鉆桿焊縫自動超聲波探傷機(jī)的研制與應(yīng)用

楊勇平，李 真，黃勝偉

（中國石油渤海裝備鉆井裝備公司，河北滄州 062658）

1 超聲波檢測原理及國內(nèi)鉆桿行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

超聲波探傷作為無損檢測是在不損壞工件或原材料工作狀態(tài)的前提下，對被檢驗(yàn)部件的表面和內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢查的一種檢測手段。超聲波探傷是利用材料及其缺陷的聲學(xué)性能差異，對超聲波傳播波形反射情況和穿透時間的能量變化來檢驗(yàn)材料內(nèi)部缺陷的無損檢測方法。

（1）脈沖反射法在垂直探傷時用縱波，在斜射探傷時用橫波。脈沖反射法有縱波探傷和橫波探傷。在超聲波儀器示波屏上，以橫坐標(biāo)代表聲波的傳播時間，以縱坐標(biāo)表示回波信號幅度。對于同一均勻介質(zhì)，脈沖波的傳播時間與聲程成正比。因此可由缺陷回波信號的出現(xiàn)判斷缺陷的存在；又可由回波信號出現(xiàn)的位置來確定缺陷距探測面的距離，實(shí)現(xiàn)缺陷定位；通過回波幅度來判斷缺陷的當(dāng)量大小。

（2）鉆桿是鉆井時用于傳遞動力、輸送泥漿的主要工具，需要承受各種復(fù)雜交變的載荷，因此要求鉆桿具有良好的力學(xué)性能。目前國內(nèi)鉆桿廠家多采用摩擦焊接的方式完成鉆具接頭與管體的對焊，通過磁粉探傷及超聲波探傷完成鉆桿焊縫的質(zhì)量檢驗(yàn)，其中超聲波探傷更是焊區(qū)內(nèi)部焊接質(zhì)量的重要檢測手段，對整個鉆桿的生產(chǎn)加工具有重要意義，需要通過100%超聲波探傷來檢驗(yàn)焊接處內(nèi)部是否存在夾雜物、裂紋等缺陷。目前國內(nèi)鉆桿生產(chǎn)廠家大多采用人工進(jìn)行超聲波探傷作業(yè)。手動檢測的缺點(diǎn)：一是由于人為移動探頭的力度和距離有誤差，可能造成檢測結(jié)果不一致，容易出現(xiàn)誤判和漏檢；二是生產(chǎn)效率較低，勞動強(qiáng)度大。因此，提高鉆桿焊縫超聲波探傷生產(chǎn)效率，降低操作人員勞動強(qiáng)度，成為自動超聲波探傷機(jī)研制要完成的主要目標(biāo)。

2 研制原則和重點(diǎn)問題的處理

（1）整體設(shè)計(jì)為了和鉆桿自動化生產(chǎn)線相配合，故采用懸臂桁架吊裝結(jié)構(gòu)，將探測裝置置于鉆桿焊縫上部。

（2）采用3 組電機(jī)，分別實(shí)現(xiàn)了在X 軸和Z 軸的上的運(yùn)動，其中X 軸上的運(yùn)動還分解為2 個功能：管端定位（即尋找檢測的起始點(diǎn)）和沿管軸線往復(fù)檢測運(yùn)動的動力。

（3）根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同將整個設(shè)備分為：機(jī)架模塊；水平移動和升降模塊；管徑變化調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)模塊；檢測機(jī)構(gòu)模塊；檢測模塊。

（4）由于在檢測中圓管轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的徑向跳動，會使檢測機(jī)構(gòu)產(chǎn)生擺動，這樣如果采用剛性機(jī)構(gòu)就會使檢測的耦合部分脫開，造成檢測失真，因此必須在X-Y 平面內(nèi)在一定的角度空間能夠自由運(yùn)動，以保證結(jié)合面的耦合（圖1）。

（5）整體平衡中心匹配策略：由于檢測機(jī)構(gòu)位于被吊裝的一個框體內(nèi)，由于空間布置的原因，電機(jī)必須偏置，這樣就造成了框體的中心軸線和升降氣缸的軸線不同軸，因此必然要有X-Y軸向偏距的產(chǎn)生，使重心重合。

