上跟蹤式大直徑鋼管（φ800mm）超聲波探傷設(shè)備的研發(fā)

張倫兆，袁 琪，高東林，唐海波，陳 泉，吳海燕，吳洋林

（北京有色金屬研究總院，北京 100088）

隨著我國(guó)管材制造業(yè)的發(fā)展，無(wú)縫鋼管正朝向大直徑的方向發(fā)展，我國(guó)正在由鋼管生產(chǎn)大國(guó)向鋼管生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。超聲波無(wú)損檢測(cè)作為一種成熟的技術(shù)已經(jīng)得到廣大生產(chǎn)廠家和用戶的信賴，然而，傳統(tǒng)的手工探傷很難滿足工業(yè)的批量化生產(chǎn)，研制配套的自動(dòng)化探傷設(shè)備勢(shì)在必行。在此前提下，研制了一套上跟蹤式局部水浸法超聲波探傷設(shè)備，該設(shè)備可用于檢測(cè)φ300～800mm的鋼管，實(shí)際探傷得到了良好的效果。

1 上跟蹤式水浸法探傷原理

工業(yè)上常用的超聲波檢測(cè)方法有接觸法和水浸法。水浸法與接觸法相比具有受探傷人員主觀影響小、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、耦合介質(zhì)成本低、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)探傷中，但其在大直徑鋼管探傷中的應(yīng)用還屬于起步階段。

水浸法探傷以水作為耦合劑，按照探頭、水和被檢測(cè)工件的相對(duì)位置大致可分為全水浸法（圖1（a）所示）和局部水浸法（圖1（b）所示）。全水浸法就是將被檢測(cè)工件和探頭同時(shí)放在水中進(jìn)行探傷；局部水浸法是將探頭和被檢測(cè)工件部分浸在水中，使探頭與被檢測(cè)工件之間充滿水實(shí)現(xiàn)探傷。

圖1 水浸法探傷示意圖

圖2 上跟蹤式超聲波探傷

該套設(shè)備采用上跟蹤式局部水浸的方法，將探頭放置在被探傷鋼管的上方，如圖2所示。在探傷的過(guò)程中，鋼管螺旋前進(jìn)，探頭跟蹤裝置固定不動(dòng)，探頭在鋼管表面形成螺旋掃描線，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管的探傷。

探傷原理如圖3所示。設(shè)備采用超聲橫波探傷法，聲波從水到鋼管中發(fā)生折射，折射時(shí)縱波全反射，只有折射橫波。根據(jù)斯奈爾定律（如下式（1）），通過(guò)調(diào)整探頭在水中發(fā)射的入射角α，計(jì)算出鋼中的折射角β。根據(jù)超聲波的傳播路線，確定出鋼中橫波是否可檢測(cè)到鋼管的內(nèi)外壁。為保證鋼中產(chǎn)生純橫波，水中入射角α取值范圍控制在14.5°＜α＜27°：

式中α為探頭在水中的入射角；β為鋼中的折射角；cL水為水中縱波聲速；cS鋼為鋼中橫波聲速。

圖3 探傷原理

在探頭設(shè)計(jì)上，采用多通道組合式探頭，為彌補(bǔ)超聲波在傳輸過(guò)程中的聲速擴(kuò)散和能量衰減，探頭設(shè)計(jì)為線聚焦式，探頭頻率采用2～5MHz。

超聲波探傷儀選擇16通道，重復(fù)頻率2kHz，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄和存儲(chǔ)，每通道都有4個(gè)單獨(dú)報(bào)警閘門并且可以分別控制報(bào)警。

2 設(shè)備研發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)

（1）難點(diǎn)一 上跟蹤式局部水浸法相對(duì)全水浸法，在探傷的動(dòng)態(tài)過(guò)程中保持水層的穩(wěn)定性至關(guān)重要。水層不穩(wěn)就會(huì)在水中產(chǎn)生氣泡、漩渦的現(xiàn)象，同時(shí)會(huì)在儀器上產(chǎn)生干擾波，使系統(tǒng)產(chǎn)生誤判結(jié)果。

解決方案：由于探頭和鋼管在探傷的過(guò)程中是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，水將會(huì)沿著鋼管表面流出，流量的大小直接影響水層的穩(wěn)定，也就是如能將水的流失速度控制在一定范圍之內(nèi)，就會(huì)得到一個(gè)穩(wěn)定的水層。該套設(shè)備采用水靴法增大與鋼管的接觸面積，減小水流失的速度，維持水層穩(wěn)定。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用取得了滿意的效果，如圖4所示。

