承壓管道壁厚自動化檢測系統(tǒng)研制

袁肖肖，劉晴巖

（1.上?？臻g推進研究所，上海201112；2.上海空間發(fā)動機工程技術(shù)研究中心，上海201112；3.華東理工大學機械與動力工程學院承壓系統(tǒng)安全科學教育部重點實驗室，上海200237）

承壓管道壁厚自動化檢測系統(tǒng)研制

袁肖肖1,2，劉晴巖3

（1.上?？臻g推進研究所，上海201112；2.上?？臻g發(fā)動機工程技術(shù)研究中心，上海201112；3.華東理工大學機械與動力工程學院承壓系統(tǒng)安全科學教育部重點實驗室，上海200237）

研制一套自動化超聲檢測系統(tǒng)，對1～2 mm壁厚承壓管道的均勻性進行檢測，獲得承壓管道全壁厚信息，為航天系統(tǒng)中的承壓管道可靠性和安全性設(shè)計提供依據(jù)。超聲檢測系統(tǒng)采用六點矩陣控制方法，獲取承壓管道周向的全壁厚信息。文中研制的系統(tǒng)包括超聲硬件系統(tǒng)；機械執(zhí)行系統(tǒng)，實現(xiàn)超聲換能器的夾持與運動；超聲軟件系統(tǒng)，搭建數(shù)據(jù)算法，對檢測信號進行分析處理。試驗結(jié)果表明該自動化超聲檢測系統(tǒng)對承壓管道全壁厚信息的檢測精度不低于0.02 mm。該超聲檢測系統(tǒng)對其它無損檢測研究和系統(tǒng)開發(fā)具有很好的參考價值。

承壓管道；超聲檢測；測點矩陣；全壁厚信息

0 引言

承壓管道設(shè)計是航天系統(tǒng)產(chǎn)品研制過程中的重要內(nèi)容，通過測量全壁厚信息，可作為承壓管道可靠性和安全性判定的參考數(shù)據(jù)之一。由于承壓管道在航天系統(tǒng)中，尤其在涉及航天動力系統(tǒng)中，具有使用量多、使用頻率高的特點，因此快速、有效的獲取承壓管道的全壁厚信息成為管道無損檢測的新要求。

通過研制一套自動化超聲檢測系統(tǒng)，用于獲取1～2 mm壁厚的承壓管道的全壁厚信息，可在滿足較高精度的前提下，實現(xiàn)壁厚的快速自動化測量。

1 超聲檢測系統(tǒng)方案

超聲檢測系統(tǒng)由三部分組成：1）超聲硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)超聲L波的發(fā)射、接收和顯示；2）機械執(zhí)行系統(tǒng)，實現(xiàn)超聲換能器的自動化測量；3）超聲軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)測量信號的分析、處理。

1.1 全壁厚信息檢測原理

在承壓管道周向外壁上，均布6個超聲換能器，作為被測管道截面處的6個測點，6個測點組成一組測點矩陣，定義為I=[I1I2I3I4I5I6]T。

測點矩陣中的每個測點通過超聲換能器發(fā)射L波，以垂直測點公法線的方式入射到被測管道，并接收反射回來的L波信號，完成測點測量。

通過機械執(zhí)行機構(gòu)夾持超聲換能器，控制測點矩陣接觸被測管道，實施該處截面的一次矩陣測量；利用步進電機驅(qū)動機械執(zhí)行結(jié)構(gòu)夾持測點矩陣，沿著被測導(dǎo)管周向旋轉(zhuǎn)π/3角度后，即可覆蓋被測導(dǎo)管周向截面處的全部測點區(qū)域。

設(shè)定每間隔π/3N角度進行一次測點矩陣測量，N次測量后，可得到由6×N個均布測點的測量數(shù)值組成的周向全壁厚信息，周向全壁厚信息矩陣定義為IN（見公式1）。理論上當N→∞時，可形成完整的全壁厚信息。

1.2 超聲硬件系統(tǒng)