圖1 鉆桿焊縫自動探傷機(jī)構(gòu)總體布置

3 機(jī)架模塊

為了保證整個設(shè)備在運(yùn)行過程中的安全性和可靠性，即在自身重量足夠輕的情況下，具有足夠高的剛度，減小運(yùn)行過程中由于載荷的變化所引起變形導(dǎo)致檢測的不準(zhǔn)確性發(fā)生，為此設(shè)計(jì)中采用了桁架結(jié)構(gòu)，整體的機(jī)架為“T”字造型，減小了對立柱的彎矩。

4 水平移動和升降模塊

（1）設(shè)計(jì)目標(biāo)。①保證探測裝置能夠自由進(jìn)入和退出檢測空間；②保證每次檢測切入檢測空間的初始檢測位置統(tǒng)一。

（2）設(shè)計(jì)方案。根據(jù)檢測的工藝安排，被檢測管是自動流入檢測所在平面X-Z 內(nèi)的，因此只在該平面內(nèi)設(shè)計(jì)運(yùn)動。通過電機(jī)帶動絲杠，使滑塊在鋼管軸線的平行線方向的軌道上運(yùn)行，整個的檢測機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和調(diào)整機(jī)構(gòu)都懸掛在該組滑塊上。

負(fù)責(zé)升降的是一個長行程帶導(dǎo)向的柱形氣缸，該氣缸下端用鉸連接和檢測機(jī)構(gòu)相連，便于檢測機(jī)構(gòu)可以在X-Z 平面內(nèi)有一定的擺動，為了使擺動在去除外力后能迅速恢復(fù)，在鉸接兩端加了2 個恢復(fù)彈簧（圖2）。

圖2 升降氣缸的鉸接結(jié)構(gòu)和恢復(fù)彈簧裝置

（3）運(yùn)動流程。當(dāng)一個新的循環(huán)開始時，電機(jī)運(yùn)行，驅(qū)使檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)入檢測空間，當(dāng)負(fù)責(zé)定位的光電傳感器感知管端信號時，電機(jī)停止運(yùn)行；升降氣缸輸出，整個檢測機(jī)構(gòu)一起下降，接觸管壁氣缸同時輸出到終點(diǎn)，檢測開始。完成檢測1 根管后，沿前面的逆路徑退出。

5 管徑變化調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)模塊

（1）設(shè)計(jì)目標(biāo)。使該檢測裝置能夠適應(yīng)不同直徑管體的工況檢測。

（2）設(shè)計(jì)方案。為了不使該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)對每次的檢測循環(huán)的升降產(chǎn)生影響，特將該機(jī)構(gòu)加到升降氣缸的上層，即處于電機(jī)和升降氣缸中間的位置，也采用伺服電機(jī)+絲杠導(dǎo)軌滑塊裝置。升降氣缸安裝在滑塊上，隨其上下運(yùn)動（圖3）。一批管只需調(diào)節(jié)一次參數(shù)即可。

圖3 管徑變化調(diào)節(jié)裝置

（3）運(yùn)動流程。通過觸摸屏輸入的參數(shù)來調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)帶動絲杠，使滑塊帶動檢測和升降機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動，最后調(diào)節(jié)到新的管徑位置。然后不再更改，直至管徑再次發(fā)生變化。

6 檢測機(jī)構(gòu)模塊

6.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

為了保證超聲波探頭在每次耦合時，不會產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械沖擊，必須有兩對剛性連接的支撐；為了保證檢測的準(zhǔn)確性必須保證兩對剛性支撐和檢測耦合面所在的圓同心；為了保證橫紋和縱紋都能被檢測到以及檢測的可靠性，探頭要往復(fù)一次，即探頭單邊到頭后要抬起然后旋轉(zhuǎn)180°，然后下降進(jìn)行逆向檢測。

6.2 設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)在滾動著的鋼管上達(dá)到剛性支撐，必須安裝滾動軸承14（圖4）。

圖4 檢測機(jī)構(gòu)

（1）當(dāng)檢測管徑是均勻但支撐軸承所騎管徑不同時，通過調(diào)節(jié)旋鈕帶動螺桿旋轉(zhuǎn)，螺桿頂端有一個錐齒輪，該齒輪通過與其嚙合成90°的另外一個錐齒輪，將動力變成垂直運(yùn)動，將固定2 個軸承的小框體升或降，實(shí)現(xiàn)上下調(diào)整。當(dāng)管徑變化時，為了使檢測機(jī)構(gòu)穩(wěn)定，支撐軸承的間距跨度就要適當(dāng)?shù)耐ㄟ^手柄12 帶動正反螺紋13 進(jìn)行調(diào)整。同心的調(diào)整以中間檢測處為基礎(chǔ)。

