超聲波探傷系統(tǒng)在中厚鋼板生產(chǎn)中的應(yīng)用和評(píng)價(jià)

叢 琛

自動(dòng)化

超聲波探傷系統(tǒng)在中厚鋼板生產(chǎn)中的應(yīng)用和評(píng)價(jià)

叢 琛

（馬鋼股份有限公司工程管理部,安徽馬鞍山243000)

介紹了超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)的基本組成，描述了關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)的基本參數(shù)。通過(guò)對(duì)鋼板的對(duì)比探傷分析,超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)不但滿足了生產(chǎn)流程的要求，對(duì)鋼板自動(dòng)評(píng)級(jí)及提高鋼板質(zhì)量起到了促進(jìn)作用。

超聲波探傷；報(bào)警；缺陷；自動(dòng)評(píng)估；應(yīng)用

1 引言

近幾年，隨著我國(guó)工業(yè)化和現(xiàn)代化建設(shè)的迅猛發(fā)展，管線鋼、船板、鍋爐用鋼板的需求量劇增，加之這類板材應(yīng)用在高溫、高壓、高速度或高應(yīng)力場(chǎng)合的特殊性，所以對(duì)中厚鋼板的內(nèi)部質(zhì)量及使用安全提出了更高的要求，可對(duì)于大面積、高強(qiáng)度的板材內(nèi)部缺陷檢測(cè)，僅僅依靠手工探傷，存在著探傷覆蓋率低，速度慢，探傷結(jié)果不準(zhǔn)確，探傷工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，難以滿足日益擴(kuò)大的專用板生產(chǎn)需求。超聲波無(wú)損檢測(cè)因?yàn)榫哂袡z測(cè)靈敏度高、指向性好、檢測(cè)速度快、穿透力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為檢查鋼鐵產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的理想手段，在線超聲波自動(dòng)化探測(cè)系統(tǒng)是以自動(dòng)探傷為基礎(chǔ)，定量計(jì)算缺陷的長(zhǎng)度、面積、百分比，并根據(jù)相關(guān)國(guó)內(nèi)特殊的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)評(píng)價(jià)和確認(rèn)鋼板的內(nèi)部質(zhì)量等級(jí)。目前鋼板超聲波探傷技術(shù)正向?qū)崟r(shí)成像、自動(dòng)評(píng)價(jià)的超聲波全自動(dòng)探傷方向發(fā)展。

2 自動(dòng)化超聲波探傷系統(tǒng)介紹

超聲波檢測(cè)技術(shù)作為無(wú)損檢測(cè)的重要手段，提供了一種評(píng)價(jià)固體材料的微觀組織及相關(guān)力學(xué)性能，微觀和宏觀不連續(xù)性的有效方法。當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，將反射回部分聲能，當(dāng)鋼板中存在缺陷時(shí)，由于缺陷介質(zhì)與鋼的聲阻抗不同，即有反射現(xiàn)象發(fā)生。超聲脈沖反射法就是通過(guò)測(cè)量信號(hào)的往復(fù)時(shí)間確定缺陷深度,測(cè)量回波信號(hào)的幅度來(lái)確定缺陷的大小和方向。

在線自動(dòng)化超聲波探傷系統(tǒng)是綜合運(yùn)用機(jī)械、超聲、電子、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃查、自動(dòng)判定缺陷、自動(dòng)確定缺陷大小和位置、自動(dòng)評(píng)定缺陷等級(jí)的綜合性系統(tǒng)設(shè)備，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了100%全覆蓋式一次性通過(guò)掃查。

實(shí)現(xiàn)方法是：由若干個(gè)探頭（如4個(gè)）組成一個(gè)組合，形成一定的聲束寬度（72 mm），每個(gè)探頭組間隔一定距離（144 mm），根據(jù)被檢測(cè)鋼板寬度而設(shè)置的若干對(duì)（如15對(duì)）主探頭組“一”字排列，分為兩排在線一次性縱向掃查，單獨(dú)設(shè)置兩組探頭組合，進(jìn)行周邊100%掃查；若干臺(tái)多通道的主探傷儀和一臺(tái)多通道的邊部探傷儀并行工作，各臺(tái)探傷儀的每個(gè)通道在同步電路的控制下，輪流循環(huán)工作；回波信號(hào)順序進(jìn)入高速A/D變換電路，進(jìn)行數(shù)字化；數(shù)字化后的回波數(shù)據(jù)，由報(bào)警電路和高速處理器對(duì)波形的相位、幅度等特征進(jìn)行相干分析，剔除干擾雜波后，根據(jù)設(shè)定的報(bào)警門限，對(duì)越過(guò)門限的波形數(shù)據(jù)加入緩存并產(chǎn)生中斷，數(shù)據(jù)處理微機(jī)收到中斷后，讀取探頭的探查位置和回波數(shù)據(jù)，然后依據(jù)當(dāng)前所探板材的種類、厚度及波形的特征，得出缺陷的當(dāng)量大小，再與已知的專家特征庫(kù)中的數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行比較，評(píng)定缺陷的級(jí)別。最后用圖像信息處理的辦法，生成缺陷分布圖，檢出鋼板中所有標(biāo)準(zhǔn)要求的危害性缺陷。