超聲硬件系統(tǒng)為超聲發(fā)射、接收及處理的硬件架構(gòu)基礎(chǔ)，由超聲換能器和超聲信號控制系統(tǒng)模塊構(gòu)成。超聲換能器根據(jù)應(yīng)用需求對壓電振子進行設(shè)計開發(fā)。超聲信號控制系統(tǒng)由超聲信號發(fā)射卡、超聲信號采集卡（I/O信號卡） 和超聲信號輸出控制卡等組成，基于系統(tǒng)設(shè)計需求進行選擇。

1.2.1 超聲換能器壓電振子

1）超聲換能器壓電振子材料選擇

所研制的超聲換能器采用陶瓷壓電式換能器，壓電陶瓷振子在TE振動模式下產(chǎn)生L波。由于壓電振子處于機械夾持狀態(tài)，應(yīng)力矩陣T和厚度方向上的電場強度矩陣E均不為零，以應(yīng)變矩陣S和電位移矩陣D作為自變量，則滿足h型壓電方程。考慮到壓電振子直徑遠大于其厚度,此時對于應(yīng)變矩陣S來說，近似有厚度方向上應(yīng)變分量S3≠0外，其他應(yīng)變分量S1～S6=0，把S矩陣和D矩陣分量代入h型壓電方程，即可得到TE振動模式下的壓電參數(shù)關(guān)系：

根據(jù)公式（2）中3個參數(shù)，可得到衡量壓電陶瓷機電轉(zhuǎn)換能力的參數(shù)Kt（機電耦合系數(shù)），關(guān)系表達式如下：

壓電換能器機電轉(zhuǎn)換效率與Kt的平方成正比，通過公式（3）可以看出，提高壓電換能器機電轉(zhuǎn)換能力，需要較高的h33值，較低的值。

理想的TE振動模式下，按照壓電振子機電等效方法，不考慮壓電陶瓷機械損耗，則機械反諧振頻率fa與最大導(dǎo)納頻率fn相等，均等于并聯(lián)諧振頻率fp，根據(jù)熱力學第二定律，實際上壓電振子的機械損耗不可能為零，兩者等效關(guān)系可近似用以下關(guān)系式表達：

式中：Qm為壓電換能器的機械品質(zhì)因數(shù)；γ為等效電容C0與C1的比值。

公式（4）表明，降低壓電換能器的機械損耗，使得fa與fn參數(shù)盡可能接近，則需要較高的Qm值。

綜合考慮Kt和Qm參數(shù)，選定PZT-4作為超聲換能器的壓電材料。

2）超聲換能器壓電振子頻率選擇

測點矩陣I由6個測點組成，為了避免相鄰測點處的換能器發(fā)射和接收的信號干擾，需要提高超聲波的收斂程度，降低超聲波的半擴散角θ0。測點矩陣I不發(fā)生信號干涉的θ0最大值為π/3度，即可得到壓電振子的頻率值f應(yīng)滿足以下關(guān)系式：

式中：C為超聲波在被測對象中的速度；D為壓電陶瓷振子直徑。

傳統(tǒng)超聲檢測，通常要求被測物體的不連續(xù)界面距離聲源d0應(yīng)大于一倍近場區(qū)距離N，避免近場區(qū)內(nèi)聲壓的不穩(wěn)定性，見圖1(a)。理想超聲源在近場區(qū)，聲壓極大值Pmax與極小值Pmin之比近似∞，不適宜獲得厚度反射波高。

若提高d0，一方面不利于超聲波的收斂，加大了信號干涉的風險性；另一方面受限于壓電振子的尺寸，較難實現(xiàn)小直徑薄壁導(dǎo)管的檢測，為此本文研發(fā)的超聲換能器考慮在近場區(qū)內(nèi)進行測厚。對于超聲波來說，實際的聲場聲壓如圖1(b)。

