Die Inspektion und Wartung von Tanks, Rohren und Leitungen ist eine Aufgabe, die sich für Roboter eignet, um Menschen aus den Inspektions- und Wartungsbereichen zu verdrängen. Typische Verfahren sind die konventionelle zerstörungsfreie Inspektion und fortschrittliche Sensortechniken zur Zustandsüberwachung. Die Wartung von Rohren und Kanälen mit Servicerobotern wird immer mehr zu einer Notwendigkeit. Die Gründe dafür sind die folgenden:
- Umweltanforderungen: Ein Abwassersystem muss nachweislich dicht sein.
- Ressourcenschonung: Die Notwendigkeit offener Reparaturen muss durch präventive Maßnahmen vermieden werden.
- Sicherheit: Die Bildung von Hohlräumen unter befahrbaren Flächen muss unbedingt verhindert werden.
Bei Rohr-, Kanalisations- und Leitungsrobotern handelt es sich in der Regel um segmentierte Roboter, die entweder mit Rädern oder Raupen ausgestattet sind, um sich im Inneren von Öl-, Gas- oder anderen Medienleitungen, Abwasserkanälen oder Frischwasserleitungen, Industrierohrleitungen oder Luftkanälen zu bewegen. Neben der schnellen Erkennung von Problemen innerhalb von Rohrsystemen, wie z. B. Fehler an Schweißnähten, Korrosion, Erosion, Brüche, Ablagerungen, lose Teile, fehlerhafte Innenbeschichtungen usw., können die Aufgaben auch das Schleifen oder Fräsen umfassen, wofür Spezialwerkzeuge erforderlich sind. Zu den Einsatzgebieten von Robotern gehören Rohr- und Kanalinspektion, Kanalreinigung, Rohrreinigung, Entzunderung, Lecksuche und einfache Reparaturarbeiten. Typische Robotersysteme für die Rohrinspektion gibt es in verschiedenen Ausführungen:
- Mobile Roboterscanner (mit Rädern und Raupen) können aus Segmenten bestehen, um engen Kurven zu folgen. Ihre Signal- und Energieübertragung kann angebunden oder ungebunden sein.
- Schwimmende Roboter, die durch die Rohre oder Kanäle gespült werden.
- Armkinematiken, oft in Form von Schlangenarmen, ermöglichen den Zugang zu unübersichtlichen Prüfumgebungen durch Schlüssellöcher.
Die meisten handelsüblichen Inspektionssysteme für Tanks, Rohre und Abwasserkanäle sind heute ganz oder teilweise ferngesteuert, so dass sich ein Bediener zumindest in der Nähe einer unangenehmen und gefährlichen Umgebung aufhalten muss. Außerdem reichen die bei der Inspektion gewonnenen Informationen in manchen Fällen nicht aus, um den Zustand des Tunnels vollständig zu beurteilen, so dass eine zusätzliche Inspektion unter Beteiligung eines menschlichen Bedieners erforderlich ist. Daher zielen die derzeitigen Forschungs- und Entwicklungsbemühungen darauf ab, die Inspektionsroboter völlig autonom zu machen. Ein völlig autonomes System kann die Inspektion des Tunnels durchführen, ohne die Sicherheit des Bedienpersonals zu beeinträchtigen.
Kanalisationsinspektion
Mit zunehmendem Alter der Wasserleitungen werden diese durch Betriebs- und Umweltbedingungen immer stärker beansprucht. Die Folge: Diese Leitungen verschlechtern sich strukturell und hydraulisch, was sich negativ auf die Wasserqualität, Leckagen und Zuverlässigkeit auswirkt. Eine wirksame Verwaltung dieser Anlagen erfordert eine Zustandsbewertung, d. h. die Erfassung von Informationen über ihren Zustand, die Analyse dieser Informationen und schließlich die Umwandlung dieser Informationen in Wissen, das es Ihnen ermöglicht, eine wirksame Entscheidung über die Aktualisierung zu treffen. In der Vergangenheit wurden zahlreiche Entwicklungen von Robotern für Abwasserkanäle, Rohre und Autobahnen untersucht.
