帶管端探傷的全管體自動超聲波探傷系統(tǒng)

高光旭,崔二煒,劉忠魁,陳開云,李久營,胡建華

(1.鞍山長風(fēng)無損檢測設(shè)備有限公司,鞍山 114014;2.河北青縣第一機(jī)械廠,青縣 062658)

超聲波自動探傷是目前檢查和控制螺旋埋弧焊管焊縫質(zhì)量十分經(jīng)濟(jì)有效的手段。鋼管廠家采用螺旋管自動探傷系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)自動探傷,提高探傷速度,但在整根鋼管的自動探傷過程中大多需要設(shè)置兩個(gè)探傷區(qū):焊縫探傷區(qū)和母材探傷區(qū),給生產(chǎn)工序帶來很大的麻煩。

大多數(shù)超聲波探傷設(shè)備中的焊縫探頭都在一個(gè)焊縫探頭體上。在自動探傷過程中,為了保證焊縫探頭全部落在鋼管上,造成300 mm左右的鋼管管端焊縫盲區(qū)。在母材自動探傷過程中,雖然母材探頭是分組探傷,但由于探頭本身的大小,同樣造成30 mm母材盲區(qū)。因此在自動探傷完成后,還需要兩個(gè)專門人員在鋼管的兩端,用手探儀對螺旋鋼管的兩個(gè)管端進(jìn)行手工探傷,增加了每根鋼管的探傷時(shí)間,影響了生產(chǎn)進(jìn)度和效率;同時(shí)由于探傷人員疲勞工作,會造成漏檢,影響鋼管探傷的可靠性和準(zhǔn)確性。

筆者針對以上問題,根據(jù)多年的超聲波探傷經(jīng)驗(yàn),把焊縫探傷和母材探傷合為一體,實(shí)現(xiàn)了螺旋管全管體的自動化探傷,同時(shí)增加了管端探傷,取得了較好的實(shí)際應(yīng)用效果。

1 探傷系統(tǒng)簡介

設(shè)計(jì)的帶管端探傷的全管體自動超聲波探傷系統(tǒng)主要包括超聲波探頭、超聲波探傷儀器、圖像跟蹤系統(tǒng)、PLC電氣控制系統(tǒng)和全管體探傷機(jī)械裝置。

1.1 探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超聲波探傷儀器包括焊縫超聲波探傷儀和母材超聲波探傷儀,由于全管體中的焊縫探傷和母材探傷原理是不一樣的,所以仍然采用兩種探傷儀。

圖像跟蹤系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、圖像采集卡、模擬量輸出卡和數(shù)字輸入輸出卡。通過計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖像采集卡采集各個(gè)攝像頭的焊縫圖像,經(jīng)過計(jì)算機(jī)的圖像跟蹤系統(tǒng)軟件對焊縫圖像進(jìn)行分析,再經(jīng)過數(shù)字輸入輸出卡對數(shù)字輸入和輸出信號與PLC電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)絡(luò),同時(shí)把跟蹤過程中的偏移量通過模擬量輸出卡輸出給PLC電氣控制系統(tǒng)。

PLC電氣控制系統(tǒng)設(shè)有顯示屏和操作面板,控制行車電機(jī)、托輥電機(jī)、跟蹤電機(jī)、焊縫管端檢測裝置、母材管端檢測裝置、管頭檢測裝置、管尾檢測裝置、焊縫探頭架升降電機(jī)、母材探頭架升降電機(jī)、焊縫探頭體升降電磁閥、母材探頭體升降電磁閥。

全管體探傷機(jī)械裝置(圖1和2)包括龍門架1、行車2、焊縫探頭架3、母材探頭架4、焊縫管端檢測裝置5、焊縫跟蹤裝置6、母材管端檢測裝置7、管尾檢測裝置8、母材管端探頭體9、管頭檢測裝置10、焊縫探頭體11、母材探頭體12、托輥13和待檢螺旋管14。龍門架上設(shè)有行車,在行車上設(shè)置焊縫探頭架和母材探頭架。焊縫跟蹤裝置包括焊縫攝像頭和激光筆,管頭檢測裝置包括前后并排設(shè)置的管頭前位檢、管頭后位檢和管頭攝像頭,管尾檢測裝置包括前后并排設(shè)置的管尾前位檢、管尾后位檢和管尾攝像頭。

