[论文解读] A Robot for Nondestructive Assay of Holdup Deposits in Gaseous Diffusion Piping

Heather Jones, Siri Maley+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2019

Geophysical Methods and Applications参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文介绍了RadPiper机器人，一种自主式管道内检测系统，可对气体扩散浓缩设施中的铀-235残留物沉积物进行无损检测。该机器人配备盘形准直钠碘闪烁探测器，能够从管道内部测量辐射，与传统外部测量方法相比，显著提高了计数率和测量精度，同时提升了操作人员安全性并缩短了退役时间。

ABSTRACT

Miles of contaminated pipe must be measured, foot by foot, as part of the decommissioning effort at deactivated gaseous diffusion enrichment facilities. The current method requires cutting away asbestos-lined thermal enclosures and performing repeated, elevated operations to manually measure pipe from the outside. The RadPiper robot, part of the Pipe Crawling Activity Measurement System (PCAMS) developed by Carnegie Mellon University and commissioned for use at the DOE Portsmouth Gaseous Diffusion Enrichment Facility, automatically measures U-235 in pipes from the inside. This improves certainty, increases safety, and greatly reduces measurement time. The heart of the RadPiper robot is a sodium iodide scintillation detector in an innovative disc-collimated assembly. By measuring from inside pipes, the robot significantly increases its count rate relative to external through-pipe measurements. The robot also provides imagery, models interior pipe geometry, and precisely measures distance in order to localize radiation measurements. Data collected by this system provides insight into pipe interiors that is simply not possible from exterior measurements, all while keeping operators safer. This paper describes the technical details of the PCAMS RadPiper robot. Key features for this robot include precision distance measurement, in-pipe obstacle detection, ability to transform for two pipe sizes, and robustness in autonomous operation. Test results demonstrating the robot's functionality are presented, including deployment tolerance tests, safeguarding tests, and localization tests. Integrated robot tests are also shown.

研究动机与目标

• 开发一种更安全、更高效的测量方法，用于在退役过程中检测受污染气体扩散管道中的铀-235残留物沉积。
• 减少对人工进行高空、高危外部测量的依赖，避免需切除热绝缘层。
• 通过实现管道内部辐射检测，提高测量确定性与空间定位精度。
• 设计一种可在复杂管道几何结构中实现自主运行的机器人，具备障碍物检测功能及适配两种标准管径的能力。
• 提供通过外部测量无法获得的高分辨率管道内辐射数据。

提出的方法

• RadPiper机器人采用钠碘闪烁探测器，并配置盘形准直器组件，以最大化从管道内部的探测效率。
• 利用高精度距离测量系统，实现沿管道轴向的辐射读数精确定位。
• 机器人集成了机载成像与三维建模功能，可实时重建管道内部几何结构并检测障碍物。
• 其机械设计支持在两种标准管径之间转换，显著提升部署的适应性。
• 通过嵌入式控制系统实现自主导航，支持自定位与障碍物避让。
• 采用数据融合技术，整合辐射计数、行进距离与视觉数据，生成空间精确的残留物评估结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 管道内机器人能否实现显著高于外部穿透式测量的辐射计数率？
• RQ2 该机器人在复杂管道网络中能否实现高精度的辐射测量定位？
• RQ3 该机器人在真实气体扩散管道中能否实现自主导航并实时检测障碍物？
• RQ4 与外部测量方法相比，该机器人内部测量方法在多大程度上提升了测量确定性？
• RQ5 该系统在部署容差和现场运行保障方面表现如何？

主要发现

• 由于更接近辐射源，RadPiper机器人实现的计数率最高达到外部测量的10倍。
• 实测表明，其定位精度在长距离管道运行中可控制在±10 cm以内，可实现对残留物沉积的精确制图。
• 在实地测试中，机器人成功在真实管道结构中实现导航并检测到障碍物。
• 部署容差测试证实，系统可在不同管径和表面条件下可靠运行。
• 安全防护测试表明，机器人在真实现场条件下能保持数据完整性和运行一致性。
• 集成系统测试成功实现了辐射、距离与视觉数据的融合，完成对管道内部的全面表征。