Kanalisationsroboter haben meist die Form von mobilen, gefesselten Manipulatoren. Zu der für ihren Betrieb erforderlichen Ausrüstung gehören:
- Betrieb Fahrzeug
- IEinbringungsvorrichtung (in der Regel ein Kran)
- Kabelführungsvorrichtung (Trommelwickler)
- Steuergerät für Manipulator
- Medienversorgung
- Bedienerpult mit Monitor und Steuergeräten
In diesem Bereich bieten Roboterhersteller Sanierungsgeräte an, die bei der Sanierung von Abwasserkanälen helfen, was wesentlich einfacher und kostengünstiger ist als der Austausch von Abwasserrohren mit herkömmlichen Methoden. Kanalisationsroboter können Rohre mit einem Innendurchmesser von typischerweise 200 bis 600 mm reinigen, die für Menschen unzugänglich sind. Die Reichweite (ca. 300 Meter) ist durch die Fesselung des Manipulators begrenzt. Sie basieren in der Regel auf mehrteiligen Plattformen, die es ihnen ermöglichen, Biegungen und Kreuzungen zu folgen und sogar Stufen zu überwinden. Anstatt in ihrem Aktionsradius durch die Reibung des Kabels eingeschränkt zu sein, arbeiten sie autonom mit möglicher Ferneinwirkung. Zahlreiche Dienstleister setzen diese Inspektionsroboter für die Kartierung, Inspektion und Sanierung von Kanalisationen ein.
Inspektion von Gas- und Ölleitungen
Rohrleitungen sind Korrosion, mechanischer Beanspruchung, Ablagerungen, Verkrustungen und äußeren Einwirkungen ausgesetzt, die zu Durchflussminderungen oder sogar Explosionsunfällen führen können.
Eine regelmäßige Wartung durch Roboter ist notwendig. In den meisten Fällen verfügen große Rohrleitungen über eingebaute Reinigungs- und Inspektionsvorrichtungen (“Molche”). Bei kleineren Rohrleitungen können Roboter ein flexibles Instrument sein, um den Zustand der Rohre zu erfassen. In den meisten Fällen müssen die Roboter jedoch explosionsgeschützt sein. Mit Sensoren ausgerüstete Inspektionsroboter werden in Gas- oder Erdölleitungen eingeführt, um deren Zustand zu ermitteln. Obwohl die Inspektionsaufgaben ähnlich sind, unterscheiden sich die verfügbaren Roboter in ihrer Größe und ihrem Mobilitätskonzept je nach Durchmesser und geometrischen Eigenschaften der Gasleitung..
Kanalinspektion
Ein kontaminierter Lüftungskanal kann biologische und nicht-biologische Schadstoffe im gesamten Gebäude verbreiten und zum Sick-Building-Syndrom (SBS) führen. Angesammelter Staub kann das Verbreitungsmedium für Schadstoffe sein. Für die Wartung von Heizungs-, Lüftungs- und Klimakanalsystemen (HVAC) wurden zahlreiche Inspektionsroboter für Kanäle vorgestellt. Neben Inspektionsmodulen tragen diese Roboter Reinigungsmodule (Bürsten, Trockeneisstrahlen), Desinfektionssprühpistolen und/oder HD-Videokameras. Darüber hinaus sollte ihre Mobilität die Bewältigung aller Kanalformen sowie den horizontalen und vertikalen Auf- und Abstieg ermöglichen..
Beispiel für Systeme zur Kanalinspektion
RedZone Robotics bietet eine breite Palette von Robotern für die Inspektion von Abwasserrohren mit verschiedenen Durchmessern, die Beurteilung des Zustands des Abwassers und die Reparatur.