1.2 探傷系統(tǒng)特點(diǎn)

整個(gè)探傷系統(tǒng)把焊縫探傷和母材探傷合為一體,減少了探傷區(qū)域面積及工序。

焊縫探頭架上的焊縫探頭體變成了5組探頭體,能保證在焊縫管端探傷時(shí),實(shí)現(xiàn)分組落下,從而減少焊縫盲區(qū),同時(shí)增加了焊縫跟蹤裝置,實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤,保證了探傷的準(zhǔn)確性和可靠性。

在母材探頭架上增加了管尾檢測裝置、母材管端探頭和管頭檢測裝置。在母材管端探頭后增加了管頭檢測裝置,實(shí)現(xiàn)管端探頭在管頭隨動,減少管頭探傷盲區(qū);在母材管端探頭前增加了管尾檢測裝置,實(shí)現(xiàn)管端探頭在管尾隨動,減少管尾探傷盲區(qū),實(shí)現(xiàn)了管端自動探傷,取替了在自動探傷完成后,用手探儀對螺旋鋼管的兩端進(jìn)行管端手工探傷。

整個(gè)探傷系統(tǒng)增加了圖像跟蹤系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對焊縫探頭架的控制,保證了焊縫探頭一直在焊縫的兩側(cè)位置不變,提高了焊縫探傷的準(zhǔn)確性,同時(shí)在圖像跟蹤系統(tǒng)中增加了管端焊縫中心檢測功能,給PLC電氣控制系統(tǒng)發(fā)出管端焊縫中心信號,當(dāng)有管端焊縫中心信號時(shí),管端探頭自動抬起,當(dāng)無管端焊縫中心信號時(shí),管端探頭自動落下,實(shí)現(xiàn)管端探頭的自動抬起和落下,真正實(shí)現(xiàn)管端探傷的自動化。

系統(tǒng)以PLC電氣控制系統(tǒng)為核心,整個(gè)探傷過程都在PLC電氣控制系統(tǒng)的控制下統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作。

2 探傷系統(tǒng)工藝流程

整個(gè)工藝流程都是在PLC電氣控制系統(tǒng)的控制下統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作的,其流程如下:

(1)探傷啟動:移動行車,尋找螺旋管焊縫管端。

(2)自動尋找焊縫中心:焊縫管端檢測裝置檢測到待檢螺旋管后,停止移動行車,托輥旋轉(zhuǎn),圖像跟蹤系統(tǒng)通過焊縫跟蹤裝置自動尋找焊縫,當(dāng)檢測到焊縫中心后,托輥停止轉(zhuǎn)動。

(3)焊縫管頭自動探傷:行車?yán)^續(xù)前行,焊縫探頭體分組自動落下,開始焊縫跟蹤,托輥轉(zhuǎn)速與行車移動速度按比例控制。

(4)自動尋找管頭位置:母材管端檢測裝置檢測到待檢螺旋管管端后,托輥停轉(zhuǎn),全部焊縫探頭體自動抬起,當(dāng)待檢螺旋管管頭行至管頭檢測裝置下時(shí),管頭檢測裝置的管頭前位檢和管頭后位檢為1時(shí),行車后退,直到管頭檢測裝置的管頭前位檢為1,管頭后位檢為0時(shí),行車停止移動。

(5)母材管頭自動探傷:行車停止后,管端探頭體自動落下,托輥?zhàn)詣有D(zhuǎn)兩周,圖像跟蹤系統(tǒng)自動尋找焊縫,發(fā)現(xiàn)焊縫在管頭攝像頭圖像的中心位置,管端探頭體自動抬起;當(dāng)發(fā)現(xiàn)焊縫不在管頭攝像頭圖像的中心位置,管端探頭體再次自動落下。當(dāng)待檢螺旋管旋轉(zhuǎn)兩周后,完成母材管頭自動探傷,管端探頭體自動抬起。

(6)全管體探傷:母材管頭自動探傷完成后,圖像跟蹤系統(tǒng)再次找到焊縫中心,托輥停轉(zhuǎn),焊縫探頭體自動落下,開始焊縫跟蹤,行車?yán)^續(xù)移動,母材探頭體分組依次落下,對管體進(jìn)行焊縫和母材的探傷。

