。根據(jù)鍋爐管屏布局，可預(yù)先在上下游管道或結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上設(shè)定標(biāo)記點(diǎn)，機(jī)器人通過視覺系統(tǒng)或近場傳感器識別后校正坐標(biāo)誤差。

圖7 噴涂標(biāo)記定位

以上模塊的緊密配合，使柔性導(dǎo)軌機(jī)器人能夠在復(fù)雜的鍋爐環(huán)境中精確地完成各項(xiàng)檢測任務(wù)。定位模塊與檢測數(shù)據(jù)相融合后，可實(shí)現(xiàn)“位置-缺陷”一一對應(yīng)的數(shù)字化檢驗(yàn)記錄。例如，在掃描過程中，系統(tǒng)將厚度測量值與當(dāng)前的導(dǎo)軌坐標(biāo)存儲于數(shù)據(jù)庫，構(gòu)成管屏完整的檢測地圖，便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析和缺陷追蹤。

03

柔性導(dǎo)軌機(jī)器人優(yōu)勢

柔性導(dǎo)軌機(jī)器人相較于傳統(tǒng)檢測方案具有多方面的顯著優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1. 安全

首先，在安全性方面，柔性導(dǎo)軌機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操作，將檢測人員的高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)降到最低。操作者在地面通過終端控制系統(tǒng)即可對機(jī)器人進(jìn)行全程控制，從而避免了人員直接進(jìn)入高溫高壓的環(huán)境中進(jìn)行檢查的危險(xiǎn)。

在機(jī)器人的設(shè)計(jì)上，柔性導(dǎo)軌取代了磁吸附式移動，避免了由于吸附力不穩(wěn)帶來的墜落風(fēng)險(xiǎn)，即使管壁有油漆、氧化皮或防磨涂層，也不會脫落；并且導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)可以自行支撐，運(yùn)行過程中無需額外增加防墜裝置。

同時，機(jī)器人自身具有較大的承載能力，可以滿足常用檢測儀器的重量需求，確保檢測過程安全可靠。這些特性顯著降低了檢修中的事故發(fā)生率，保障了操作人員的安全。

2. 全面

其次，柔性導(dǎo)軌機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)對鍋爐管屏的360度全覆蓋檢測。安裝兩條柔性導(dǎo)軌后，管屏的任何部位都可覆蓋；多種檢測探頭可以同時裝配在機(jī)器人上，例如超聲測厚探頭、射線成像裝置、氧化皮檢測探頭等，可同步進(jìn)行多項(xiàng)檢測任務(wù)。

機(jī)器人能夠在一個檢測周期內(nèi)同時完成壁厚測量、裂紋檢測、氧化皮檢測、管壁磨損與腐蝕評估等多種檢測項(xiàng)目，并將多種檢測結(jié)果進(jìn)行綜合評估與分析，大大提升了檢測效率和準(zhǔn)確性，保證了檢測的全面性和無遺漏。

3. 靈活

在靈活性方面，柔性導(dǎo)軌機(jī)器人具備快速部署和廣泛適應(yīng)能力。其設(shè)計(jì)靈活，各組件能夠根據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)快速安裝或調(diào)整，無需復(fù)雜的前期準(zhǔn)備。

機(jī)器人具有橫向和縱向的雙向移動能力，可以輕松到達(dá)不同的檢測點(diǎn)；當(dāng)面對復(fù)雜管屏?xí)r，可以配合機(jī)械臂、機(jī)械爪等附件進(jìn)行輔助固定和操作，使機(jī)器人適應(yīng)各種管屏布局，在實(shí)際應(yīng)用中大幅度節(jié)約時間，適用于檢修周期緊張的場景。

整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各個功能模塊可以根據(jù)電廠實(shí)際需求進(jìn)行選配，既可以滿足不同鍋爐機(jī)組的檢測要求，又便于維護(hù)和升級。

4. 可追溯性

柔性導(dǎo)軌機(jī)器人內(nèi)置強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和存儲功能，對檢測過程中的各種圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確記錄和歸檔。這些數(shù)據(jù)可用于歷史溯源和分析，為后續(xù)維護(hù)決策提供數(shù)據(jù)支撐。通過分析積累的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行趨勢分析和故障預(yù)測，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，有助于優(yōu)化檢修計(jì)劃。

