螺旋縫埋弧焊管周長(zhǎng)在線測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用

王振華

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

為了保證螺旋縫埋弧焊管成型的幾何質(zhì)量，各種鋼管生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)鋼管的周長(zhǎng)、外徑允許偏差、不圓度等幾何參數(shù)作了規(guī)定。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家都是人工用測(cè)量卷尺對(duì)鋼管周長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，存在測(cè)量速度慢、精度誤差大、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題［1-6］。

鑒于上述問(wèn)題，提出了一種螺旋縫埋弧焊管周長(zhǎng)在線測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以激光測(cè)微儀作為傳感器來(lái)測(cè)量螺旋縫埋弧焊管實(shí)時(shí)直徑數(shù)據(jù)。目前，該在線測(cè)量系統(tǒng)已在前擺式螺旋縫埋弧焊管機(jī)組上投入應(yīng)用［7-14］。

1 在線測(cè)量原理

螺旋縫埋弧焊管周長(zhǎng)在線測(cè)量采用直徑換算方法，即在鋼管旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的過(guò)程中，按一定頻率測(cè)量鋼管螺旋前進(jìn)中不同位置的直徑，在一個(gè)螺距中將測(cè)得的直徑值求平均D平均后，換算成鋼管周長(zhǎng)。由于螺旋縫埋弧焊管在一定長(zhǎng)度范圍的直徑（或者周長(zhǎng)）變化不會(huì)出現(xiàn)斷崖式的突變；因此，上述測(cè)量原理可以滿足對(duì)鋼管直徑（或者周長(zhǎng)）的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

直徑測(cè)量采用非接觸式光學(xué)測(cè)量技術(shù)，在線測(cè)量基本原理如圖1所示。通過(guò)一對(duì)激光測(cè)微儀，得到被鋼管遮擋的激光線寬量，再對(duì)兩個(gè)激光測(cè)微儀的相對(duì)位置進(jìn)行標(biāo)定，即可得到鋼管的真實(shí)直徑。為了提高檢測(cè)精度，采用兩對(duì)激光測(cè)微儀同時(shí)測(cè)量鋼管水平和垂直方向直徑。

圖1 在線測(cè)量基本原理

2 系統(tǒng)整體方案

為了準(zhǔn)確檢測(cè)鋼管周長(zhǎng)，需要確保在一個(gè)螺距內(nèi)均勻采集若干直徑值，這樣需要有一套鋼管旋轉(zhuǎn)測(cè)速裝置來(lái)確定直徑采集頻率。直徑數(shù)據(jù)采集后，再通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)軟件處理加工，得到周長(zhǎng)變化值，并進(jìn)行顯示。直徑測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 直徑測(cè)量結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用4組激光測(cè)微儀（線陣CCD）作為鋼管直徑提取傳感器，水平、垂直各布置兩組；采用鋼管測(cè)速裝置，作為直徑測(cè)量周期控制信號(hào)源；現(xiàn)場(chǎng)部署工業(yè)計(jì)算機(jī)，作為控制和運(yùn)算中心。在線設(shè)置操控面板，對(duì)成型管徑進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；在成焊離線操作室，可對(duì)測(cè)量設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，并實(shí)時(shí)顯示管徑數(shù)值及變化趨勢(shì)。建立數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，對(duì)所有測(cè)量數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)存儲(chǔ)和分析。設(shè)置管徑變化上下限，超出范圍時(shí)能進(jìn)行聲光報(bào)警提示。按每卷原料生成管徑變化波動(dòng)曲線。

式中C周長(zhǎng)——測(cè)量周長(zhǎng)，mm；

Di——激光測(cè)微儀在一個(gè)螺距內(nèi)采集直徑數(shù)；

i——采樣次數(shù)。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

螺旋縫埋弧焊管周長(zhǎng)在線測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，設(shè)備采用龍門結(jié)構(gòu)，裝置布置在前擺式預(yù)焊機(jī)組鋼管成型工位后，后橋緊挨成型器一側(cè)，測(cè)量結(jié)構(gòu)基座位于直線滑軌上，可在直線滑軌任意位置上移動(dòng)并定位。4組激光微測(cè)儀部署在龍門架上下及左右各一組。激光測(cè)微儀安裝于伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)上，能夠滿足Φ559～1 620 mm規(guī)格鋼管的測(cè)量。