(7)焊縫管尾自動探傷:焊縫管端檢測裝置檢測不到待檢螺旋管后,行車?yán)^續(xù)前行,當(dāng)圖像跟蹤系統(tǒng)檢測到焊縫不在中心位置后,停止焊縫跟蹤,焊縫探頭體分組自動抬起。

(8)自動尋找管尾位置:母材管端檢測裝置檢測不到待檢螺旋管管端后,托輥停轉(zhuǎn),母材探頭體全部自動抬起。當(dāng)待檢螺旋管管頭行至管尾檢測裝置下時(shí),管頭檢測裝置的管尾前位檢和管尾后位檢為0時(shí),行車后退,直到管尾檢測裝置的管頭前位檢為0,管尾后位檢為1時(shí),行車停止移動。

(9)母材管尾自動探傷:行車停止后,管端探頭體自動落下,托輥?zhàn)詣有D(zhuǎn)兩周,圖像跟蹤系統(tǒng)自動尋找焊縫,發(fā)現(xiàn)焊縫在管尾攝像頭圖像的中心位置,管端探頭體自動抬起,當(dāng)發(fā)現(xiàn)焊縫不在管尾攝像頭圖像的中心位置,管端探頭體再次自動落下,當(dāng)待檢螺旋管旋轉(zhuǎn)兩周后,完成母材管尾自動探傷,管端探頭體自動抬起。

(10)探傷結(jié)束:母材管尾自動探傷完成后,圖像跟蹤系統(tǒng)通過管尾攝像頭再次找到焊縫中心,自動進(jìn)入原來的全管體探傷過程,原來未抬起的母材探頭全部落下,繼續(xù)全管體探傷,行車?yán)^續(xù)前行,母材探頭體分組依次抬起,當(dāng)母材探頭體全部抬起后,鋼管停轉(zhuǎn),行車后移至龍門架原位,行車停止。

3 典型超聲波探傷案例

某鋼管公司螺旋埋弧焊管離線焊縫及管體母材超聲波自動探傷設(shè)備采用上述系統(tǒng),由16通道焊縫探傷+32通道母材探傷構(gòu)成[1]。檢測焊縫內(nèi)縱向、橫向、斜向缺陷、焊縫兩側(cè)25 mm范圍熱影響區(qū)內(nèi)分層缺陷和管體母材分層缺陷。

3.1 超聲波探頭

母材探頭及焊縫探頭的整體擺放示意圖如圖3所示。

圖3 探頭的整體擺放示意圖

焊縫探頭有5組,四縱四橫兩分層并有8個(gè)耦合監(jiān)視,焊縫探頭采用13 mm寬度的晶片帶耦合監(jiān)視的探頭,焊縫探頭擺放示意圖如圖4所示。

圖4 焊縫探頭擺放示意圖

圖4 中Z1～Z4為四個(gè)縱向探頭(4個(gè)通道)以兩個(gè)偶次聲程探上2/3焊縫,兩個(gè)奇偶次聲程探下2/3焊縫,分別探與焊縫平行的缺陷,其中間有1/3重復(fù)掃查,以防止漏檢,使焊縫100%探傷,K值相同,使探頭的匹配和同一性達(dá)到更好的探傷效果;H1～H4為兩對橫向探頭(2個(gè)探頭并聯(lián)使用占用1個(gè)通道)探與焊縫垂直和斜向的缺陷;F1～F2為兩個(gè)分層探頭(2個(gè)通道)分別探焊縫兩邊25 mm熱影響區(qū)的分層缺陷[2]。

母材分層探傷采用2.5～5 MHz,25 mm寬度的雙晶片探頭[2]。

3.2 超聲波探傷系統(tǒng)

探傷儀采用分布式多通道超聲波探傷儀,由主機(jī)探傷處理系統(tǒng)、波形顯示部分、網(wǎng)絡(luò)交換器和六個(gè)前端超聲處理單元組成,結(jié)構(gòu)及連接簡單,功能模塊化,故障率低,易于維護(hù)。

分布式多通道超聲波探傷儀是基于網(wǎng)絡(luò)分布開放式結(jié)構(gòu),應(yīng)用FPGA芯片組成嵌入式系統(tǒng),運(yùn)用SOPC(可編程片上系統(tǒng))作實(shí)時(shí)控制處理,實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和全數(shù)字式超聲波信號顯示和處理,對檢測結(jié)果更為準(zhǔn)確和直觀,可以更為精確地對缺陷進(jìn)行定位和定量。