（2）檢測機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動采用的依然是伺服電機(jī)+絲杠、直線導(dǎo)軌等機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。通過以一塊豎直支撐板將帶法蘭直線軸承和絲杠螺母連接在一起，一個帶導(dǎo)向的扁氣缸固定在該板上，作為探頭單邊到位抬起換向180°折返的支撐機(jī)構(gòu)，與換向抬起氣缸相連的是1 個180°旋轉(zhuǎn)氣缸，用于探頭的轉(zhuǎn)向。旋轉(zhuǎn)氣缸下面有1 個花鍵連接的軸，軸外有彈簧，這樣能有效壓緊耦合面又能使遇到?jīng)_擊時有緩沖作用。

6.3 運(yùn)動流程

當(dāng)升降氣缸輸出到終點(diǎn)，軸承與鋼管接觸并產(chǎn)生相對滾動時，并有耦合液時，抬起氣缸縮回，探頭與鉆桿管體耦合，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，抬起氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸和探頭隨之一起運(yùn)動。當(dāng)?shù)竭_(dá)檢測終點(diǎn)時，抬起氣缸輸出，當(dāng)其終點(diǎn)磁性開關(guān)亮?xí)r，旋轉(zhuǎn)氣缸輸出，180°完成后抬起氣缸縮回，當(dāng)退回起點(diǎn)磁性開關(guān)亮?xí)r，伺服電機(jī)輸出，探頭往回運(yùn)動，到達(dá)起點(diǎn)時，升降氣缸退回到起點(diǎn)。

7 檢測模塊

檢測模塊不作為此次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，將超聲波探傷儀的探頭安裝在探頭套中，然后安置在檢測機(jī)構(gòu)模塊內(nèi)，耦合劑的選擇考慮到黏度、流動性、附著力、對工件表面無腐蝕、成本低，選用普通的機(jī)油。在探頭處連接1 個耦合劑噴淋管，噴淋管內(nèi)的機(jī)油采用自動噴淋，當(dāng)探頭在檢測前的10 s 前機(jī)油開始噴淋，檢測結(jié)束后自動停止，耦合劑自動噴淋系統(tǒng)由油箱和吸油泵組成，實(shí)現(xiàn)機(jī)油自動噴淋和循環(huán)使用。

8 控制系統(tǒng)

本檢測系統(tǒng)采用以PLC 為控制系統(tǒng)的核心，采用觸摸屏作為人機(jī)交互的界面。采用RS485 串行通信協(xié)議作為PLC 和觸摸屏的通信紐帶。傳感器作為PLC 的輸入包括：磁性開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)等，執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為PLC 的輸出包括伺服電機(jī)和氣缸。控制系統(tǒng)簡圖如圖5 所示。

在觸屏中設(shè)置了如下區(qū)域：

（1）系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置區(qū)。在該區(qū)可以設(shè)置一些關(guān)鍵參數(shù)，如伺服電機(jī)的電機(jī)參數(shù)，延遲時間等

（2）系統(tǒng)運(yùn)行區(qū)。在該區(qū)顯示當(dāng)前正常運(yùn)行的各執(zhí)行元件和傳感器信號狀態(tài)，產(chǎn)品數(shù)等。

（3）單動調(diào)試區(qū)。用于安裝調(diào)試和更換元器件后的調(diào)試，一般為單個執(zhí)行元件的強(qiáng)制運(yùn)動，干涉運(yùn)動應(yīng)加入限制條件。

（4）報(bào)警瀏覽區(qū)。當(dāng)設(shè)備故障發(fā)生時，能自動跳轉(zhuǎn)到該區(qū)，并顯示產(chǎn)生問題的部位及其可能的原因，在該區(qū)還能夠查詢每個關(guān)鍵設(shè)定部位的報(bào)警頻次。

圖5 控制原理

9 應(yīng)用效果

經(jīng)過1 年多的生產(chǎn)實(shí)踐，自動超聲波探傷機(jī)在使用中探傷過程穩(wěn)定、可靠、高效，實(shí)現(xiàn)了自動化檢測，避免了人為因素引起的誤判和漏檢，提高了自動化程度和工作效率，降低了現(xiàn)場操作人員的勞動強(qiáng)度。