圖3 螺旋縫埋弧焊管周長(zhǎng)在線測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

螺旋縫埋弧焊管周長(zhǎng)在線測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)Φ559～1 620 mm規(guī)格焊管周長(zhǎng)、不圓度等的測(cè)量，周長(zhǎng)測(cè)量精度≤1 mm；此外，還具備管徑檢測(cè)、超差報(bào)警、數(shù)字顯示、遠(yuǎn)程顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、測(cè)量規(guī)格自動(dòng)調(diào)整、生成管徑變化趨勢(shì)圖等多種功能。在線測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用如圖4所示。

圖4 在線測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

在某城市熱力管線用螺旋縫埋弧焊管生產(chǎn)線的預(yù)焊機(jī)組上對(duì)周長(zhǎng)在線測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，鋼管的公稱直徑為1 420 mm，焊接速度約3.0 m/min，鋼管軸向出管速度約1.0 m/min，周向旋轉(zhuǎn)速度約0.8 m/min。某段鋼管管徑的系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與手工測(cè)量結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 某段鋼管管徑的系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與手工測(cè)量結(jié)果對(duì)比 mm

6 測(cè)量誤差分析

經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)試運(yùn)行階段的跟蹤分析，其測(cè)量結(jié)果與手工使用測(cè)量卷尺的相比，誤差在0.3～1.1 mm。測(cè)量誤差產(chǎn)生原因如下。

（1）測(cè)量原理方面。該系統(tǒng)基于直徑測(cè)量，由于成型管坯不是規(guī)則圓，其在水平位置、垂直位置測(cè)量的直徑不能真實(shí)反應(yīng)成型管坯的幾何形狀。同時(shí)，軟件系統(tǒng)處理直徑數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生積累誤差。

（2）螺旋縫埋弧焊管成型原理方面。在成型器框架束縛力影響下，管坯由彈性不圓狀態(tài)逐漸出成型器后釋放為標(biāo)準(zhǔn)圓，所以，實(shí)際上剛出成型器的半個(gè)螺距鋼管是不圓的，雖在此處測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)鋼管成型非常有用，但此處圓度會(huì)引起測(cè)量誤差。

（3）成型管坯調(diào)整控制方面。卷板在成型器內(nèi)經(jīng)過(guò)變形、釋放形成管坯后，受帶鋼板形各種因素影響，成型通過(guò)后橋擺動(dòng)微調(diào)成型縫間隙，先保證錯(cuò)邊和管徑控制達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)要求，其次才是控制不圓度、“噘嘴”、直度等鋼管幾何標(biāo)準(zhǔn)，必要時(shí)還要通過(guò)調(diào)整壓下量等方法，控制錯(cuò)邊和管徑。故雖在管線標(biāo)準(zhǔn)允許的偏差范圍內(nèi)，但圓度和直度不穩(wěn)定的幾何狀態(tài)也會(huì)造成測(cè)量誤差。

（4）現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際方面。后橋角度微調(diào)操作頻繁的過(guò)程中，會(huì)造成鋼管中心與測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定中心不重合，造成測(cè)量誤差。

7 結(jié) 語(yǔ)

（1）螺旋縫埋弧焊管技術(shù)正在向更高效、自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，在前擺式預(yù)焊機(jī)組高焊出速度時(shí)使用在線測(cè)徑系統(tǒng)尚屬首次。從當(dāng)前試運(yùn)行情況來(lái)看，螺旋縫埋弧焊管周長(zhǎng)在線測(cè)量系統(tǒng)原理正確，測(cè)量結(jié)果能準(zhǔn)確反應(yīng)管徑變化趨勢(shì)，利用它可以達(dá)到對(duì)鋼管管徑實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，從而確保生產(chǎn)出滿足質(zhì)量要求的合格鋼管。

（2）受現(xiàn)有前擺式預(yù)焊機(jī)組工況限制，不能以增加傳感器數(shù)量或以視覺(jué)成像的方法提升測(cè)量精度?？稍谛乱淮鷶?shù)字化預(yù)焊機(jī)組設(shè)計(jì)之初，穩(wěn)定管坯成型幾何質(zhì)量的同時(shí)，在成型器出口位置預(yù)留管徑在線測(cè)量設(shè)備安裝空間，采用視覺(jué)成像，對(duì)管坯幾何形狀實(shí)時(shí)建模，進(jìn)而從根本上取代手工測(cè)量。