圖4 水靴

（2）難點(diǎn)二 由于被探鋼管存在橢圓度和直線度，在鋼管旋轉(zhuǎn)行走的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不規(guī)律的跳動(dòng)和擺動(dòng)，如果探頭保持不動(dòng)，將會(huì)導(dǎo)致水聲層和探頭入射角的變化，嚴(yán)重影響探傷的準(zhǔn)確度。

解決方案：實(shí)現(xiàn)探頭的隨動(dòng)，即始終讓探頭隨著鋼管的跳動(dòng)和擺動(dòng)而作緊貼運(yùn)動(dòng)，但相對(duì)鋼管軸線位置又保持對(duì)中。該套設(shè)備采用水靴加彈簧跟蹤的方法，如圖2所示。水靴的下弧面半徑與被測(cè)鋼管相同，消除了水靴與鋼管間隙對(duì)跟蹤的影響，彈簧采用四組八個(gè)彈簧，通過(guò)彈簧作用，水靴可以實(shí)現(xiàn)上下、左右、前后各個(gè)方向隨鋼管運(yùn)動(dòng)并且始終緊貼在鋼管上，探頭與水靴在探傷的過(guò)程中保持相對(duì)不變的位置，最終實(shí)現(xiàn)探頭對(duì)鋼管的跟蹤。

（3）難點(diǎn)三 被探鋼管直徑大、重量重，要實(shí)現(xiàn)鋼管平穩(wěn)傳動(dòng)，而且隨時(shí)正傳、反轉(zhuǎn)、停止，不僅對(duì)傳動(dòng)輥道的強(qiáng)度有要求，對(duì)產(chǎn)生動(dòng)力的電機(jī)控制也有較高的要求。

解決方案：在加大輥輪強(qiáng)度的同時(shí)盡量減輕整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在電機(jī)的制動(dòng)方面采取機(jī)械制動(dòng)和能耗制動(dòng)相結(jié)合的方法。保證了輥道對(duì)大規(guī)格鋼管的支撐和傳動(dòng)，又降低了由于慣性大對(duì)輥道運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制的難度。

3 探傷設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)

該套設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由上料部分、傳輸部分、探傷主機(jī)和下料部分組成。

圖5 超聲波探傷設(shè)備示意圖

上料部分保證在一根鋼管探傷結(jié)束后將下一根傳到輥道上，傳輸部分帶動(dòng)鋼管按要求平穩(wěn)通過(guò)探傷主機(jī)。傳輸部分具有螺距可調(diào)和旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)的功能。超聲波探傷主機(jī)是整套設(shè)備的核心，它主要實(shí)現(xiàn)手工探傷中人手拿探頭的功能，決定了超聲信號(hào)的采集和傳輸?shù)某晒εc否。下料部分起到對(duì)鋼管收集的作用。

4 探傷設(shè)備的控制系統(tǒng)

該套設(shè)備以PLC作為控制的核心，以安裝WinCC軟件的上位機(jī)作為人機(jī)交換界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)整套設(shè)備的自動(dòng)化控制，如圖6所示。上位機(jī)與PLC通過(guò)MPI電纜連接，采用MPI協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，方便操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控和參數(shù)的設(shè)置，如發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象實(shí)時(shí)報(bào)警，嚴(yán)重情況可自動(dòng)判斷并采取保護(hù)措施。

圖6 控制系統(tǒng)示意圖

5 實(shí)際應(yīng)用的效果

該套設(shè)備采取多通道組合式探頭，配備多通道超聲波探傷儀器，對(duì)鋼管進(jìn)行螺旋式掃查，提高了探傷速度，在實(shí)際的性能檢測(cè)中，滿足了 YB／T 4082—2000對(duì)鋼管超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)的要求。

圖7是對(duì)鋼管樣管探傷的實(shí)際波形圖（帶有頭尾信號(hào)）。圖中1，2通道對(duì)鋼管的外傷進(jìn)行檢查，3，4通道對(duì)鋼管的內(nèi)傷進(jìn)行檢測(cè)，并能實(shí)現(xiàn)每個(gè)通道單獨(dú)報(bào)警，信噪比達(dá)到8dB以上，滿足實(shí)際探傷需求。

圖7 鋼管樣管波形圖

6 結(jié)論

該套設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對(duì)大直徑鋼管自動(dòng)化超聲波探傷，在現(xiàn)場(chǎng)使用的過(guò)程中具有檢測(cè)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。其探傷原理可擴(kuò)展到其它材料管材及棒材的超聲波探傷中。