基于VC平臺(tái)的厚壁無縫鋼管超聲波探傷系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

起雪梅，張敬東

（攀枝花學(xué)院交通與汽車工程學(xué)院，攀枝花 617000）

熱等靜壓（簡稱HIP）是一種集高溫、高壓于一體的工藝生產(chǎn)技術(shù)，加熱溫度通常為1 000～2 000 ℃，通過以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮?dú)鉃閭鲏航橘|(zhì)，工作壓力可達(dá)200 MPa［1］。等靜壓裝備被廣泛應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)、兵器、電子、冶金建材、陶瓷、耐火材料、磁性材料、醫(yī)藥食品等行業(yè)。熱等靜壓機(jī)中高壓無縫鋼管是整個(gè)系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，因此對(duì)于無縫鋼管的質(zhì)量要求也就顯得尤為重要，也就突出了鋼管缺陷檢測的重要性［2，14］。

超聲檢測相比其他無損檢測方法具有以下優(yōu)點(diǎn)［3－5］：能夠?qū)饘佟⒎墙饘?、?fù)合材料等物體進(jìn)行無損檢測；穿透力強(qiáng)，可檢出工件內(nèi)部較大厚度范圍內(nèi)的缺陷；靈敏度高，可檢出工件內(nèi)尺寸很小的缺陷；準(zhǔn)確的缺陷定位能力；低廉、高速、輕便、易用，對(duì)人與環(huán)境無害等。目前國內(nèi)對(duì)無縫鋼管進(jìn)行超聲波探傷大都是按照GB／T 5777—1996《無縫鋼管超聲波探傷檢驗(yàn)方法》來執(zhí)行的，但此標(biāo)準(zhǔn)只適用于壁厚與外徑之比t／D小于0.2 的薄壁管探傷［5］。本項(xiàng)目中所采用φ12mm×4mm、φ20mm×6mm、φ38 mm×12 mm、φ50 mm×12 mm 四種不同規(guī)格的無縫鋼管的壁厚外徑比t／D大于0.2，均系厚壁管。對(duì)于t／D大于0.2的厚壁管探傷，只能選擇合適的檢測參數(shù)，使其既能滿足純橫波探傷的需要，又能滿足內(nèi)壁探傷的要求。

筆者在研究厚壁無縫鋼管的超聲波探傷原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合探傷的實(shí)際需求和基于PC 平臺(tái)的VC編程軟件，設(shè)計(jì)了一種基于VC 平臺(tái)的厚壁無縫鋼管超聲波探傷軟件系統(tǒng)，并在現(xiàn)場環(huán)境下對(duì)整個(gè)軟件系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，結(jié)果表明軟件系統(tǒng)滿足了探傷性能指標(biāo)要求。

1 厚壁管材探傷原理

無縫鋼管的超聲波探傷目的是發(fā)現(xiàn)鋼管中存在的各種缺陷，避免這些缺陷帶來的安全隱患。一般來講，無縫鋼管中存在的缺陷大多數(shù)是與管材軸線平行（稱之為縱向缺陷），因此超聲波可以沿管材外圓的周向掃入并以橫波探傷為主，但同時(shí)在無縫鋼管中也可能存在與管材軸線垂直方向的缺陷（稱之為橫向缺陷或是周向缺陷）［6］。對(duì)于t／D大于0.2的厚壁無縫鋼管，無法實(shí)現(xiàn)純橫波內(nèi)壁探傷，但可以通過選擇合適的檢測參數(shù)，然后用折射縱波檢測管外壁缺陷，折射橫波檢測管內(nèi)壁缺陷，也能達(dá)到較好的檢測效果。

超聲波在液－鋼界面發(fā)生折射，折射后的波型即有橫波也有縱波，折射橫波無法打到鋼管的內(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］。因此，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，厚壁管縱向缺陷的超聲波檢測原理如圖1所示。圖中T 為始波，S1為界面波，F(xiàn)內(nèi)為內(nèi)壁缺陷波，F(xiàn)外為外壁缺陷波，S2為界面波。

2 系統(tǒng)組成

圖1 厚壁管縱向缺陷的超聲波探傷原理圖

筆者設(shè)計(jì)的小徑厚壁鋼管超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)包括超聲檢測系統(tǒng)、基于PLC 電氣控制系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。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ISA 總線與上位機(jī)進(jìn)行通信，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［8－11］。探傷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無縫鋼管超聲自動(dòng)探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

厚壁無縫鋼管超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)實(shí)物圖如圖3所示，從圖中可看出該系統(tǒng)主要包括工控機(jī)、超聲波發(fā)射接收卡、數(shù)據(jù)采集卡、PLC 控制系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等。

