基于PC的水浸式全數(shù)字化多通道自動(dòng)超聲波探傷系統(tǒng)

張 祺，文 廣，唐 銳，張敬東

（攀枝花學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

基于PC的水浸式全數(shù)字化多通道自動(dòng)超聲波探傷系統(tǒng)

張 祺，文 廣，唐 銳，張敬東

（攀枝花學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

為檢測(cè)厚壁無(wú)縫鋼管中存在的缺陷，保證厚壁無(wú)縫鋼管的質(zhì)量,在分析厚壁無(wú)縫鋼管的超聲波探傷原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)一套基于PC微機(jī)的厚壁無(wú)縫鋼管水浸式全數(shù)字化多通道自動(dòng)超聲波探傷系統(tǒng)。采用雙通道脈沖反射式縱波直探頭檢測(cè)厚壁管縱向、橫向內(nèi)外壁缺陷，掃描方式選取探頭固定鋼管螺旋前進(jìn)的方式?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)能準(zhǔn)確檢測(cè)出厚壁無(wú)縫鋼管中存在的缺陷，性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

超聲波探傷；厚壁管探傷；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；數(shù)字化多通道

0 引言

等靜壓技術(shù)是等靜壓裝備及其應(yīng)用的高新技術(shù)，可以徹底解決常規(guī)生產(chǎn)無(wú)法克服的缺點(diǎn)，賦予材料和制品優(yōu)異性能，是傳統(tǒng)粉末冶金壓制燒結(jié)工藝技術(shù)的實(shí)質(zhì)性突破，對(duì)于國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)和科技快速發(fā)展所需的高溫粉末合金、高強(qiáng)復(fù)合材料、新型工程陶瓷等高新技術(shù)材料的制造具有無(wú)可替代的獨(dú)特優(yōu)越性。

等靜壓機(jī)中高壓無(wú)縫鋼管是整個(gè)系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，因此對(duì)于無(wú)縫鋼管的質(zhì)量要求也就顯得尤為重要。為確保產(chǎn)品的安全性，國(guó)家有關(guān)部門(mén)要求生產(chǎn)企業(yè)必須按照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)檢測(cè)。目前對(duì)高溫或高壓下使用的無(wú)縫鋼管探傷檢測(cè)方式主要有渦流探傷和超聲波探傷。超聲波檢測(cè)具有被測(cè)對(duì)象范圍廣、檢測(cè)深度大、缺陷定位準(zhǔn)確、檢測(cè)靈敏度高、成本低、操作性能好、速度快、對(duì)人體無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)[1]。

等靜壓機(jī)所采用的無(wú)縫鋼管都屬于厚壁管，鋼管壁厚內(nèi)徑比值都大于0.2。厚壁鋼管探傷在國(guó)內(nèi)屬于鋼管超聲波探傷領(lǐng)域的難點(diǎn)，基于此本文開(kāi)發(fā)了基于PC微機(jī)的水浸式全數(shù)字化多通道自動(dòng)超聲波探傷系統(tǒng)。

1 厚壁管的超聲波探傷原理

厚壁鋼管的鋼管壁厚內(nèi)徑比值都大于0.2，使用純橫波的方法不能探到內(nèi)壁傷，本文采用折射縱波在外壁上的反射橫波進(jìn)行探測(cè)厚壁管的內(nèi)壁傷[2]。

無(wú)縫鋼管超聲波檢測(cè)的目的是發(fā)現(xiàn)鋼管中存在的各種缺陷，避免這些缺陷帶來(lái)的安全隱患。一般來(lái)講，無(wú)縫鋼管中存在的缺陷大多數(shù)是與管材軸線(xiàn)平行（稱(chēng)之為縱向缺陷），因此可以沿管材外圓的周向掃查橫波探傷為主。但同時(shí)在無(wú)縫鋼管中也可能存在與管材軸線(xiàn)垂直方向的缺陷（稱(chēng)之為橫向缺陷或是周向缺陷），所以有必要同時(shí)沿軸線(xiàn)方向進(jìn)行斜入射探傷[3]。沿管材外圓周向掃查的橫波探傷是無(wú)縫鋼管探傷的主要方式，為了減少管材中存在的波型，通常采用聲束的入射角選擇在第一臨界角到第二臨界角之間產(chǎn)生的純橫波進(jìn)行檢測(cè)鋼管的缺陷，這樣可以使超聲波產(chǎn)生的A型回波波形清晰單一。聲波在兩種不同介質(zhì)之間的邊界上傳輸?shù)膸缀涡再|(zhì)與任何一種其他的波的傳輸性質(zhì)相同，即滿(mǎn)足斯涅耳定律[4]。但是聲波與電磁波的反射和折射現(xiàn)象之間有一點(diǎn)差別，區(qū)別在于當(dāng)聲波沿傾斜角達(dá)到固體介質(zhì)的表面時(shí)，會(huì)改變其傳輸模式（波型轉(zhuǎn)換），如圖1所示。為了使鋼管中產(chǎn)生純橫波，入射角α應(yīng)滿(mǎn)足：

