油氣輸送埋弧焊接鋼管超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

常少文，呂育棟，曹華勇，田巖平，劉常慶，韓玉朝，孫志敏

（1.鞍山長風(fēng)無損檢測設(shè)備有限公司，鞍山 114018；2.渤海裝備巨龍鋼管公司，青縣 062658；3.寶雞鋼管遼陽鋼管廠，遼陽 111000；4.渤海裝備華油鋼管公司，青縣 062658）

超聲波檢測是一項(xiàng)比較完善和成熟的技術(shù)，多年來一直是油氣輸送埋弧焊接鋼管生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)檢測中的重點(diǎn)和主要檢測方法［1］，可以實(shí)時(shí)、快速、可靠地檢測出被檢油氣輸送埋弧焊接鋼管內(nèi)部組織的缺陷，為生產(chǎn)工藝的調(diào)整提供依據(jù)。由于超聲波自動(dòng)探傷檢測使用的不是連續(xù)波，而是有一定持續(xù)時(shí)間、一定頻率間隔發(fā)射的超聲脈沖，而且其回波信號(hào)是暫態(tài)信號(hào)，具有高頻特性，埋弧焊接鋼管探傷采用不同的超聲波探傷方法時(shí)探傷準(zhǔn)確性相差比較大。另外由于探頭的不斷磨損、缺陷幾何形狀的差異及各種復(fù)合缺陷所形成波形的不確定性，埋弧焊接鋼管超聲波自動(dòng)化探傷的技術(shù)難度較大，人為因素影響也很大。如何提高探傷結(jié)果的有效性、可靠性，并方便靈活地執(zhí)行各種不同的國內(nèi)外探傷標(biāo)準(zhǔn)便成了自動(dòng)化探傷的重點(diǎn)。

目前國內(nèi)外的多通道油氣輸送埋弧焊接鋼管超聲波自動(dòng)探傷設(shè)備均屬于定制產(chǎn)品，設(shè)備生產(chǎn)廠家根據(jù)埋弧焊接鋼管生產(chǎn)企業(yè)要求進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。埋弧焊接鋼管生產(chǎn)企業(yè)的要求千變?nèi)f化，如有要求探傷速度高的，有要求探傷通道數(shù)多的（多達(dá)8 N個(gè)通道），也有要求設(shè)備經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。下面介紹一種油氣輸送埋弧焊接鋼管超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)的研制與應(yīng)用。

1 檢測對(duì)象、方法和檢測原理

1.1 檢測對(duì)象及方法

探傷系統(tǒng)檢測的油氣輸送埋弧焊接鋼管產(chǎn)品規(guī)格為：螺旋埋弧焊管直徑φ219～1899mm、壁厚6～25.4mm，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) API spec 5L，ISO3183，GB／T 9711，SY／5037和5040等，長度8～12.4m，材質(zhì)API spec 5L鋼級(jí)A～X120等。超聲頻率范圍2.5～20MHz、儀器重復(fù)頻率500Hz～4KHz、管材探傷速度（連續(xù)可調(diào)）v為3～12m／min、衰減量≥120dB、衰減器精度為每12dB≤±0.5dB、每個(gè)橫波探頭遠(yuǎn)場（150mm）有效聲速（－3dB）寬度≥4mm，靈敏度余量為使用2.5MHz的φ20mm直探頭時(shí)在200mm處φ2mm平底孔的余量≥50dB。

探傷系統(tǒng)的檢測方法為水膜耦合式超聲波連續(xù)探傷，其可對(duì)鋼管進(jìn)行水壓前管端焊縫及焊縫全長100%連續(xù)探傷和水壓后管端焊縫、焊縫全長及焊縫母材100%連續(xù)探傷。通道數(shù)56個(gè)（可選配至256個(gè)），每一個(gè)通道可帶2個(gè)探頭，采用雙晶探頭一發(fā)一收方式。采用5MHz的φ16mm雙晶水膜耦合式探頭檢測焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)5mm范圍內(nèi)的分層缺陷；采用2.5MHz的8mm×10mm橫波探頭及4mm×6mm耦合狀態(tài)監(jiān)視縱波探頭組成的復(fù)合探頭檢測焊縫內(nèi)部缺陷；采用5MHz的6mm×25mm雙晶縱波探頭檢測管體母材分層缺陷。