圖3 厚壁無縫鋼管超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)實(shí)物圖

2.1 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用分層與模塊化方法設(shè)計(jì)了厚壁無縫鋼管超聲波缺陷檢測模塊，使用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)了該模塊結(jié)構(gòu)，提高了代碼的重用度、可擴(kuò)展性與可移植性。系統(tǒng)是基于Windows 2000系統(tǒng)開發(fā)的，并采用Visual C＋＋6.0集成開發(fā)環(huán)境作為開發(fā)平臺(tái)；Visual C＋＋6.0既可以提供豐富的可視化編程方法、也提供直接對(duì)系統(tǒng)底層操作的API函數(shù)。應(yīng)用軟件層位于系統(tǒng)最頂層，是通過調(diào)用Windows 2000的系統(tǒng)函數(shù)進(jìn)行訪問與控制其他硬件設(shè)備的［12－14］。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框架和軟件工作流程如圖4，5所示。

圖4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框架

圖5 軟件工作流程圖

2.2 回波采集模塊

在工業(yè)控制過程中，為了實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，提高數(shù)據(jù)采集的頻率，應(yīng)該在不占用大量CPU 的情況下盡可能地提高定時(shí)器的精度。軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊是保證定時(shí)器的定時(shí)精度和對(duì)數(shù)據(jù)采集卡等硬件I／O 接口地址數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀寫操作。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，提高軟件系統(tǒng)的定時(shí)器精度，系統(tǒng)采用多媒體定時(shí)器timeSetEvent（）函數(shù)，timeSetEvent（）函數(shù)工作原理圖如圖6所示，該函數(shù)定時(shí)精度為ms級(jí)。它采用的是避開Windows的消息隊(duì)列、設(shè)置定時(shí)回調(diào)函數(shù)的方法，是win32API函數(shù)庫的高精度計(jì)時(shí)的底層函數(shù)。多媒體定時(shí)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集精度可達(dá)到1ms，可以滿足超聲波回波實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的定時(shí)要求。

圖6 timeSetEvent（）函數(shù)工作原理圖

2.3 預(yù)處理模塊

預(yù)處理模塊的工作任務(wù)主要是連接超聲波板卡、數(shù)據(jù)采集卡與PLC，通過Windows底層函數(shù)對(duì)硬件的寄存器進(jìn)行讀寫操作，硬件接收到數(shù)據(jù)后便做出相應(yīng)的初始化設(shè)置。預(yù)處理模塊的信號(hào)濾波單元，主要是帶通濾波。超聲波探傷現(xiàn)場的干擾因素都可能會(huì)給探傷系統(tǒng)帶來雜波信號(hào)，這些都將影響到探傷結(jié)果。在數(shù)據(jù)采集的板卡上設(shè)計(jì)濾波電路，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)高通、低通等濾波處理功能。

預(yù)處理模塊還包括檢波／射檢、增益、主增益、波形顯示范圍、高壓值、PLC 等的一些初始化工作，主要功能如圖7所示。

2.4 回波顯示模塊

該模塊主要是將采集的回波數(shù)據(jù)以波形圖的形式顯示在軟件界面中，為了實(shí)現(xiàn)回波數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示并且不產(chǎn)生閃爍的現(xiàn)象，系統(tǒng)采用“雙緩存”機(jī)制來實(shí)現(xiàn)探傷波形的繪制。這種方法可以避免閃爍效果，提高繪圖速度，改善繪圖效果，雙緩沖機(jī)制的繪圖原理如圖8所示。

圖7 預(yù)處理模塊主要功能

圖8 雙緩沖機(jī)制的繪圖原理

雙緩沖機(jī)制是在VC＋＋環(huán)境下實(shí)現(xiàn)該原理的，采用MFC 中的畫筆CPen類對(duì)象，實(shí)現(xiàn)在DC上完成繪制線條，再使用CBitmap類對(duì)象創(chuàng)建一個(gè)位圖對(duì)象，并初始化位圖句柄，將位圖選擇到已經(jīng)創(chuàng)建好的一個(gè)屏幕兼容的內(nèi)存DC，最后將在內(nèi)存中繪制好的波形拷貝到picture box對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)了回波數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

2.5 缺陷診斷模塊

在缺陷診斷功能模塊中，閘門范圍內(nèi)的回波幅度是否超過閘門高度幅值是診斷缺陷的標(biāo)準(zhǔn)。缺陷診斷原理是：首先獲得閘門范圍內(nèi)的回波最大值，回波最大值與閘門高度值比較，若回波最大值大于閘門高度值則說明鋼管存在缺陷，若回波最大值小于閘門高度值則說明鋼管不存在缺陷。