圖1 聲場聲壓Fig.1 Sound pressure of ultrasonic field

圖1(b)表明，實際脈沖聲場在一倍近場區(qū)距離以內(nèi)，聲壓雖然出現(xiàn)極大與極小值，但變動幅值相對于圖1中的理想聲壓變化幅值來說很小，在整個近場區(qū)之內(nèi)，聲壓極大與極小值比值為：Pmax/Pmin≈1/0.7=1.42。在 N/4近場區(qū)以內(nèi)，Pmax/Pmin≈0.82/0.75=1.09，當處于N/10近場區(qū)以內(nèi)時，聲壓的極限值變化已經(jīng)很微小。由于壁厚測量精度取決于脈沖反射波相鄰波形之間的分辨率，聲壓的微小變化對厚度反射波高的影響可以忽略，因此超聲換能器可以在N/10近場區(qū)以內(nèi)進行測厚，即d0≤N/10，其中N可用以下公式表達：

若定義d0＝N/10，把式 (6)代入，則可以得到近場區(qū)測厚的頻率f公式：

1.2.2 超聲信號控制系統(tǒng)

超聲信號控制系統(tǒng)為超聲檢測功能機，以計算機為基體，在內(nèi)部置有動態(tài)庫模式軟件開發(fā)接口的數(shù)字式超聲信號發(fā)射卡、采用PCI接口的超聲信號采集卡和控制測點矩陣超聲信號輸出的控制卡等。多功能機共設(shè)有8個數(shù)據(jù)通道，其中6個用于測點矩陣中測點的信號發(fā)射和接收，剩余2個作為備份，可實時用于測點矩陣中信號通道的切換。

1.3 機械執(zhí)行系統(tǒng)

機械執(zhí)行系統(tǒng)是測點矩陣實現(xiàn)檢測的輔助系統(tǒng)，由步進電機、機械夾持機構(gòu)和周向松緊機構(gòu)組成。步進電機作為動力源，驅(qū)動機械執(zhí)行機構(gòu)，沿被測導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)至指定的N個測點角度位置，完成測點矩陣的N次測量，獲取周向全壁厚信息矩陣IN。

1.3.1 機械夾持系統(tǒng)

研制的機械執(zhí)行系統(tǒng)采用螺旋副式夾持機構(gòu)，用于測點矩陣中超聲換能器的夾持，由力源裝置、遞力機構(gòu)和夾持元件組成。

該夾持機構(gòu)具有較高的夾持穩(wěn)定性，測點不易發(fā)生局部位移；空間結(jié)構(gòu)比斜楔和偏心輪式夾持機構(gòu)緊湊，易于小直徑管道的測量；采用自鎖性的螺紋副可實現(xiàn)機構(gòu)自鎖；同時螺旋式夾持機構(gòu)的遞力機構(gòu)簡單，可通過外力矩M產(chǎn)生遞力，在產(chǎn)生遞力的有效性和省力性方面更加有優(yōu)勢。

1.3.2 周向松緊機構(gòu)

研制的周向松緊機構(gòu)為夾持機構(gòu)的父機構(gòu)，可控制測點矩陣（6個測點處的超聲換能器）遠離或接觸被測管道檢測表面。

該機構(gòu)采用6點并聯(lián)同步驅(qū)動，避免6點串聯(lián)驅(qū)動帶來的多點累計運動誤差，可有效提高同步運動的一致性和定心精度；同時把常規(guī)的徑向平面驅(qū)動改為軸向立體驅(qū)動，避免徑向平面驅(qū)動占用過大的周向空間，有效地提高機構(gòu)的空間利用率。

機構(gòu)設(shè)計方案見圖2，基本原理為：通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動盤，帶動6個并聯(lián)的驅(qū)動桿，同步驅(qū)動執(zhí)行盤上的夾持機構(gòu)，夾持機構(gòu)夾持測點矩陣中的6個超聲換能器，實現(xiàn)對被測導(dǎo)管表面的同步接觸和遠離。驅(qū)動盤轉(zhuǎn)動時，基于連桿導(dǎo)槽機構(gòu)原理，把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為6個驅(qū)動桿的徑向直線運動（見圖3中A視圖），帶動夾持機構(gòu)夾持超聲換能器，同步執(zhí)行徑向運動 (見圖3中B視圖)。該機構(gòu)是通過一個主動件同時并聯(lián)驅(qū)動多個從動件，能在保證測點矩陣中多個超聲換能器同步運動的前提下，實現(xiàn)幾何原理上的定心。