1.2 檢測原理［2］

探傷系統(tǒng)某一通道的信號(hào)工作時(shí)序圖如圖1所示。系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)給定的時(shí)鐘下同步工作，每n個(gè)周期為一個(gè)循環(huán)（n為探頭設(shè)置個(gè)數(shù)）。計(jì)算機(jī)時(shí)鐘信號(hào)即為系統(tǒng)的同步基準(zhǔn)脈沖，它的一個(gè)周期就是一個(gè)通道的工作周期。當(dāng)各通道開始產(chǎn)生發(fā)射脈沖時(shí)，觸發(fā)器經(jīng)計(jì)算機(jī)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿觸發(fā)置1，持續(xù)高電平。當(dāng)有傷波和底波時(shí)，被觸發(fā)置0，高電平終止，這樣就形成一段時(shí)間的高電平。系統(tǒng)通過讀高電平時(shí)間即可得到傷波和底波時(shí)間并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)字量Ft，Bt。如果此通道周期沒有傷波和底波返回，這樣高電平持續(xù)到計(jì)算機(jī)時(shí)鐘信號(hào)下降沿時(shí)被觸發(fā)變成低電平，從而形成T／2寬度的高電平。現(xiàn)場檢測的超聲反射回波一般都在T／4以內(nèi)，因此≥T／2的高電平被系統(tǒng)確認(rèn)為無效的Bt，F(xiàn)t信號(hào)，不作處理。

圖1 Ft，Bt，F(xiàn)v，Bv 信號(hào)時(shí)序圖

底波峰值Bv和傷波峰值Fv信號(hào)在傷波和底波出現(xiàn)之前，保持為0V電壓；在傷波、底波產(chǎn)生的瞬間1μs之內(nèi)，經(jīng)峰值采樣保持電路快速充電形成對(duì)應(yīng)高度的直流電壓信號(hào)。如100%波高量對(duì)應(yīng)2V電壓，50%波高量即對(duì)應(yīng)1V電壓。該直流電壓信號(hào)一直保持到計(jì)算機(jī)時(shí)鐘信號(hào)的下一個(gè)上升沿到來時(shí)止，被觸發(fā)后迅速放電到0V電壓。然后到下一個(gè)通道周期再被傷波、底波觸發(fā)充電形成一定幅值的電壓，供計(jì)算機(jī)作 A／D處理。Bt，F(xiàn)t，Bv，F(xiàn)v信號(hào)是探傷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)探傷靈敏度自動(dòng)設(shè)定、報(bào)警閘門自動(dòng)設(shè)置、靈敏度閉環(huán)控制、閘門實(shí)時(shí)跟蹤以及缺陷智能化識(shí)別的判斷處理依據(jù)，是計(jì)算機(jī)執(zhí)行智能判傷軟件的重要數(shù)據(jù)。