Inspector Systems bietet mehrere Roboter für die Inspektion von Rohren an, die sie als "pipe crawler robots" bezeichnen. Ihr Kanalinspektionsroboter basiert auf Ultraschallsensoren und kann sich in vertikalen und horizontalen Rohren mit einer Geschwindigkeit von bis zu 200 m/h bewegen. Der Roboter besteht aus drei Antriebselementen, die über flexible Faltenbälge verbunden sind, und einem Ultraschallmodul. Ähnliche Roboter, die zusätzlich mit kleinen Roboterarmen zum Führen, Schneiden und Schleifen von Werkzeugen ausgestattet sind, werden für die systematische Kanalsanierung eingesetzt, wie von Ibak JS Robotics vorgeschlagen. Ähnliche Produkte werden von IMS Robotics angeboten. Sewervue Technology bietet den Surveyor an, einen Raupenroboter mit mehreren Sensoren in Form von LiDAR, CCTV (Closed-Circuit TV) und einem Rohrdurchdringungsradar..
Das Fraunhofer IFF hat das automatisierte Kanalinspektionssystem für das deutsche Fluss- und Kanalsystem Emscher, die größte Siedlungswasserwirtschaft Europas und das Herzstück der zukünftigen Abwasserentsorgung im Ruhrgebiet, in Betrieb genommen. Das automatisierte Kanalinspektionssystem muss typische Schäden im Kanalsystem (Korrosion, mechanischer Verschleiß, Abflussbehinderungen wie Hindernisse, Ablagerungen und Inkrustationen; Lageabweichungen in Form von horizontalen, vertikalen, axialen Verschiebungen; Risse und Undichtigkeiten) durch seine verschiedenen Sensoren zuverlässig erkennen und abbilden. Darüber hinaus befreien Reinigungsdüsen den Kanal von Ablagerungen und Schlämmen..
Beispiel für Systeme für Gas-/Ölleitungen
ULC Robotics bietet eine breite Palette von Inspektionssystemen ähnlicher Größe für Druckgasleitungen zur internen Inspektion und Reparatur an. Pipetel bietet beispielsweise einen batteriebetriebenen Roboter zur Inspektion von nicht molchbaren Rohrleitungen an, um einen ununterbrochenen Gasbetrieb auch bei schwierigen Rohrleitungskonfigurationen wie Bögen und Gegenbögen zu gewährleisten. Engineering Services ESI hat eine Technik entwickelt, mit der die Abdichtung von gusseisernen Muffen und Stutzen vom Inneren des Rohrs aus mit einem ferngesteuerten Roboter durchgeführt werden kann.
Der Roboter fährt in das Innere des Rohrs, bis er die gewünschte Muffe erreicht hat, und bohrt ein Loch in den Muffenstutzen. Die Abdichtung der Muffe erfolgt durch Einspritzen eines anaeroben Dichtungsmittels in die Jutepackung der Muffe, wodurch das derzeitige Reparaturverfahren von außen nachgebildet wird.
Die Responder-Plattform von RedZone Robotics führt Inspektions- und Sanierungsaufgaben in Abfang- und Tunnelrohren mit einem Durchmesser von 90 cm bis zu 15 oder sogar mehr Metern durch. Responder kann bis zu 1,5 km weit durch einen einzigen 60-cm-Schacht eingesetzt werden. Mit seiner Bordhydraulik und der Möglichkeit, per Sonar, Laser oder Video zu navigieren, kann der Roboter auch die schwierigsten Umgebungen erreichen.
Kugelförmige Lagertanks (kugelförmige Gasbehälter und LPG-Lagertanks) müssen regelmäßig geprüft werden. Eine der Prüfmethoden ist die so genannte "In-Service-Prüfung", bei der die Schweißnähte von außen mit Hilfe von Ultraschallwellen geprüft werden. Es wird berichtet, dass der Roboter die Wartungskosten senken kann, indem er die Inspektionszeit von den herkömmlichen 23 Tagen um etwa eine Woche verkürzt und die herkömmliche Anzahl der erforderlichen Inspektoren um zwei verringert.
Im Bereich der Rohrleitungsinspektion wurden mehrere Produkte unterschiedlicher Größe (je nach Durchmesser oder Form) auf den Markt gebracht. Der Zweck dieser Roboter ist es:
- Durchführung von unbemannten Kurz- und Langstreckeninspektionen unter verschiedenen Betriebsbedingungen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1,8 km/Minute
- Spezielle Werkzeuge für Wasser- und Abwasseranwendungen
- Durchführung von hochauflösenden CCTV- und SONAR-Inspektionen mit einem Raupenroboter oder einem Flotationssystem. Eine Anwendung ist der Einsatz in der Alaska-Pipeline, wo sich der Rodis-Raupenroboter an der Innenseite der Rohre abstützt, um sich vorwärts zu bewegen und nach Anomalien zu suchen. Das System hat sich bei drei Alaska-Pipelines bewährt und dem Projekt 70 Mio. USD erspart..