3 關(guān)鍵性技術(shù)應(yīng)用

3.1 缺陷報(bào)警處理方法

在自動(dòng)化探傷系統(tǒng)中，探頭對(duì)鋼板的相對(duì)速度都很高，不可避免地引起靈敏度的改變，為了防止引起誤報(bào)，采用比例報(bào)警技術(shù)，（需要說(shuō)明的是，無(wú)論什么方法，耦合機(jī)構(gòu)都必須保證有足夠的檢測(cè)靈敏度，聲能無(wú)法返回或返回甚少時(shí)，是無(wú)法檢測(cè)到缺陷的）。另兩條就是缺陷波F1逸50%進(jìn)波報(bào)警和回波B1<50%的失波報(bào)警，通過(guò)三種報(bào)警技術(shù)的應(yīng)用，極大地減少了漏報(bào)和誤報(bào)。

3.2 相關(guān)報(bào)警技術(shù)

超聲波探傷技術(shù)還采用了時(shí)間相關(guān)、特征相關(guān)和位置相關(guān)三種技術(shù)。為可靠地檢出缺陷，任一通道的重復(fù)頻率必須保證單個(gè)缺陷至少連續(xù)報(bào)警N次，特征相關(guān)報(bào)警就是對(duì)報(bào)警波形的相位，升、降時(shí)間進(jìn)行進(jìn)一步分析，以剔除連續(xù)三次干擾雜波產(chǎn)生的誤報(bào)。位置相關(guān)就是對(duì)缺陷點(diǎn)的分布以及單位面積內(nèi)的報(bào)警信息進(jìn)行分析，剔除耦合不良，儀器失常及表面問(wèn)題等引起的誤報(bào)。

3.3 通帶濾波技術(shù)

在線自動(dòng)化探傷系統(tǒng)中，使用的都是5 M的探頭，對(duì)此特定檢測(cè)頻率，在模擬電路和數(shù)字電路中加有帶通濾波器，允許5 M左右的頻率信號(hào)通過(guò)，其它頻率信號(hào)被削弱。因此，探傷儀具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

3.4 自動(dòng)增益和自動(dòng)評(píng)估技術(shù)

由于鋼板厚度、材質(zhì)和內(nèi)部缺陷是復(fù)雜多變的，不同種類的鋼板，缺陷變化千差萬(wàn)別，為適應(yīng)未知情況，本系統(tǒng)具有自動(dòng)增益設(shè)定和自動(dòng)評(píng)估功能，評(píng)估系統(tǒng)采用權(quán)限分級(jí)控制，能對(duì)鋼板中的線狀缺陷自動(dòng)進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量，自動(dòng)進(jìn)行面積測(cè)量和百分比測(cè)量；能自動(dòng)評(píng)定出鋼板的實(shí)際探傷級(jí)別，能對(duì)鋼板中的缺陷進(jìn)行精確的定位；能打印出探傷圖及缺陷的位置標(biāo)注。建立的專家?guī)煜到y(tǒng)，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)修改評(píng)估算法和關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)評(píng)級(jí)，以提高自動(dòng)評(píng)定鋼板等級(jí)的科學(xué)性和合理性。

3.5 單點(diǎn)缺陷合并理論

按照超聲波探傷要求，合并后的單點(diǎn)缺陷的集合組成缺陷區(qū)，計(jì)算出各個(gè)傷區(qū)的指示長(zhǎng)度、指示面積、面積百分比，取各傷區(qū)指示長(zhǎng)度的最大值Lmax、指示面積的最大值Smax、面積百分比的最大值Pmax，再按執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼板進(jìn)行自動(dòng)判級(jí)。