由WaveGate1Max（Channel）函數(shù)獲得所有通道的閘門范圍內(nèi)的回波最大值，并保存在數(shù)組iGateMaxHighChannel中，計(jì)算出每個(gè)通道的閘門高度bChannel，將回波最大值與閘門高度進(jìn)行比較，若回波高度大于閘門高度則判樣管有傷，系統(tǒng)保存缺陷數(shù)據(jù)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)指令。

2.6 PLC控制模塊

PLC控制模塊在整個(gè)探傷軟件系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)執(zhí)行者的角色，所有的機(jī)械運(yùn)動(dòng)操作都是通過PLC控制模塊發(fā)出的指令來實(shí)現(xiàn)控制的，接收到PLC發(fā)出的指令信號(hào)后利用STEP 7 MicroWIN32PLC編程軟件通過CP5611 將系統(tǒng)的PLC程序下載到下位機(jī)上，PLC 主程序包括四個(gè)部分：初始化程序、系統(tǒng)主程序、缺陷處理程序、數(shù)據(jù)交換程序。初始化程序主要是讀取待測管徑，通過管徑可以計(jì)算鋼管的水平運(yùn)動(dòng)速度，從而計(jì)算出噴標(biāo)打點(diǎn)的延時(shí)時(shí)間。

2.7 報(bào)告生成模塊

在自動(dòng)探傷過程中，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)缺陷波后會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并將缺陷數(shù)據(jù)添加至探傷報(bào)告數(shù)據(jù)庫，保存缺陷波形圖，最后自動(dòng)生成探傷報(bào)告文件。報(bào)告生成的流程圖如圖9所示。

圖9 報(bào)告生成的流程圖

3 軟件系統(tǒng)功能測試

對(duì)厚壁無縫鋼管超聲波探傷系統(tǒng)的功能進(jìn)行測試，探傷系統(tǒng)的主界面、報(bào)告管理系統(tǒng)和缺陷波管理系統(tǒng)功能測試結(jié)果如圖10～12所示。其中探傷報(bào)告管理系統(tǒng)采用Access作為數(shù)據(jù)庫，用VC＋＋編寫程序代碼，它與探傷主系統(tǒng)是分開獨(dú)立的系統(tǒng)。探傷主系統(tǒng)將無縫鋼管的探傷數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到Access數(shù)據(jù)庫中，報(bào)告管理系統(tǒng)和缺陷管理系統(tǒng)對(duì)該數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

圖10 探傷系統(tǒng)及管理系統(tǒng)的主界面

圖11 探傷報(bào)告管理系統(tǒng)

為測試探傷系統(tǒng)的性能，選用規(guī)格為φ20mm×6mm 的樣管進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試與探傷，通道1 為縱向缺陷檢測通道，其通道1的閘門高度為60%；通道2為橫向缺陷檢測通道，其閘門高度為80%；探傷結(jié)果如圖13所示。

圖12 缺陷波管理系統(tǒng)界面

圖13 厚壁無縫鋼管探傷結(jié)果

因?yàn)榭v向缺陷檢測通道的閘門高度為60%，橫向缺陷檢測通道的閘門高度為80%，當(dāng)波的高度高于閘門高度時(shí)，即可判斷其缺陷的位置和程度。從探傷結(jié)果看出，無縫鋼管的內(nèi)壁縱向和外壁縱向缺陷回波高度分別為100%和86%，都已超過了縱向缺陷波檢測的閘門高度60%；無縫鋼管的內(nèi)壁橫向和外壁橫向缺陷回波高度分別為100%和92%，也都超過了橫向缺陷波檢測的閘門高度為80%。周向靈敏度差小于等于4dB，信噪比大于等于8dB。故系統(tǒng)的水平性誤差、垂直性誤差、電噪聲電平都符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的性能指標(biāo)。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了與探傷系統(tǒng)配套的軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)探傷軟件的實(shí)時(shí)采集、濾波處理、回波顯示、缺陷診斷、報(bào)告生成等功能，并通過對(duì)φ20mm×6mm 的樣管進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試與探傷，得出該軟件系統(tǒng)可以滿足企業(yè)要求。其中探傷報(bào)告管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)的便攜式超聲波探傷儀存在的缺點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)生成單根鋼管的報(bào)告，也可以生成一批鋼管的探傷報(bào)告，從而有益于探傷報(bào)告的有效管理。缺陷波管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不光可以方便工作人員管理探傷報(bào)告中的缺陷波形，同時(shí)也方便操作人員根據(jù)缺陷波形判斷缺陷類型。

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