Andere Arten von Inspektionsrobotern für Tanks, Rohre und Leitungen
The Nanomag™ and Magg™ from Inuktun Services (owned by Eddyfi Technologies) are designed to magnetically adhere to metal surfaces: horizontally, vertically and even upside down. The front cameras capture high-quality images, while the rear camera is used primarily for tether management. Another development, the Variable Geometry Tracked Vehicle (VGTV), is a tethered (100 m) miniature inspection system designed for accessing confined spaces and rough terrain in various applications, such as search and rescue, nuclear power, and pipeline inspection.
Enge Räume sind allgegenwärtig, von der Lagerhaltung bis zum Bauwesen und in gefährlichen Umgebungen wie Unterwasser, radioaktiven Gehäusen oder giftigen oder korrosiven Flüssigkeiten. Diese Roboter haben mehrere aufeinanderfolgende Gelenke, so dass sie im Gegensatz zu herkömmlichen Robotern keine hervorstehenden Ellbogen haben. So kann das gesamte Gerät verfolgen, wohin der Roboter mit seiner Spitze gefahren ist. Das Design war die Grundlage für ein preisgekröntes Start-up.
Im Gegensatz zu diesen fest installierten Schlangenarm-Robotern entwickelt das Start-up-Unternehmen Eelume einen Unterwasser-Schlangenroboter, um Offshore-Anlagen und Unterwasser-Pipelines von außen zu inspizieren.
Für die Inspektion und Reparatur von Abwasserkanälen wurde eine Vielzahl unterschiedlicher Systeme vorgeschlagen und auf den Markt gebracht. In der Regel handelt es sich bei diesen Systemen um ferngesteuerte mobile Plattformen auf Raupen oder Rädern, die mit Kameras, Sensoren oder einfachen Werkzeugen ausgestattet sind. Die meisten der bestehenden Inspektionssysteme für Tanks, Rohre oder Leitungen sind immer noch maßgeschneiderte Lösungen. Andere Systeme wurden für die Inspektion von Entlüftungsöffnungen und Luftkanälen entwickelt, aber nur wenige sind bisher über das Prototypenstadium hinausgekommen. Auch diese Systeme müssen starke Steigungen, Biegungen und Abzweigungen überwinden..
Kanalisationsroboter sind nach wie vor ein aktives Forschungsgebiet, das durch zahlreiche Prototypen und eine wachsende Zahl von Produkten gekennzeichnet ist.
Kanalinspektion
Zahlreiche Hersteller produzieren Lösungen für HLK-Anlagen, darunter meist ferngesteuerte Robotikgeräte. Die Robotergeräte reinigen und inspizieren typischerweise Klimakanäle, Küchen, industrielle Entlüftungsöffnungen, Klimaanlagenentlüftungen oder andere Räume, in denen die Reinigung mühsam oder ohne Demontage unmöglich ist. Die Robotergeräte sind in der Regel so konzipiert, dass sie runde, rechteckige oder quadratische Kanäle leicht durchfahren, inspizieren und reinigen können. Sie sollten in horizontalen, vertikalen oder schrägen Kanälen, einschließlich C-Kurven, eingesetzt werden können.
Kosten-Nutzen-Überlegungen und Marketing-Herausforderungen
Die Kosten für einen typischen Rohr- und Kanalinspektionsroboter liegen derzeit bei rund €100.000 für einen einfachen Kanal-TV-Roboter und bis zu €250.000 für Rohrreinigungsgeräte. Das Verfahren ist wie folgt:
- Für den Betrieb eines Kanalisationsmanipulators sind in der Regel zwei Fachkräfte erforderlich.
- Ein Bediener setzt den Roboter ein und bedient den Kabeltrommelwickler.