4 對(duì)比探傷試驗(yàn)結(jié)果分析

超聲波探傷設(shè)備系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的對(duì)比實(shí)驗(yàn)是很重要的，要確定對(duì)探傷準(zhǔn)確無(wú)誤后，探傷系統(tǒng)才能投入使用，在探傷對(duì)比階段，最少要進(jìn)行上百?gòu)埓武摪宓奶桨骞ぷ?。例如在某工程?xiàng)目做的探傷對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，共探板280多張次（包括同一鋼板多次探傷），排除重復(fù)探傷，共探鋼板112張，鋼板厚度從12 mm到30 mm，寬度從1600 mm到2500 mm，長(zhǎng)度從6300 mm到11450 mm。其中有缺陷鋼板51張，完全沒(méi)有缺陷的鋼板61張。有缺陷的鋼板中一級(jí)鋼板17張，二級(jí)鋼板2張，改判鋼板32張。判級(jí)合格的鋼板和手工探傷完全一致。改判有誤的鋼板9張。因表面彎曲度、表面打磨、表面戳傷造成靈敏度變化的誤判6張。因表面污物（沙子、鐵屑、鋼絲、邊部毛刺）造成耦合不好的誤判2張，該問(wèn)題為偶然因素。因?yàn)楦蓴_波引起的單點(diǎn)缺陷誤報(bào)但判級(jí)正確的鋼板6張，該問(wèn)題通過(guò)改變探傷速度和相關(guān)報(bào)警技術(shù)解決。

因耦合水質(zhì)引起的單點(diǎn)缺陷漏報(bào)但判級(jí)正確的鋼板1張，該問(wèn)題通過(guò)改善水質(zhì)解決。綜合以上結(jié)果，自動(dòng)探傷合格，人工探傷也合格的準(zhǔn)確率100%，自動(dòng)探傷不合格，人工探傷合格的誤報(bào)率為9/112=8.04%，排除已解決問(wèn)題和偶然因素，誤報(bào)率不超過(guò)2%。其超聲波對(duì)比探傷技術(shù)保證及功能考核依據(jù)如表1。

圖1為一實(shí)際探測(cè)鋼板缺陷分布圖的探傷報(bào)告。

5 結(jié)語(yǔ)

在線自動(dòng)化超聲波探傷設(shè)備和評(píng)價(jià)系統(tǒng)，要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體情況，以實(shí)現(xiàn)占用場(chǎng)地少，空載時(shí)間比例小，在實(shí)際應(yīng)用中科學(xué)合理地將現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝、專家經(jīng)驗(yàn)、管理制度與探傷軟件相結(jié)合，使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、可靠性，加快探傷節(jié)奏，提高探傷產(chǎn)量；利用缺陷評(píng)估算法，減少了漏探、誤探，確保了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，提高了鋼板等級(jí)評(píng)定的準(zhǔn)確性。

表1 超聲波對(duì)比探傷技術(shù)保證及功能考核依據(jù)

圖1 實(shí)際探測(cè)鋼板缺陷分布圖的探傷報(bào)

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的在線自動(dòng)化超聲波探傷設(shè)備已實(shí)現(xiàn)了超聲檢測(cè)結(jié)果的三維位置顯示，并且能對(duì)鋼板內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，保證了系統(tǒng)的先進(jìn)性和實(shí)用性，與國(guó)外同類探傷系統(tǒng)（加拿大NDT公司、日本Mitsubishi公司、德國(guó)Nukemu、NDT公司等）相比，在易用性、經(jīng)濟(jì)性、可維護(hù)性方面都有較大優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為中厚板檢測(cè)的重要手段之一，成為很有應(yīng)用前景的主流的無(wú)損檢測(cè)方法。

[1]Albert S.Birks,Robert E.Green,Jr等.美國(guó)無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)(超聲卷) [M].上海：世界圖書出版公司.1996年.

Application of the Supersonic Flaw Detecting System in Medium and Heavy Plate Production and Performance Assessment

Cong Chen
(Project Management Dept.of Maanshan Iron and Steel Co.Ltd.,Maanshan,Anhui 243000,China)

Thebasicconfigurationofautomaticsupersonicflawdetectingsystemis introduced and the coretechnologyandbasicparameters ofthesystemarepresented. Through comparative analysis of flaw detection for steel plates,it is proved that the automatic supersonic flaw detecting system not only satisfies the requirement of production process,but also plays a positive role in automatic plate classification and improvement of plate quality.

supersonic flaw detecting;alarm;flaw;automatic evaluation;application

TP274

B

1006-6764（2014）10-0068-03

2014-06-26

叢琛（1963-），男，1988年畢業(yè)與華東冶金學(xué)院，大學(xué)本科學(xué)歷，工程師，現(xiàn)從事電氣管理工作。