式中：α——入射角；

β——鋼中縱波折射角；

CL水——水中縱波聲速；

CL鋼——管材中縱波聲速。

當(dāng)折射角β=90°時(shí)，折射角度達(dá)到臨界值，此時(shí)此α值稱(chēng)之為第一臨界值，是為了保證純橫波入射的最小角度。

圖1 折射橫波探測(cè)鋼管內(nèi)壁示意圖

管材探傷時(shí)，為了使折射橫波能探測(cè)到管材內(nèi)壁缺陷，橫波折射角應(yīng)該滿(mǎn)足如下：

式中：t——鋼管的厚度；

D——鋼管的直徑。

探測(cè)內(nèi)壁缺陷的最佳條件是t/D＜0.2，這時(shí)鋼管里只有純橫波才能使聲束打到鋼管內(nèi)壁[5]。厚壁管外壁的缺陷可以利用鋼管內(nèi)的折射縱波進(jìn)行探傷。其內(nèi)壁缺陷則無(wú)法使用橫波檢測(cè)，但可以利用波型轉(zhuǎn)換后的反射橫波進(jìn)行鋼管內(nèi)壁的缺陷探傷，如圖2所示。

圖2 厚壁管縱向缺陷的超聲波檢測(cè)原理圖

無(wú)縫鋼管的水浸式純橫波檢測(cè)的最小入射角為14.5°[6]，如果入射角小于14.5°，超聲波在液鋼界面發(fā)生折射，折射后的波型既有橫波也有縱波，折射橫波無(wú)法打到鋼管的內(nèi)壁，只能在鋼管的外壁反射。而折射縱波打到外壁上時(shí)，超聲波就會(huì)在外壁上產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生反射橫波，反射橫波可以射到厚壁管的內(nèi)壁[7]。

圖3 厚壁管橫向缺陷的超聲波檢測(cè)原理圖

厚壁鋼管的周向缺陷（橫向缺陷）檢測(cè)，為了使聲波在缺陷處反射最大，聲波沿著鋼管的軸線(xiàn)方向傳播，探頭以一定角度斜射入鋼管，如見(jiàn)圖3所示。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

厚壁管水浸式超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)是由一個(gè)多通道超聲波探傷儀和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 厚壁無(wú)縫鋼管超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)示意圖

2.1 系統(tǒng)工作原理

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化探傷，采用水浸式探傷方法，用水作為耦合劑，探頭浸于水面，產(chǎn)生的超聲波經(jīng)過(guò)水鋼界面發(fā)生折射進(jìn)入鋼管內(nèi)部，超聲波發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。掃查方式選用探頭固定，鋼管進(jìn)行螺旋進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)方式可以減少機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)量。報(bào)警方式采用聲光報(bào)警，系統(tǒng)探測(cè)到缺陷立即發(fā)出報(bào)警聲音，并延時(shí)打點(diǎn)標(biāo)記。打點(diǎn)標(biāo)記系統(tǒng)采用氣壓式打點(diǎn)機(jī)構(gòu)，可以在鋼管上進(jìn)行噴標(biāo)打點(diǎn)。

多通道探傷系統(tǒng)的基本原理是使用分時(shí)機(jī)制，在同步電路的控制下，多個(gè)通道的探頭進(jìn)行分時(shí)輪流的工作，每個(gè)通道的回波信號(hào)在同步編程與多路開(kāi)關(guān)控制下分時(shí)進(jìn)入高速信號(hào)采集系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，把模擬信號(hào)數(shù)字化，經(jīng)過(guò)濾波后數(shù)字信號(hào)與上位機(jī)通信；上位機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相位、幅度等特征的分析，根據(jù)設(shè)定的報(bào)警門(mén)限，將越過(guò)門(mén)限的回波數(shù)據(jù)暫存到緩存并產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，聲光報(bào)警系統(tǒng)收到信號(hào)后就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音，探傷軟件將回波數(shù)據(jù)與回波波形存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)硬盤(pán)，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中添加缺陷記錄；工件探傷結(jié)束后系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)探傷報(bào)告，從報(bào)告上可看出缺陷分布情況[8]。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架是基于PC平臺(tái)，四通道超聲波板卡PR401、超聲波時(shí)序控制濾波板卡TCF6401B及A/D數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)ISA總線(xiàn)與上位機(jī)進(jìn)行通信。探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

西門(mén)子S200系列的PLC通過(guò)CP5611與上位機(jī)通信，上位機(jī)可以控制伺服電機(jī)與聲光報(bào)警的運(yùn)行狀態(tài)，伺服電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鋼管的勻速螺旋前進(jìn)，探頭可以實(shí)現(xiàn)全面動(dòng)態(tài)掃描。