所述的前端超聲處理單元是組成整套檢測儀器的基本單元,包括超聲發(fā)射接收、回波可編程放大、100 MHz A/D采樣、FPGA實(shí)時(shí)處理和FPGA通訊處理五個(gè)單元,實(shí)現(xiàn)聲電能量轉(zhuǎn)換,接收超聲波探頭返回的回波信號,經(jīng)過處理后送到FPGA通訊處理單元的100M以太網(wǎng)接口,通過以太網(wǎng)接口送到以太網(wǎng)交換機(jī)。

由主機(jī)探傷處理系統(tǒng)通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)傳輸,接收實(shí)時(shí)的判傷數(shù)據(jù),形成探傷檢測結(jié)果報(bào)告等。

3.3 圖像跟蹤系統(tǒng)

圖像跟蹤系統(tǒng)是以激光筆產(chǎn)生的激光為主動光源,以攝像頭為傳感器件,所以在全管體探傷機(jī)械裝置上加裝了焊縫跟蹤裝置,它包括攝像頭和激光筆,攝像頭位于焊縫上方,激光筆與攝像頭有一個(gè)角度,也就是激光筆向焊縫表面傾斜一定的角度打一束光條,通過攝像頭攝取圖像,通過圖像跟蹤系統(tǒng)的圖像采集卡,可獲得反映焊縫形狀的光條。圖像跟蹤系統(tǒng)軟件根據(jù)圖像識別技術(shù)原理分析處理,找到焊縫的位置,并與設(shè)定的焊縫位置比較,得出偏差量,再將其傳給驅(qū)動機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)跟蹤的目的,如圖5所示。

圖5 圖像跟蹤結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 PLC電氣控制系統(tǒng)

西門子S7-300(CPU:315-2DP)系列PLC控制系統(tǒng)完成分布式I/O傳輸,與PROFIBUS-DP總線接口。設(shè)備配置德國西門子MP177人機(jī)對話界面,5.7寸彩色觸摸屏便于設(shè)備調(diào)試維修。設(shè)備安裝于控制柜內(nèi),操作開關(guān)及報(bào)警燈放在大型操作臺前。

3.5 校驗(yàn)方法

選擇樣管:在焊縫上制造人工缺陷φ1.6 mm豎通孔5個(gè),φ 3.2 mm 豎通孔5個(gè),內(nèi)焊縫N5刻槽4個(gè),外焊縫N5刻槽4個(gè),內(nèi)外焊縫橫槽各一個(gè)。在管體掃查帶上,做人工缺陷φ 6 mm的平底孔若干個(gè)。

選擇探傷速度分別為6和10 m/min時(shí),探傷靈敏度按標(biāo)準(zhǔn)要求的φ 1.6 mm,φ 3.2 mm豎通孔或φ 6 mm平底孔、N5人工刻槽來標(biāo)定,分別調(diào)整好探傷狀態(tài)后,對樣管連續(xù)探傷10次,以驗(yàn)證在不同探傷速度下的檢出率和誤報(bào)次數(shù)及重復(fù)率。

探傷結(jié)果:樣管 φ1.6 mm,φ 6 mm,φ 3.2 mm和N5刻槽類人工缺陷的檢出率達(dá)到100%,誤報(bào)率≤2%。

4 結(jié)論

實(shí)踐證明,把焊縫探傷和母材探傷合為一體,實(shí)現(xiàn)螺旋管全管體的自動化探傷,同時(shí)增加了管端自動探傷,解決了管端盲區(qū)問題,提高了探傷速度,保證螺旋管探傷的可靠性和準(zhǔn)確性,降低了人力資源成本。系統(tǒng)方便可靠、簡單實(shí)用、便于維護(hù),通用性極強(qiáng),使用壽命長,得到了用戶的好評,對我國超聲波檢測水平提升具有重要的意義。

[1] JB/T 10061—1999 A型脈沖反射式超聲探傷儀通用技術(shù)條件[S].

[2] 全國鍋爐壓力容器無損檢測人員資格鑒定考核委員會組織編寫.超聲波探傷[M].北京:勞動人事出版社,1995.