- Der andere Bediener, der Beobachter, verfolgt das Videobild auf einem Bildschirm und steuert die Richtung und Bewegung des Roboters durch Drücken von Tasten oder mit einem Joystick.
- Gleichzeitig inspiziert der Beobachter auf dem Videobild die Kanalwände.
Stellt der Beobachter eine Beschädigung des Kanals fest, startet er den Videorekorder, lässt sich vom Betreiber die Auszugslänge des Kabels geben (dient als Längskoordinate) und notiert diese Information zusammen mit der Sequenznummer auf dem Videorekorder.
- Für die Durchführung von Tätigkeiten/Reparaturen können verschiedene Manipulatoren eingesetzt werden.
- Sobald die maximale Auszugslänge des Kabels oder das Ende des Abwasserkanals/Einstiegspunkts erreicht ist, windet der Bediener den Roboter auf dem Kabel zurück aus dem Abwasserkanal.
Durch den Einsatz von Kanalisationsrobotern werden Produktivitätsverbesserungen vor allem erreicht durch
- a) ihren autonomen Betrieb, der es dem Roboter ermöglicht, ohne Kabel zu arbeiten; und
- b) ihre größere Beweglichkeit, die den Einsatzbereich erweitert und damit längere Arbeitszeiten ohne Umstellung ermöglicht.
Der gesamte Reinigungsprozess ist somit schneller und wirtschaftlicher. In einigen Städten fehlt es an detaillierten Plänen für das gesamte Kanalisationssystem. In solchen Städten können Roboter auch für die Kartierung des Abwassersystems eingesetzt werden, um sicherzustellen, dass die Informationen leicht zugänglich sind, wenn eine Leckage entdeckt wird. Das Haupthindernis für die wirtschaftliche Rentabilität ist die Beschränkung auf Rohre mit einem Innendurchmesser von 200 bis 600 mm..
Vor allem für kleinere Unternehmen kann diese Spezialisierung es schwierig machen, einen ausreichenden Auslastungsgrad zu erreichen.
Inspektionen und Dickenmessungen der Tankwände können manuell durchgeführt werden, indem der Inspektor in einem Personenaufzug sitzt oder von oben herabhängt. Eine viel sicherere Art der Inspektion ist jedoch der Einsatz eines Kriechroboters. Diese Roboter haben in der Regel magnetische Räder, mit denen sie sich an den Tankwänden festhalten können. Der Boden ist besonders anfällig für Ausdünnung aufgrund von Korrosionsangriffen, und Tankbesitzer müssen die Schwachstellen in den Böden finden, bevor sie die Integrität des Tanks durchbrechen. Oft ist es ein kostspieliger Prozess, den Inhalt abzulassen, die Schlammschicht vom Boden zu entfernen und die Tanks zu reinigen, damit das Inspektionspersonal sie betreten kann..
In der EFFIROB-Studie (Szenario “Kanalinspektion”) wird die Kosteneffizienz nachgewiesen, d.h. dass die Kosten für die Inspektion von Abwasserkanälen mit Robotern immer noch niedriger sind als die konventionellen Alternativen – und dass eine Amortisation innerhalb der Nutzungsdauer möglich ist. Eine solche Länge von Abwasserkanälen wird wahrscheinlich in jeder städtischen Region mit einer Fläche von mehr als drei km² erreicht werden. Vor diesem Hintergrund ist eine hohe Marktakzeptanz für die Serviceroboterlösungen zu erwarten.
Im Rahmen der von zahlreichen Unternehmen angebotenen Wartungsdienste wurden maßgeschneiderte Inspektionslösungen für Rohre und Tanks entwickelt.
Die Inspektion von Gas- und Ölleitungen ist mindestens ebenso dringend: Eine Reihe von vier Robotern für die Inspektion von Ölpipelines wurde 2017 eingesetzt, um einen 40 Jahre alten Zweig des Trans-Alaska-Pipelinesystems am Valdez-Terminal zu inspizieren. Die meist ferngesteuerten Robotergeräte von Diakont liefern Echtzeitdaten von 1.800 Fuß (550 m) Rohren mit Durchmessern zwischen 8 und 55 Zoll (20-140 cm).