2 實(shí)施方案

2.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)整體組成結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)整體組成結(jié)構(gòu)采用由計(jì)算機(jī)總站（IPC主機(jī)）、探傷計(jì)算機(jī)（下位機(jī)）、超聲發(fā)射單元、超聲接收單元、高速數(shù)據(jù)處理單元（卡）、超聲探頭陣列、以太網(wǎng)、顯示器以及探傷控制系統(tǒng)軟件（探傷計(jì)算機(jī)軟件和計(jì)算機(jī)總站軟件）等組成。系統(tǒng)的硬件平臺(tái)采用集檢測、控制和管理為一體的主從式控制網(wǎng)絡(luò)形式，選用一臺(tái)高性能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）作為計(jì)算機(jī)總站，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理、高速數(shù)據(jù)采集和處理及用戶的可視化操作。以探傷計(jì)算機(jī)為主構(gòu)成的下位機(jī)外圍硬件設(shè)備執(zhí)行分布式檢測與控制任務(wù)，并統(tǒng)一管理控制超聲發(fā)送單元、超聲接收單元、高速數(shù)據(jù)處理單元（卡）、超聲探頭陣列等。采用標(biāo)準(zhǔn)、高性能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）作為計(jì)算機(jī)總站，吸收了虛擬儀器設(shè)計(jì)思想，以便實(shí)現(xiàn)多通道智能化管理［3］。其中每個(gè)計(jì)算機(jī)總站可以通過以太網(wǎng)連接N個(gè)探傷計(jì)算機(jī)，在每個(gè)探傷計(jì)算機(jī)內(nèi)可以插入三個(gè)高速數(shù)據(jù)處理卡，每個(gè)高速數(shù)據(jù)處理卡可以連接8，4，2，1個(gè)發(fā)送和接收單元，使得系統(tǒng)的探傷通道數(shù)最少為1個(gè)通道，最多為8 N個(gè)通道。系統(tǒng)整體組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 計(jì)算機(jī)總站（IPC主機(jī)）

計(jì)算機(jī)總站用于管理檢測系統(tǒng)的硬軟件資源，是整個(gè)檢測系統(tǒng)的核心。具有管理功能的計(jì)算機(jī)總站需要對(duì)探傷計(jì)算機(jī)發(fā)布命令，通過它運(yùn)行缺陷判傷診斷程序、控制信號(hào)的采集和處理，并專門從事8×n路回波信號(hào)的高速數(shù)據(jù)采集與處理、缺陷波形圖像處理、編輯探傷報(bào)告等工作，設(shè)置系統(tǒng)探傷初始數(shù)據(jù)并內(nèi)含功能豐富的用戶應(yīng)用軟件。其中自動(dòng)探傷程序?qū)崿F(xiàn)增益及閘門自動(dòng)設(shè)置、增益閉環(huán)自動(dòng)控制和閘門實(shí)時(shí)跟蹤，另外執(zhí)行針對(duì)不同被檢對(duì)象所編制的缺陷判傷診斷程序，從而大大提高系統(tǒng)的抗干擾和免誤報(bào)能力。計(jì)算機(jī)總站與探傷計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)通訊，并將計(jì)算機(jī)總站、探傷計(jì)算機(jī)所有缺陷回波信息進(jìn)行綜合處理，完成圖像處理及屏幕顯示、設(shè)定與修改探傷計(jì)算機(jī)參數(shù)、打印表格、報(bào)表并顯示聲光報(bào)警等功能。