圖2 周向機構(gòu)方案Fig.2 Scheme of circumferential mechanism

1.4 超聲軟件系統(tǒng)

1.4.1 測控軟件功能分析

研制的超聲檢測控制軟件是實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的核心系統(tǒng)，用于實現(xiàn)人機交互，采用VC++進行超聲測控軟件開發(fā)，軟件功能需求分析如下：

1） 控制測點矩陣超聲信號的激勵與接收，識別有效的超聲信號，并進行降噪處理；

2）根據(jù)N次測點矩陣的測量數(shù)據(jù)和超聲測厚原理算法，得出被測管道全壁厚信息矩陣IN；

3）對周向全壁厚信息矩陣IN進行分析，給出厚度極值和分布情況，利用分析后的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)擬合，并繪制出壁厚擬合曲線圖。

超聲測控軟件系統(tǒng)包括測厚信號發(fā)射與接收控制模塊、測厚信號分析處理模塊、信號分析處理結(jié)果顯示模塊以及信號存儲數(shù)據(jù)庫模塊，各模塊之間的信息耦合處理關(guān)系見圖4。

圖3 A視圖和B視圖Fig.3 A view and B view

圖4 軟件系統(tǒng)信息流圖Fig.4 Information flow chart of software system

1.4.2 測控軟件界面組成

測控軟件界面包含三個子界面：1）超聲信號波形實時顯示界面，以A掃描方式顯示，可隨時切換測點矩陣中的不同顯示通道；2）超聲信號控制界面，針對不同材料、壁厚的管道，設(shè)置測量參數(shù)，測量參數(shù)可根據(jù)標準當量厚度的試塊進行調(diào)試校準；3） 測點矩陣I實時顯示界面，實時顯示測點矩陣I在處于每個旋轉(zhuǎn)位置時的檢測結(jié)果，當單點多次測量時，可顯示極值和平均值。

該測控軟件系統(tǒng)可調(diào)用Matlab軟件，對數(shù)據(jù)庫中全壁厚信息矩陣IN進行處理，并擬合成全壁厚信息曲線圖。

2 試驗工藝及精度驗證

2.1 試驗方法

試驗裝置見圖5。選擇直徑為30 mm，長度為200 mm的不銹鋼 (1Cr18Ni9Ti)導(dǎo)管作為被測對象，過程如下：

1） 在試驗導(dǎo)管內(nèi)壁加工出厚度階梯，左端壁厚為1.35 mm，右端壁厚為1.45 mm；

2） 把試驗導(dǎo)管和超聲換能器（如圖5（4）所示）固定在夾持裝置（如圖5（1）所示）上。為保證檢測裝置的穩(wěn)定性，利用水浸法，把夾持裝置放入水池（如圖5（1）所示）中，其中夾持裝置可以控制超聲換能器沿被測導(dǎo)管的軸向和徑向移動；

3） 把超聲換能器連接到功能機和示波器上（如圖5（2）所示），其中功能機是是集成超聲測控硬件和測控軟件的計算機系統(tǒng)，示波器用于觀測超聲脈沖寬度和震蕩周期。

4）利用夾持裝置，首先移動超聲換能器到壁厚為1.35 mm的導(dǎo)管左端處，操作功能機對此處進行檢測，測量6次，并在顯示器（如圖5（2） 所示） 上讀出6次檢測值；然后移動超聲換能器到壁厚為1.45 mm的導(dǎo)管右端處，同樣進行測量6次，讀出此處檢測出的6處測量值。

圖5 試驗裝置Fig.5 Testing equipment

2.2 試驗結(jié)果

通過對試驗管道兩端測量的壁厚和實際壁厚進行比對，結(jié)果見表1。

通過分析表1數(shù)據(jù)：

1） 同一壁厚位置測量值比較：單點位置多次測量值之間的最大偏差為0.02 mm，與實際壁厚的偏差為0.01 mm，當對單點進行多次測量取平均值后，測量精度大幅提高，與實際壁厚值非常接近 (試驗最大偏差為0.002 mm)，表明本測量系統(tǒng)用于測量相同位置壁厚時，其精度不低于0.02 mm；