2.3 機(jī)械系統(tǒng)部分

探傷系統(tǒng)的機(jī)械部分主要由直流電機(jī)、水箱、滾道、探頭調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、機(jī)床底座、噴標(biāo)打點(diǎn)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。根據(jù)系統(tǒng)的要求計(jì)算功率需求，選用230W直流減速電機(jī)，通過(guò)直流調(diào)速器來(lái)調(diào)節(jié)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。水箱放置探傷的耦合劑——水，并安裝探頭支架，探頭的偏心距、入射角、水層厚度通過(guò)探頭調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)。滾道一端固定在機(jī)床，另一端與地面連接，可分為上料滾道與下料滾道，主要功能是支撐無(wú)縫鋼管。直流電機(jī)安裝在機(jī)床底座，電機(jī)上方安裝儲(chǔ)水箱，通過(guò)水泵將儲(chǔ)水箱的水抽至工作工臺(tái)的水箱，提供探傷工作時(shí)用到的耦合劑。水箱安裝在伺服電機(jī)之上，目的是隔離電機(jī)的電磁干擾，此外，其他硬件方面上采用了接地、屏蔽、隔離、硬件濾波等一些措施。機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 探傷機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖

2.4 探傷系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

圖7 φ20mm×6mm鋼管的內(nèi)壁縱向傷

圖8 φ20mm×6mm鋼管的外壁縱向傷

圖9 φ20mm×6mm鋼管的內(nèi)壁橫向傷

圖10 φ20mm×6mm鋼管的外壁橫向傷

軟件主要的功能模塊包括：回波采集及預(yù)處理模塊、缺陷診斷模塊、回波顯示模塊、PLC控制模塊、報(bào)表管理模塊、缺陷波管理模塊等[9]。

3 系統(tǒng)測(cè)試

為測(cè)試系統(tǒng)的性能，選用規(guī)格為φ20mm×6mm的樣管調(diào)試與探傷，偏心距為1.45mm，水層厚度為10mm，探頭焦距為20mm。通道1為縱向傷檢測(cè)通道,通道2為橫向傷檢測(cè)通道，φ20mm×6mm規(guī)格的無(wú)縫鋼管的縱向內(nèi)壁傷如圖7所示，缺陷回波高度為100%；縱向外壁傷如圖8所示，缺陷回波高度為86%；內(nèi)壁橫向傷如圖9所示。缺陷波回波高度為100%；外壁橫向傷如圖10所示，缺陷回波高度為92%。

由上面數(shù)據(jù)可得出，本文研究的水浸式厚壁無(wú)縫鋼管的超聲波探傷系統(tǒng)周向靈敏度差≤4 dB，信噪比≥8dB，系統(tǒng)穩(wěn)定性等滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析厚壁無(wú)縫鋼管的超聲波探傷原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一套基于PC微機(jī)的厚壁無(wú)縫鋼管水浸式全數(shù)字化多通道自動(dòng)超聲波探傷系統(tǒng)。

1）系統(tǒng)采用雙通道脈沖反射式縱波直探頭檢測(cè)厚壁管縱向、橫向內(nèi)外壁缺陷，掃描方式選取探頭固定鋼管螺旋前進(jìn)的方式。

2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)的通道預(yù)置、A掃描、回波顯示、探傷處理等功能測(cè)試滿(mǎn)足要求，系統(tǒng)的周向靈敏度差≤4 dB，信噪比≥8 dB，系統(tǒng)穩(wěn)定性等滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

[1]鄭熙，侯力，王裕林，等.厚壁無(wú)縫鋼管的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（7）：90-92.

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[3]王仲生.無(wú)損檢測(cè)診斷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：27-82.

[4]尹玲.棒材超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)的研制[D].重慶：重慶大學(xué)，2006：21-27.

[5]杜建華.基于超聲波管材壁厚連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用與研究[D].天津：天津河北工業(yè)大學(xué)，2007：9-20.

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[7]鄭暉.超聲檢測(cè)[M].2版.北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008：216-251.

[8]王少江.小徑厚壁鋼管超聲自動(dòng)探傷系統(tǒng)的研制[D].成都：四川大學(xué)，2012：10-37.

[9]王裕林，侯力，鄭熙，等.基于VC超聲波探傷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2010，31（1）：134-136.

PC-based water immersion all digital multi-channel automatic ultrasonic testing system

ZHANG Qi，WEN Guang，TANG Rui，ZHANG Jing-dong
（Panzhihua Univerisy，Panzhihua 617000，China）

In order to detect defects in thick-walled seamless steel pipes to insure the quality，this paper has developed PC-based microcomputer water immersion all digital multi-channel automatic ultrasonic testing system after studying the principle of ultrasonic flaw detection of the thick-walled seamless steel pipe.The system uses dual-channel pulse wave reflection straight probe to detect the inspection of longitudinal and transverse outer or inner wall defects，and the scanning mode uses the method that the probe is fixed and steel pipe is helical feed.The tests results show that the designed system can accurately detect defects existing in the thick-walled seamless steel pipe and the system performance meets the design requirements.

ultrasonic testing；thick-walled testing；system design；digital multi-channel

TB553；TG115.285；TE973.6；TM930.12

：A

：1674-5124（2014）05-0084-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.022

2013-10-14；

：2013-12-28

四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（11ZA253）

張 祺（1986-），男，四川南充市人，助教，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。