2.3 探傷計(jì)算機(jī)（下位機(jī)）

探傷計(jì)算機(jī)產(chǎn)生使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的同步脈沖信號(hào)并向計(jì)算機(jī)總站發(fā)送通道標(biāo)志信號(hào)，使計(jì)算機(jī)總站確定系統(tǒng)循環(huán)于哪個(gè)通道；若發(fā)出一窄脈沖中斷請(qǐng)求信號(hào)，使計(jì)算機(jī)總站響應(yīng)中斷，處理每通道的回波信息并判傷報(bào)警；受計(jì)算機(jī)總站控制，發(fā)出相應(yīng)的二進(jìn)制編碼來控制超聲系統(tǒng)的衰減量、抑制電平等；發(fā)出同步脈沖信號(hào)作為時(shí)基標(biāo)準(zhǔn)，循環(huán)發(fā)出各通道的傷波閘門Fg和底波閘門Bg。底波閘門時(shí)間內(nèi)采集的回波波形被系統(tǒng)確認(rèn)為底波，同理在傷波閘門時(shí)間內(nèi)采集的回波波形被系統(tǒng)確認(rèn)為傷波。初始工作時(shí)，計(jì)算機(jī)總站送來命令控制字，設(shè)定各通道閘門的起始位置和寬度，接收從超聲系統(tǒng)送來的Bt，F(xiàn)t信號(hào)并分析處理，然后傳送給計(jì)算機(jī)總站，并在下一次循環(huán)工作到本通道時(shí)，將重新調(diào)整的閘門起始位置和寬度發(fā)送給超聲系統(tǒng)，并接收計(jì)算機(jī)總站發(fā)送出的通道判傷時(shí)序報(bào)警信號(hào)、耦合監(jiān)視報(bào)警信號(hào)，繼而發(fā)出報(bào)警信號(hào)以及在被檢測的石油專用管材表面噴涂缺陷標(biāo)識(shí)。可將超聲系統(tǒng)送來的底波、傷波的波高保持，電壓值的直流電壓信號(hào)Bv，F(xiàn)v直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并測量傷波時(shí)間Ft和底波時(shí)間Bt，然后將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送給計(jì)算機(jī)總站，實(shí)時(shí)調(diào)整超聲系統(tǒng)中相應(yīng)通道的衰減量，實(shí)現(xiàn)增益閉環(huán)自動(dòng)控制及控制通道的增益等調(diào)節(jié)量。

2.4 超聲發(fā)送單元

超聲發(fā)送單元的主要功能是把高速數(shù)據(jù)處理單元（卡）發(fā)出的同步信號(hào)，經(jīng)脈沖整形驅(qū)動(dòng)，通過多路開關(guān)到制定的驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)該通道的超聲波探頭發(fā)出寬度可調(diào)的超聲波高電壓脈沖信號(hào)。將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、驅(qū)動(dòng)器、多路開關(guān)、可編程門陣列（CPLD）以及八個(gè)驅(qū)動(dòng)電路依次連接組成，可做成8，4，2，1四種通道發(fā)送單元模塊。從高速數(shù)據(jù)處理單元（卡）發(fā)出的同步信號(hào)進(jìn)入超聲發(fā)送單元的可編程門陣列（CPLD），通過可編程門陣列（CPLD）內(nèi)部程序的編寫，輸出信號(hào)A和B，去控制多路開關(guān)的通斷；從高速數(shù)據(jù)處理單元（卡）發(fā)出的同步信號(hào)通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、驅(qū)動(dòng)器、多路開關(guān)進(jìn)入相應(yīng)的八個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)連接到超聲探頭的發(fā)射端晶片。其中有八個(gè)功能相同的驅(qū)動(dòng)電路，通過四個(gè)驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)驅(qū)動(dòng)后的信號(hào)，經(jīng)過電阻的上拉，進(jìn)入場效應(yīng)管放大后，在400V高電壓的作用下，再經(jīng)過電阻和二極管，產(chǎn)生激發(fā)超聲探頭晶片的高電壓脈沖，使得超聲探頭發(fā)射超聲波，通過耦合劑進(jìn)入到被檢測的石油專用管材組織內(nèi)部。

2.5 超聲接收單元

超聲接收單元可做成8，4，2，1四種通道的接收方式，其主要功能是選用新型的優(yōu)質(zhì)放大器，低噪聲、高保真地把超聲波探頭回波信號(hào)放大到一定水平，使其抗干擾性能大大增強(qiáng)，在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行100m以內(nèi)寬帶傳輸，能保證整體設(shè)備性能指標(biāo)。超聲探頭發(fā)射超聲波，通過耦合劑傳到被檢測的焊管組織內(nèi)部，遇到缺陷后，因缺陷的聲阻抗與焊管的聲阻抗相差很大，會(huì)產(chǎn)生反射波返回到超聲探頭。經(jīng)過超聲探頭的接收端晶片接收到超聲回波信號(hào)后，轉(zhuǎn)換成回波電信號(hào)。經(jīng)超聲接收單元放大器放大和高速模／數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，送給高速數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行石油專用管材的超聲波自動(dòng)探傷。

