管道内表面三维形貌视觉检测理论与技术研究

石油和石化工业为国民生产各行业提供能源和原材料，是保障国家经济发展的重要产业。海上石油开发由于受到海水、海域环境的影响，和陆上石油用管道相比，管道腐蚀尤为严重。石油和石化管道内表面的腐蚀检测对于保证设备安全运行、减少能源浪费以及环境污染具有重要意义。激光视觉测量将激光技术与计算机技术充分结合具有信息量大、测量效率高、精度好、非接触以及自动化程度高等特点，被广泛用于物体表面形貌、空间位置测量等许多在线测量的场合，因此将激光视觉检测技术用于管道内表面腐蚀和瑕疵的精确三维测量，并基于测量三维点进行缺陷三维重构可视化是当今管道内表面检测技术的发展趋势。本项目在已有相关研究工作的基础上，基于计算机视觉技术、图像处理技术和射影几何理论，突破了受限空间管道内表面检测的关键技术瓶颈，搭建了小管径管道内表面激光视觉检测系统。本项目围绕激光视觉三维测量的理论和关键技术问题，针对小管径管道内表面激光视觉检测的结构模式、图像特征提取、高精度校准及三维重构等理论和关键技术进行了深入研究。具体研究内容如下： 1. 提出了管道内表面激光视觉测量系统总体方案，确定了小口径管道受限空间激光视觉传感器的纵向结构模式。 2 基于结构光视觉和透视投影理论，建立了管道内表面检测激光视觉传感器模型。 3 针对管道内表面圆结构光条特征，研究了管道内表面图像噪声剔除方法以及亚像素圆结构光条中心提取方法。 4 研究了基于平面靶标和量值传递理论的圆结构光标定点获取方法，设计了适于圆结构光模式的平面靶标，确定了标定和测量同步进行的测试方案。 5 搭建了基于圆结构光的管道内表面激光视觉测量系统，针对公称直径为80mm的工业管道，进行了无缺陷和模拟缺陷的三维测量。 6. 研究了基于圆结构光测量三维数据点的管道孔洞和凹凸缺陷检测及三维重构方法。 本项目突破了激光视觉管道内表面检测基础理论和关键技术瓶颈，研制出小口径管道内表面腐蚀检测样机，为改善我国石油和石化管道腐蚀检测技术落后和依赖进口的现状提供了技术支撑，实现了管道内表面测量的可视化，为保证石油生产的安全高效做出了贡献。 基于本项目开展的关键技术研究申请了国家发明专利三项，已授权一项。发表EI等收录论文1篇，核心期刊收录论文4篇，已投EI期刊待录用文章2篇。已投SCI期刊论文一篇。 2100433B

本项目围绕管道内表面腐蚀激光视觉检测，从理论方法、关键技术与系统装置等方面开展系统深入研究，研制出满足管道内表面腐蚀激光视觉检测的样机，具体研究内容为：建立激光视觉检测管道内表面三维测量模型，以及适于现场受限空间的视觉传感器结构模式，提出利用少数特征点获取大量隐性特征点的方法，提出适于管道内表面测量现场受限空间激光视觉传感器校准方法，并研制校准装置，提出圆激光光条图像特征的高精度快速提取方法，构建管道内表面激光视觉检测系统样机，并对各项性能指标进行实验验证和评价。本项目研究为管道内表面腐蚀提供有效地检测手段，为改善我国石油和石化管道腐蚀检测技术的落后和依赖进口的现状提供有力的技术支撑，为保证石油产品生产的安全高效做出贡献。

《油气管道缺陷漏磁内检测理论与应用》编著者黄松岭。

本书系统论述了油气管道缺陷漏磁内检测理论及其实现技术、油气管道内检测的意义及相关法规和标准。全书共分7章，包括绪论、漏磁内检测原理及其影响因素分析、油气管道内检测用传感器设计、检测信号处理方法、地面标记方法、漏磁检测缺陷量化和检测数据分析专家系统。

本书内容是作者10多年来理论和应用研究成果的总结，可供电磁无损检测相关技术和工程人员参考，也可作为无损检测人员的资格培训和高等院校相关专业的参考教材。书中信号处理和数据分析专家系统方面的内容对其他无损检测开发人员也具有借鉴意义。

冷轧带钢的表面形貌是在冷轧平整过程中由轧辊毛化表面转印形成的，对其冲压、摩擦和涂镀性能有重要影响。为掌握冷轧平整界面三维表面形貌转印过程的特征与规律，本研究将首先采用图像拼接与匹准的技术完成轧辊、带钢接触位置三维形貌的对应性测量和比较，结合纳米压痕、划痕实验，定量描述以微凸体压入和犁沟耦合作用为基础的三维形貌转印机制。其次，将在低阶应变梯度塑性理论框架下，结合IF钢宏、细观力学实验建立能够解释形貌转印过程中尺度效应的基于细观位错模型的材料本构关系。最后，建立包含宏观带钢基体塑性变形和细观三维形貌转印的多尺度有限元模型，对冷轧平整界面三维形貌转印问题展开数值模拟，分析尺度效应、毛化轧辊初始形貌和宏观轧制工艺参数对形貌转印过程的影响。该课题研究有助于揭示冷轧平整界面三维表面形貌的转印机理，掌握尺度效应下三维形貌的转印规律，为高质量冷轧面板表面形貌的控制奠定基础。

冷轧带钢的表面形貌是在冷轧平整过程中由轧辊毛化表面转印形成的，是冷轧带钢最重要的表面质量指标之一，对高档汽车面板和家电面板的冲压性能以及辊涂或喷涂后漆面与基体结合力有很大的影响。研究制定高质量面板表面形貌的控制工艺方法是提高冷轧产品表面质量的当务之急，在研究冷轧、平整过程细观表面形貌的转印行为中，需要迫切解决的基本科学问题表现为：冷轧平整过程形貌转印的机理问题，冷轧平整过程形貌转印的尺度效应问题，冷轧平整过程形貌转印的跨尺度建模问题。为此，本研究首先采用图像拼接与匹准的技术完成了轧辊、带钢接触位置三维形貌的对应性测量和比较。其次，在低阶应变梯度塑性理论框架下，结合IF钢宏、细观力学实验建立了能够解释形貌转印过程中尺度效应的基于细观位错模型的材料本构关系。最后，建立了包含宏观带钢基体塑性变形和细观三维形貌转印的多尺度有限元模型，对冷轧平整界面三维形貌转印问题展开数值模拟，分析尺度效应、毛化轧辊初始形貌和宏观轧制工艺参数对形貌转印过程的影响。该课题通过对三维形貌转印现象、机理、建模的深入系统研究，总结了尺度效应下三维形貌的转印规律，为高质量冷轧面板表面形貌的控制奠定基础。本课题侧重理论研究与实际应用的融合，在项目开展过程中，在跟踪测量实际生产中带钢表面形貌的基础上，分析了复印形成的带钢表面形貌的特征及规律，建立了轧辊处于不同磨损情况下油膜厚度与粗糙度复印率的关系，最终提出了冷轧成品带钢表面粗糙度的控制策略。为合作单位高质量汽车面板的生产提供了指导作用，带来显著技术进步与经济增长点，具有向其他生产企业进行推广的价值潜力。 2100433B