表1 實際值與檢測值對比Tab.1 Comparison between actual values and detected values mm

2） 不同壁厚位置測量值比較：若取兩個不同壁厚位置的單次測量值比較，其測量出的壁厚差值與真實的壁厚差值的最大偏差為0.02 mm；當取兩者的多次測量的平均值進行比較后，其壁厚差值的偏差精度大幅提高，與實際壁厚差值非常接近 (試驗最大偏差為0.002 mm)；表明本測量系統(tǒng)用于測量不同位置的壁厚差值時，其精度不低于0.02 mm。

3 檢測精度影響因素分析

1）功能機硬件精度。檢測系統(tǒng)中，超聲發(fā)射卡的采樣頻率和精度越高，分辨力越好，越有益于檢測精度提高；信號采集卡和信號輸出控制卡，對信號的失真率越低，越有益于檢測精度提高。

2） 機械控制精度。設(shè)計具有同步性高、定心精度高和較低機械位移累計誤差的機械執(zhí)行系統(tǒng)，保證測點矩陣的實際測點與理論測點的位置和角度盡可能重合，越有益于檢測精度的提高。

3） 軟件算法精度。搭建高效和較優(yōu)的數(shù)據(jù)算法，對有效超聲信號的后處理模式進行迭代優(yōu)化設(shè)計，有益于測量精度的提高。

4） 超聲換能器測量精度。測點矩陣中超聲換能器的性能，主要表現(xiàn)為檢測頻率和換能器值，在設(shè)計超聲換能器壓電振子時，選擇合適的檢測頻率和do值有助于測量精度的提高。

5） 測量方法精度。通過表1可以看出，通過多次測量，獲取同一測點壁厚的平均值，可有效提高該點的測量精度。

4 結(jié)論

1）通過開發(fā)以超聲換能器、機械執(zhí)行機構(gòu)和測控軟件為基礎(chǔ)的自動化超聲檢測系統(tǒng)，可快速、高效獲得全壁厚信息矩陣和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，為提高承壓管道的可靠性和安全性提供數(shù)據(jù)支持。

2） 從測控硬件、機械控制、超聲換能器、軟件算法和測量方法五個方面因素，分析對檢測結(jié)果精度的影響，實現(xiàn)研制的超聲檢測系統(tǒng)的壁厚檢測精度不低于0.02 mm。

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（編輯：陳紅霞）

Automatic detecting system for wall thickness of pressure tube

YUAN Xiaoxiao1,2,LIU Qingyan3
（1.Shanghai Institute of Space Propulsion,Shanghai 201112,China; 2.Shanghai Engineering Research Center of Space Engine,Shanghai 201112,China; 3.MOE Key Lab of Safety Science of Pressurized System,School of Mechanical and Power Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China）

An automated ultrasonic testing system was developed to detect the even degree of 1～2 mm wall thickness of the pressured tube,obtain the complete wall thickness information of the pressured tube,and provide a design basis for reliability and security of the pressured tube applied to anyaerospace systems.The 6-point matrix control method is used in the ultrasonic examination system to obtain the complete wall thickness information of the pressured tube.This system consists of ultrasonic hardware and actuating mechanism subsystems which are applied to the clamping and motion of ultrasonic transducer.The ultrasonic software subsystem is used to establish a data algorithm and deal with the measurement signal.The experimental outcome indicate that the accuracy of the ultrasonic detecting system for detecting the complete wall thickness information of the pressured tubeis not less than 0.02 mm.The ultrasonic detecting system has a very good referential value for the study and system development related to NDT.

pressure tube;ultrasonic examination;measured point matrix;complete wall thickness information

V434-34

A

1672-9374(2017)02-0052-07

2016-11-09；

2016-12-12

袁肖肖（1986—），男，碩士，工程師，研究領(lǐng)域為機械設(shè)計及理論、超聲檢測