接收單元線路是由4個(gè)驅(qū)動(dòng)電路、多路開關(guān)、低噪聲放大器和可編程門陣列（CPLD）依次連接組成，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路由電阻連接二極管和穩(wěn)壓管，并連接三極管，再與濾波電阻連接到多路開關(guān)的相應(yīng)管腳上，其中電源的＋5V和－5V通過電感連接到三極管的集電極和發(fā)射極電阻的另一端。從高速數(shù)據(jù)處理卡發(fā)出的同步信號(hào)進(jìn)入發(fā)送單元的可編程門陣列（CPLD），通過可編程門陣列（CPLD）內(nèi)部程序的編寫，輸出信號(hào)A和信號(hào)B去控制多路開關(guān)的通斷。

2.6 高速數(shù)據(jù)處理單元

高速數(shù)據(jù)處理單元的核心是以高速數(shù)據(jù)處理器為核心的數(shù)據(jù)處理卡，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，由兩級(jí)可編程放大器單元、高速數(shù)據(jù)處理單元、計(jì)算機(jī)接口單元三部分組成。接收單元處理后的回波信號(hào)進(jìn)入第一級(jí)數(shù)字可編程放大器，第一級(jí)數(shù)字可編程放大器是由DSP的數(shù)據(jù)線經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后的三個(gè)輸出端控制，依次可以控制不同的分貝數(shù)（dB），通過多路開關(guān)把不同衰減的回波送到低噪聲放大器后，進(jìn)入第二級(jí)數(shù)字可編程放大器。第二級(jí)數(shù)字可編程放大器是由增益可編程線型放大器通過高速數(shù)據(jù)處理器的串行口控制，增益范圍可在0～53dB變化。信號(hào)經(jīng)過增益放大后，再送到低噪聲放大器再次放大，經(jīng)二極管檢波放大器放大后的信號(hào)送到高速數(shù)據(jù)處理單元。

圖3 高速數(shù)據(jù)處理卡的結(jié)構(gòu)圖

高速數(shù)據(jù)處理卡的作用就是對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)大信號(hào)進(jìn)行衰減，以保證足夠的動(dòng)態(tài)范圍，并對(duì)一定范圍內(nèi)的回波信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)波形采集以及將高速采樣波形在IPC主機(jī)的顯示器上顯示。接收IPC主機(jī)發(fā)出的命令，確定波形采集的起始時(shí)間和寬度，以此選擇采集有效的回波區(qū)域。

高速模／數(shù)轉(zhuǎn)換器完成電信號(hào)的模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換。信號(hào)首先通過兩級(jí)可編程增益運(yùn)算放大單元放大，然后進(jìn)入高速模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為8位的數(shù)字信號(hào)。通過8位進(jìn)16位出的高速先進(jìn)先出緩沖器，把轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)送到高速數(shù)據(jù)處理器。高速數(shù)據(jù)處理器可達(dá)100MHz的速度，其存儲(chǔ)器為16k，還具有DMA的功能，因此處理數(shù)據(jù)的速度非常快。高速數(shù)據(jù)處理器處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過它本身的并行口HPI把數(shù)據(jù)快速傳送到計(jì)算機(jī)接口單元的可編程門陣列器件（CPLD）的管腳上。運(yùn)算放大器的增益通過一個(gè)數(shù)／模轉(zhuǎn)換器由復(fù)雜可編程門陣列器件（CPLD）控制，CPLD把所有信號(hào)通過PCI總線接口送入IPC主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后實(shí)現(xiàn)波形再現(xiàn)。

