大直徑無縫鋼管的超聲檢測系統(tǒng)

（浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313012）

無縫鋼管在生產(chǎn)過程中，可能會產(chǎn)生各種缺陷，影響到鋼管的質(zhì)量。為確保產(chǎn)品的安全性，國家有關(guān)部門要求生產(chǎn)企業(yè)必須按照產(chǎn)品標準對無縫鋼管進行檢測。無損檢測主要包括五種方法：超聲波檢測、射線檢測、渦流檢測、磁粉檢測和滲透檢測，在無縫鋼管的檢測領(lǐng)域中，超聲檢測作為一種有效的檢測手段，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。與其它無損檢測方法相比，超聲波檢測具有被測對象范圍廣、檢測深度大、缺陷定位準確、檢測靈敏度高、成本低、超作性能好、速度快、對人體無害等優(yōu)點[1]。

可見，超聲波無損檢測是無損檢測領(lǐng)域中的一種非常重要的方法，它對于保證無縫鋼管產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性有著重要的意義。

1 檢測原理及方式

1.1 檢測原理

在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料的不連續(xù)。這種不連續(xù)往往又造成聲阻抗的不一致。超聲波在兩種不同聲阻抗的介質(zhì)的交界面上將會發(fā)生反射，反射回來的能的大小與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的量取向、大小有關(guān)。這就是超聲波探傷的原理[4]。

1.2 探傷方式

根據(jù)被探鋼管和超聲波探頭運動方式，國內(nèi)無縫鋼管自動超聲波探傷設(shè)備主要有兩種類型：一種是鋼管螺旋前進、探頭不移動的裝置：另一種是鋼管直線前進、探頭高速旋轉(zhuǎn)的裝置。無論是哪種運動方式，都必須確保被探鋼管的整個截面積被全部掃查到[5]。

本系統(tǒng)采用水浸法檢測，鋼管自轉(zhuǎn)、探頭直線前進的超聲波水浸聚焦掃查方式，對Φ168-Φ730 mm不銹無縫鋼管進行內(nèi)外壁縱橫向缺陷、壁厚及分層缺陷進行全管體自動化檢測，并對探測到的缺陷進行自動打標。

探頭組件通過耐磨觸靴與鋼管接觸。旋轉(zhuǎn)對鋼管進行全覆蓋掃查，這種方式需要一個旋轉(zhuǎn)頭固定各個探頭，并通過電刷或電容耦合方式將探頭信號傳回儀器處理。

傳統(tǒng)作法是采用龍門馬鞍式將探頭組安放在12點鐘位置上，本系統(tǒng)則將探頭組安裝在下部6點鐘位置上，根據(jù)對稱滾輪對最小管徑形成100-110°夾角支承轉(zhuǎn)動時，2個Φ250 mm對稱滾輪之間還有最小90~110 mm輪對輪間距，此間距完全可安放探頭小水箱在底部，用冒水法進行穩(wěn)定檢測。由于考慮到不銹鋼管外弧面相對干凈一些，不會掉下大量銹塊和氧化皮影響探傷，設(shè)計將探頭小水箱放在下部6點鐘位置對于操作人員調(diào)試和更換探頭、減小水流環(huán)境污染、減小管端盲區(qū)、提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性都具有無可比擬的優(yōu)點。

2 系統(tǒng)主要組成

超聲檢測系統(tǒng)的主要組成如圖1所示，包括上料臺架、上料機構(gòu)、鋼管定位旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、運動小車檢測裝置、下料機構(gòu)和下料臺架等。檢測裝置是該檢測線的核心部分，包括超聲探傷儀、探頭、控制臺、檢測頭(安裝探頭的機械裝置、根據(jù)檢測方式有的則包括水槽)、機電控制部分等。

鋼管通過上料機構(gòu)輸送到鋼管定位旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，由電機帶動鋼管放置旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的主動滾輪運動，從而帶動鋼管作旋轉(zhuǎn)運動，鋼管下面的檢測小車沿著導軌直線進給。超聲波信號通過超聲波數(shù)據(jù)采集卡進入PC進行探傷，將判斷的結(jié)果通過指令發(fā)送到PLC控制器，由PLC控制缺陷標記器在鋼管上標記小缺陷的位置。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 上、下料機構(gòu)

上、下料各采用1套裝置。在第一根鋼管被檢測完后下料的同時，第二根鋼管上料。上下料裝置由液壓缸驅(qū)動，工作平穩(wěn)可靠，無撞擊噪聲。在底板與鋼管接觸處設(shè)置有耐磨塊，由此大大延長了底板的使用壽命。

2.2 鋼管定位旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

鋼管由數(shù)套滾輪架定位，滾輪采用組合式，鋼輪外包橡膠，傳動平穩(wěn)，摩擦力大。

滾輪架的同心度、直線度、速度、穩(wěn)定性以及振動的強弱都會影響探傷的靈敏度和可靠性。因此，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)是圍繞探傷靈敏度和可靠性等要求來設(shè)計和加工的。

由于被檢管材規(guī)格變化很大，為使每種規(guī)格的鋼管放置在滾輪上都形成100~110°夾角支承，旋轉(zhuǎn)時與滾輪接觸的狀態(tài)一致，數(shù)組滾輪的中心距可通過移動被動滾輪架調(diào)節(jié)，以滿足不同規(guī)格管材的探傷要求。

