海洋技术▏水下机器人坐管作业机构设计与分析

王荣耀等溪流之海洋人生 2021-10-08

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深海采矿扬矿管和海底油气输运管道在其服役过程中需要长时间经受管内流体冲蚀、海水腐蚀以及海底洋流的作用，随着作业时间的累积其作业的安全性必将不断下降。基于海底环境的特殊性，海底管道维护的条件也极其苛刻，对其检测、维修的难度大。一旦发生事故，将引起作业设备和作业工时的重大损失，并对周围海洋环境造成污染。随着我国海底管道保有量和使用年限的增加，其在役检测和修复成为一个现实课题。

近年来，水下机器人技术得到了快速发展，在深海矿产资源探采领域亦逐步应用。通过水下机器人进行管外作业是海底管道检修的重要方法，目前国内已有的水下作业机器人由于缺乏可以贴合管道外壁进行沿管道检修作业的专用工具，无法直接用于海底管道的检修作业。设计、开发一种用于水下作业机器人的沿管道检修作业专用工具，对于降低海底管道检测和修复作业成本、保障海底管道的长时间安全服役意义重大。

一、坐管机构选型与设计

⒈坐管机构选型

目前国内外对于沿管行走装置的研究中，坐管行走机构根据其运动形式主要分为如下４种：

⑴气动蠕动式行走装置。该装置采用蠕动方式完成前进和后退，行走的动力来自于气缸。结构简单、控制方便，但行走速度受到限制。考虑到步进行走方式不便于海底管道的连续探测检查作业，另外由于海底管道在水下环境工作，海水的压力会使空气压缩严重，因此该方式不适用海底管道的检修。

⑵关节式管道行走装置。该装置通过其两端的手爪交替抓紧管道实现沿管道的行走，通过各关节处的协调旋转还可以实现沿管道的翻转和扭转行走。能顺利通过弯管和Ｔ型管等特殊管段，但其结构复杂，可靠性低，因此不适用于对作业效率和可靠度具有较高要求的海底管道作业。

⑶并联式管道行走装置。该装置包括若干组腿，通过给每组腿输入相应的指令，可以实现其沿着管道行走。其结构简单，但控制较为复杂，同时步进行走方式不便于海底管道的连续探测检查作业。

⑷轮式管道行走装置。该装置通过轮子的转动实现沿管道前进，类似汽车的行进方式。该装置结构简单且控制方便，适宜在平滑的管道上行走，但在弯管和不规则管道上行走时容易发生运动干涉。由于海底管道一般很少出现变外径以及大角度转弯，且海底管道平铺在海底，基本没有需要攀爬的管段。因此选择轮式行走方式作为坐管和沿管道行走的机构形式。

⒉坐管机构设计

设计的坐管机构主要包括用于连接水下机器人本体的卡箍、用于搭载作业工具的框架以及用于贴管壁行走的支撑轮，如图1所示。其材料采用耐海水腐蚀能力比较强同时重量轻的高强度树脂材料。

图1　坐管机构

坐管机构与水下机器人本体的连接效果如图2所示。系统浮心在上，重心在下，在海流等外力干扰下发生偏转后，通过重力和浮力产生的力矩作用可以自动恢复竖直状态，保证行进过程中不发生倾倒。同时，整个系统重量略大于浮力，沿管行进过程中通过富余重力的作用提供坐管的附着力，使坐管机构紧贴管壁。

图2　坐管机构与水下机器人本体的连接效果

二、坐管机构结构强度分析

对设计的坐管机构进行应力和变形分析。在Solidworks软件的Simulation模块中建立分析模型，将坐管处视为固定约束，建立的模型见图3。

图3　坐管框架强度分析有限元模型

考虑10kg的搭载重量，动载荷按照静载荷的2倍考虑，假定此载荷均匀分布在搭载框架上，计算得出的应力情况如图4所示。从图4中可以看出，坐管框架的最大等效应力为27.2MPa，发生在上层框架两端的连接处，小于材料的拉伸强度35MPa和弯曲强度57MPa，结构强度符合要求。

图4　应力分析结果

计算得出的变形情况如图5所示。从图5中可以看出，坐管框架的最大变形为1.35mm，发生在上层框架的中间位置，变形量不会导致结构的干涉。

图5　变形分析结

三、结论

⑴对管道外机器人沿管行走装置的主要类型进行了对比和分析，最终选用了轮式行走方式作为水下机器人坐管机构的行走方式，在此基础上对坐管机构的连接、搭载和行走支撑结构进行了设计。

⑵采用有限元方法对坐管机构在工作载荷下的应力与变形情况进行了分析，结果表明坐管框架的最大等效应力发生在上层框架两端的连接处，其大小在许可范围内，最大变形发生在上层框架的中间位置，变形量不会导致结构的干涉。

⑶本文研究的坐管作业机构可为海底管道的检修提供一种作业工具的参考方案，对于降低海底管道检测作业成本、保障海底管道的长时间安全服役具有重要意义。

【作者简介】文/王荣耀高宇清廖逍钊，分别来自长沙矿山研究院有限责任公司和中国石油大学（华东）；第一作者王荣耀，1985年出生，男，湖南益阳人，硕士，长沙矿山研究院有限责任公司，工程师，主要从事深海探矿、采矿技术及装备研究；本文来自《采矿技术》（2018年1期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。