2.7 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的應(yīng)用軟件程序由計(jì)算機(jī)總站軟件和探傷計(jì)算機(jī)（下位機(jī)）軟件、兩層次軟件組成，采用VC＋＋編寫。計(jì)算機(jī)總站軟件在計(jì)算機(jī)總站的計(jì)算機(jī)中的程序主要完成實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)、處理綜合數(shù)據(jù)、形成探傷報(bào)告、自動(dòng)報(bào)警、波形回放、存檔和打印等功能。自動(dòng)報(bào)警通過比較回波波高的幅值，當(dāng)回波波高的幅值超過設(shè)定的缺陷靈敏度幅值時(shí)，自動(dòng)報(bào)警功能就會(huì)發(fā)出報(bào)警信息；存檔功能模塊記錄探傷參數(shù)和探傷結(jié)果；波形回放功能模塊可以回放出傷波圖形、位置、時(shí)間。探傷計(jì)算機(jī)（下位機(jī)）軟件是指在嵌入式系統(tǒng)（或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)）中的程序，它主要完成綜合數(shù)據(jù)的采集、實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)改變采樣參數(shù)和改變回波的衰減等功能。

系統(tǒng)首先構(gòu)建了虛擬儀器面板并采用窗口切分技術(shù)對(duì)操作人員進(jìn)行指導(dǎo)和提示。進(jìn)入檢測時(shí)，虛擬儀器面板生成的可視化儀器參數(shù)設(shè)定窗口首先呈現(xiàn)給操作人員，操作人員可從虛擬儀器面板的參數(shù)設(shè)定窗口上選擇項(xiàng)目，完成系統(tǒng)的設(shè)置及鋼管的檢測。由于該軟件所要檢測的內(nèi)容較多，程序設(shè)計(jì)龐大復(fù)雜，所以按照程序模塊化的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集、探傷檢測、判傷報(bào)警、缺陷圖像處理、缺陷波形回放等相對(duì)獨(dú)立的模塊。由于軟件的模塊化、開放性和靈活性的特點(diǎn)，當(dāng)用戶的檢測需求發(fā)生變化時(shí)，可以方便地由用戶自己來增減硬軟件模塊或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的檢測要求。程序中可以靈活多樣地設(shè)置采樣頻率、通道和采樣點(diǎn)數(shù)，方便了采樣過程并實(shí)時(shí)顯示檢測過程和結(jié)果，可以將檢測波形和數(shù)值的形式顯示在顯示器上。實(shí)現(xiàn)了8×N通道波形的實(shí)時(shí)顯示，波形間可任意切換。

作為一種數(shù)字化多通道自動(dòng)探傷系統(tǒng)，在VC＋＋的平臺(tái)上構(gòu)建一個(gè)通用探傷的數(shù)據(jù)庫，用戶不但可以根據(jù)實(shí)際需求選擇相應(yīng)的探傷標(biāo)準(zhǔn)和探傷設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)，而且在軟件平臺(tái)的支持下，因具有開放性的構(gòu)成方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件的重構(gòu)［4］。例如，根據(jù)回波信號(hào)的特點(diǎn)和探傷檢測現(xiàn)場的干擾狀況，選擇不同的濾波器結(jié)構(gòu)、參數(shù)和不同的實(shí)時(shí)報(bào)警策略，可調(diào)用多種用戶應(yīng)用軟件，并方便靈活地執(zhí)行各種不同的國內(nèi)外探傷標(biāo)準(zhǔn)，充分體現(xiàn)了虛擬儀器的靈活特點(diǎn)。

2.8 系統(tǒng)檢測圖像化輸出和缺陷波形回放［5］

檢測系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)控制的陣列式超聲探頭對(duì)被檢測對(duì)象進(jìn)行掃描，并將被檢測對(duì)象內(nèi)的缺陷響應(yīng)送入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對(duì)這些缺陷采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、判斷、處理、計(jì)算后，給出被檢測對(duì)象內(nèi)部缺陷的各個(gè)斷面或截面的圖像及計(jì)算機(jī)三維圖像重構(gòu)的平面展開圖，以便做進(jìn)一步的分析和確認(rèn)，最終完成對(duì)被檢測對(duì)象內(nèi)部缺陷的形狀、尺寸、位置、數(shù)量、密集度、合格與判廢等資料的圖文報(bào)告及其貯存、打印或網(wǎng)上傳送。