2.3 運動小車檢測裝置

探頭旋轉(zhuǎn)帶來的超聲探傷儀與探頭之間的電氣耦合對探傷的可靠性會產(chǎn)生很大影響，對此采用固定探頭旋轉(zhuǎn)鋼管的方法進行避免[5]。但由于鋼管彎曲，前進的探頭與旋轉(zhuǎn)的鋼管之間相對位置的變動會引起入射角的改變，為此，專門設(shè)計了探頭隨動裝置，使探頭與鋼管的相對位置保持不變。

機頭由輪式組合探頭、浮動跟蹤裝置及支座組成。探頭內(nèi)設(shè)有探測厚度／分層、橫向順反時針、縱向、前后等5個方向的探測振子。每個探測方向有兩個通道，采用脈沖反射法，探傷頻率2～6MHz。探頭安裝在由氣動控制升降的浮動跟蹤裝置上。

3 控制系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計要求，電氣控制系統(tǒng)應(yīng)滿足的技術(shù)要求是：

（1）滾輪架中的主動滾輪傳動的拖動為直流電機，采用無級調(diào)速，便于調(diào)試。

（2）探傷過程為簡單的開環(huán)式程序控制系統(tǒng)，從上料、探傷、打標、下料整個過程均由控制臺自動控制。

（3）傳動系統(tǒng)采用變頻調(diào)速和可編程控制器控制。

4 多通道超聲探傷儀

系統(tǒng)使用UD-MC8Y型八通道A型超聲脈沖反射式探傷儀。其抗干擾能力強，穩(wěn)定性好，探傷靈敏度高，主要特點有：

（1）八個獨立通道的工作時序可以隨意編輯。

（2）每個通道設(shè)A，B和C三個閘門，且C具有閘門跟蹤功能。

（3）每個通道均設(shè)有一收一發(fā)和雙收雙發(fā)兩種工作方式。

儀器的主要技術(shù)指標為，單個通道最高重復頻率可達6 kHz；工作頻率為2.5，5和10MHz；示波管顯示器(CRT)的有效面積為100 mm×80 mm，液晶屏顯示器(LCD)的有效面積為103mm×79mm；掃描范圍分10，50和250mm三擋，最大可設(shè)計成1 000mm；水平線性誤差≤1%；垂直線性誤差≤5%；衰減器的總衰減量為100dB，最小分辨力為l dB；動態(tài)范圍~28 dB。

5 對鋼管的要求

（1）探傷時鋼管表面溫度≤80℃。

（2）鋼管彎曲度≤2mm/m，管端彎曲度≤3.18mm/1.5m。

（3）由于探頭組件通過耐磨觸靴與鋼管接觸，因此鋼管表面不得有突出表面超過10 mm的尖銳突起，如大外折、管子表面的大裂VI等。否則，將會在高速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)體內(nèi)造成嚴重的破壞。

（4）外徑偏差：±1.0%。

（5）鋼管表面粗糙度Ra不大于3.2。

6 實驗

根據(jù)GB5777—1996和 YB4082-1992標準，在生產(chǎn)現(xiàn)場進行了試驗，試驗條件如下，試件為304不銹鋼焊管。

按GB5777—1996中規(guī)定的C8級靈敏度進行測試，該設(shè)備的綜合性能指標達到B4082-1992標準規(guī)定，可探范圍為φ168~730mm，靈敏度等級為GB5777—1996的C8級。

實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以滿足實際檢測的需要。

7 結(jié)束語

本文提出的大直徑無縫鋼管自動超聲探傷機，離線安裝單獨成為一條探傷生產(chǎn)線，能夠承擔Ф160*2*4 000-Ф730*14*18 000 mm且壁厚與外徑之比不大于0.22的無縫鋼管的橫向內(nèi)外壁缺陷、測厚及分層缺陷的超聲波檢測任務(wù)，一次完成鋼管縱、橫向內(nèi)部和表面缺陷的探傷作業(yè)（包括上、下料輸送、打標、檢驗記錄和報告的形成等）。具有靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

實驗證明，所研制的大直徑無縫鋼管自動超聲探傷機，能滿足實際生產(chǎn)中無縫鋼管超聲波檢測的需要。

[1]況雪軍，國內(nèi)無縫鋼管渦流及超聲波自動探傷的現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].鋼管，2007，36(5):54-56.

[2]左建國.組合無損檢測技術(shù)及其在無縫鋼管在線自動檢驗中的應(yīng)用[J].鋼鐵，1999，34(6):60-64.

[3]國家技術(shù)監(jiān)督局，無縫鋼管超聲波探傷檢驗方法（GB／T 5777）[S]，2008.

[4]劉軍華.URP系列自動超聲波探傷機在無縫鋼管生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].鋼管，2010，39(3):60-64.

[5]張恒，吳揚寶，鄒正烈，φ60~245mm無縫鋼管超聲波自動檢測系統(tǒng)[J].無損檢測，2003，25(6):291-293.

[6]白仁昭，無縫鋼管超聲波自動檢測系統(tǒng)研制[J]，機電工程，2006，23(5):56-58.