同時，詳細(xì)的數(shù)據(jù)記錄也可以明確檢測過程中的各個環(huán)節(jié)和人員責(zé)任，增強(qiáng)了檢測過程的可控性和透明度。

綜上所述，柔性導(dǎo)軌機(jī)器人憑借其在安全性、檢測全面性、部署靈活性和數(shù)據(jù)可追溯性等方面的優(yōu)勢，為高空設(shè)備的無損檢測提供了創(chuàng)新的解決方案。

04

柔性導(dǎo)軌機(jī)器人應(yīng)用價值

柔性導(dǎo)軌機(jī)器人的推廣應(yīng)用將為工業(yè)生產(chǎn)帶來了多方面的價值：

1. 提高自動化水平

機(jī)器人可無人值守地巡檢并連續(xù)自動化采集數(shù)據(jù)和圖像，減少人工統(tǒng)計(jì)誤差， 實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的全面監(jiān)測，為設(shè)備健康評估提供實(shí)時的數(shù)據(jù)支持。自動化檢測也使得大面積高空檢測變得可行，縮短了檢修周期，使“逢停必檢”成為可能。

2. 提升檢測效率

柔性導(dǎo)軌機(jī)器人能夠在高溫、高塵等惡劣環(huán)境下替代人工完成檢測任務(wù)，有效減少人為誤差和事故發(fā)生率。在相同時間內(nèi)，機(jī)器人完成的檢測工作量遠(yuǎn)高于人工，從而提高了整體檢修效率和準(zhǔn)確性。

3. 降低安全風(fēng)險(xiǎn)

應(yīng)用柔性導(dǎo)軌機(jī)器人后，不再需要檢測人員高空作業(yè)，也無需頻繁搭建腳手架或升降平臺，從而消除了高空安全隱患。

4. 降低運(yùn)維成本

柔性導(dǎo)軌機(jī)器人的全覆蓋檢測能力降低了檢測成本。機(jī)器人一次部署后可覆蓋整個管屏的所有檢測點(diǎn)，避免了反復(fù)拆裝或移動檢測裝置的過程，檢修總工時顯著減少，降低了停機(jī)損失，運(yùn)維成本得到控制。

此外，機(jī)器人集成多種檢測功能可在單次檢測中完成壁厚、裂紋、氧化皮等多項(xiàng)檢測任務(wù)，一機(jī)多能，減少了設(shè)備投入，優(yōu)化了資源配置。

5. 智能化管理

最后，柔性導(dǎo)軌機(jī)器人的應(yīng)用有助于提高設(shè)備可靠性和管理水平。自動化且高精度的檢測為設(shè)備運(yùn)行提供了及時可靠的診斷信息，可為預(yù)測檢修、壽命評估等提供依據(jù)。同時，完善的數(shù)據(jù)記錄和分析功能為管理者提供了決策支持，助力電廠提升設(shè)備監(jiān)測與維護(hù)的智能化水平。

05

總結(jié)

柔性導(dǎo)軌機(jī)器人作為一種新型的高空無損檢測設(shè)備，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠適應(yīng)復(fù)雜的高空檢測環(huán)境；其檢測功能全面，集成了多種檢測手段以滿足多樣的檢測需求；其運(yùn)行靈活，可快速部署并實(shí)現(xiàn)高效檢測；其數(shù)據(jù)記錄和分析功能強(qiáng)大，為設(shè)備維護(hù)提供了有力支持。

目前，我們已在多家電廠進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，取得了良好效果。機(jī)器人系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行并輸出高質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)，為后續(xù)大規(guī)模推廣提供了可靠依據(jù)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，柔性導(dǎo)軌機(jī)器人將在高空設(shè)備無損檢測領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，為工業(yè)生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性提供有力保障。

企業(yè)簡介

北京國電電科院檢測科技有限公司是一家專注于智能檢測設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)、銷售，并提供防磨防爆檢查服務(wù)、靈活性改造和無損檢測技術(shù)服務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)，致力于為客戶提供全方位、智能化的解決方案，保障設(shè)備安全運(yùn)行，推動行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。

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