現(xiàn)場超聲波自動(dòng)化探傷檢測是單向、單程的，一般不允許往復(fù)檢測，因此需要有一次通過的檢測準(zhǔn)確率。但是在現(xiàn)場動(dòng)態(tài)生產(chǎn)條件下，在線傷一過即逝，一旦漏檢誤判便無法追回和驗(yàn)證。為此系統(tǒng)采用PCI總線的高速采樣和高速數(shù)據(jù)處理技術(shù)，檢測過程中一旦有缺陷信號(hào)響應(yīng)，缺陷圖像處理模塊立即備份并全部存儲(chǔ)，然后操作人員可根據(jù)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)波形和缺陷圖像的顯示回放，以便做進(jìn)一步的分析和確認(rèn)，有效地克服了超聲波自動(dòng)化探傷檢測中的缺陷種類難以識(shí)別的不足，提高了探傷檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。

3 系統(tǒng)檢測應(yīng)用

該型超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)經(jīng)過四年多的現(xiàn)場使用和完善，效果良好，誤判率＜2%，漏檢率為0，已向國內(nèi)外各油田用戶交付使用。經(jīng)過該系統(tǒng)檢測的各種直徑規(guī)格鋼管，累計(jì)達(dá)42萬t，探傷質(zhì)量穩(wěn)定可靠。自2008年12月起，連續(xù)4年通過遼寧省計(jì)量科學(xué)研究院每年一次的周期檢定，2011年12月遼寧省計(jì)量科學(xué)研究院對(duì)該系統(tǒng)的年度周期檢定結(jié)果如下：

（1）管材規(guī)格 外徑φ1219mm、壁厚18mm。

（2）檢定參數(shù) 探傷速度（連續(xù)可調(diào)）3≤v≤12m／min；儀器重復(fù)頻率500Hz～4kHz；分層探頭工作頻率5.0MHz；縱、橫向缺陷探頭工作頻率2.5MHz。

（3）儀器性能 水平線性≤1.0%；垂直線性≤5.0%；動(dòng)態(tài)范圍≥30dB。

（4）綜合性能 檢測重復(fù)性≤1dB；檢測穩(wěn)定性≤1dB；信噪比＞18dB；漏檢率＝0；誤判率≤2%；管端檢測盲區(qū)≤100mm。

由上可見，系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)均滿足API spec 5L標(biāo)準(zhǔn)中的探傷檢測要求。

4 結(jié)論

綜上所述，研制的超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)不但客觀上保證了油氣輸送埋弧焊接鋼管檢測的準(zhǔn)確性和高效率，而且降低了探傷檢測的生產(chǎn)成本，克服了探傷檢測中許多人為因素的影響。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有兼容性、通用性，能滿足不同生產(chǎn)的要求，其缺陷波形動(dòng)態(tài)回放有效地克服了超聲波自動(dòng)化檢測中的缺陷種類難以識(shí)別的不足。但該系統(tǒng)與國外先進(jìn)的檢測設(shè)備相比仍存在一定差距，后續(xù)應(yīng)以超聲波傳感器部分和信號(hào)處理部分的性能提高為重點(diǎn)和主要研究方向，帶動(dòng)電子線路的研究開發(fā)，以進(jìn)一步提高自動(dòng)化探傷的檢測效率、檢測精度和檢測穩(wěn)定性，減小缺陷的誤判率。

［1］張鴻博.油氣輸送埋弧焊鋼管生產(chǎn)中的無損檢測技術(shù)［J］.無損檢測，2006，28（3）：113－116.

［2］常少文.智能化多通道鋼管超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)測量與應(yīng)用，2002，10（6）：358－359，365.

［3］周明光，馬海潮.計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)原理與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［4］趙雅興.FPGA原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.天津：天津大學(xué)出版社，1999.

［5］常少文.基于虛擬儀器技術(shù)的焊管超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)［J］.無損檢測，2007，29（3）：117－120.