φ273 mm 全管體相控陣超聲檢測系統(tǒng)國產(chǎn)化改造

劉 彬

（天津鋼管制造有限公司，天津300301）

0 引言

由加拿大OLYMPUS 公司引進的φ273mm 全管體相控陣超聲探傷檢測系統(tǒng)（NDT Systems）是一種通過調(diào)整探頭激發(fā)晶片的序列、數(shù)量、時間來控制波束形狀、軸線偏轉(zhuǎn)角度及焦點位置等參數(shù)的超聲波檢測裝置，其檢測管徑規(guī)格范圍為φ100 mm～φ273 mm，壁厚范圍5～50 mm。 整套設(shè)備具有檢測鋼管內(nèi)外壁橫向缺陷、縱向缺陷、斜向缺陷、分層和測厚等功能。Olympus NDT Systems 超聲探傷設(shè)備還具有優(yōu)越的抗噪聲干擾能力，檢測結(jié)果可靠等特點，年可檢測無縫管7 萬噸。

天津鋼管制造有限公司引進的Olympus NDT Systems 超聲探傷設(shè)備經(jīng)過多年的運行，設(shè)備的各種設(shè)計缺陷也逐步顯現(xiàn)出來，另外備件庫存也逐步耗盡。 因此有必要對Olympus 探傷設(shè)備部分機械裝置零部件進行國產(chǎn)化改造，并針對設(shè)備原設(shè)計中不足之處進行合理改進[1]。 本文重點分析了該設(shè)備的各種設(shè)計缺陷，闡述了國產(chǎn)化改造及對設(shè)計缺陷改進的實施過程。

1 設(shè)備國產(chǎn)化改造的原因分析

1.1 設(shè)計和制造缺陷的因素

引進的Olympus NDT Systems 超聲探傷設(shè)備在多年的使用后，發(fā)現(xiàn)了許多問題和設(shè)計缺陷，例如設(shè)備裝配不合理、檢修不方便、零部件拆換困難、潤滑點不科學(xué)、 部分零部件磨損銹蝕嚴重等問題，已經(jīng)對探傷設(shè)備的使用維護造成影響。

1.2 設(shè)備進口備件周期的因素

目前該設(shè)備各種零部件經(jīng)運行多年并在逐年老化，其所有零部件均為進口組件，很多部件因時間、運輸問題而無庫存，或是部件本身較特殊、采購周期較長而不能及時進行替換維修等諸多原因，給進口探傷設(shè)備的維護帶來了很大困難，影響了設(shè)備的使用效率。

1.3 備件國產(chǎn)化能力的因素

通過一段時間的調(diào)查研究及實踐，發(fā)現(xiàn)很多進口設(shè)備的零部件也可用國內(nèi)生產(chǎn)的相同產(chǎn)品替代，并能夠使進口設(shè)備正常運行，同時還方便對發(fā)現(xiàn)的問題進行改造。 這不但縮短了設(shè)備部件的訂貨周期，降低了備件成本，而且也使進口設(shè)備的使用效能充分發(fā)揮。

2 設(shè)備旋轉(zhuǎn)裝置的國產(chǎn)化改造

鋼管旋轉(zhuǎn)裝置由10 組同樣的相同間距的子旋轉(zhuǎn)裝置和旋轉(zhuǎn)傳動主軸裝配組成，安裝在公共的框架上，子旋轉(zhuǎn)裝置利用激光裝置對齊以保證鋼管旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)和有效。 每組子旋轉(zhuǎn)裝置包含兩個輥輪，提供兩個接觸點用于支撐鋼管，輥輪的橫向中心距離被固定，并用重載軸承進行支撐。 獨立的基座底部電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)主軸傳動裝置，旋轉(zhuǎn)主軸傳動裝置通過連接皮帶聯(lián)動子旋轉(zhuǎn)裝置進行轉(zhuǎn)動。

2.1 子旋轉(zhuǎn)裝置的改造

2.1.1 原子旋轉(zhuǎn)裝置存在的問題

（1）改造前，子旋轉(zhuǎn)裝置實際寬度為600 mm，與步進梁和上下料機械裝置配合空間過于狹小，增加了設(shè)備維護的難度與危險性。 經(jīng)計算和實際生產(chǎn)驗證，認為600 mm 的寬度存在一定程度的設(shè)計浪費，有優(yōu)化的空間。

（2）在運行過程中，驅(qū)動每個輥輪旋轉(zhuǎn)的傳動皮帶的性能是至關(guān)重要的，改造前的皮帶性能不能滿足子旋轉(zhuǎn)裝置高效、穩(wěn)定運行。

（3）原輥輪為一體化裝配，輥輪與軸承是成套式拆卸，無法進行分離單獨更換、維修。

（4）在經(jīng)過多次鋼管縱向擠壓、旋轉(zhuǎn)摩擦后，輥輪表面黑膠酯容易產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)過程的不穩(wěn)定，影響檢測效果。

（5）由于超聲檢測過程中，水作為重要的檢測介質(zhì)頻繁大量使用，輥子傳動部件、漲緊輪等部位，也很容易受到銹蝕。

2.1.2 子旋轉(zhuǎn)裝置的改造內(nèi)容

鑒于上述問題，除將原有裝置組件全部國產(chǎn)化設(shè)計、加工外，將鋼管旋轉(zhuǎn)裝置在原有設(shè)計的基礎(chǔ)上進行了改進，使設(shè)備維護更加簡單便捷，更好的集成上下料系統(tǒng)。

（1） 全新的子旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)計在寬度上窄化至505 mm，從而為步進梁和上下料機械裝置的運行和日常維護提供了更大空間。

（2）每個輥輪的旋轉(zhuǎn)傳動皮帶改用高載負荷皮帶，加強了皮帶耐磨韌度，增加使用壽命，使帶輪接觸更加飽和，輥道旋轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)[2]。 改造后的子旋轉(zhuǎn)裝置如圖1 所示。

圖1 改造后的子旋轉(zhuǎn)裝置

（3）改進輥輪裝配，采用汽車輪式的不銹鋼懸臂輥輪軸承，加裝注油點，使外輪-軸承-機體-滑輪的整套部件裝配便于拆卸，容易保養(yǎng)更換[3]。 改造后的輥輪裝配如圖2 所示。

圖2 改造后的輥輪裝配

（4）旋轉(zhuǎn)輥道的輥子表面改用高密度聚亞安酯覆蓋，可以獲得更好的鋼管牽引力且不會損傷鋼管的表面，而且此種材料損壞后亦便于修復(fù)。

（5）加裝防水罩，遮擋輥輪傳動部件、漲緊輪等容易銹蝕部位，使暴露到水環(huán)境的零件變少，提高零件使用壽命。

2.2 旋轉(zhuǎn)主軸傳動裝置的改造

2.2.1 原主軸傳動裝置存在的問題

（1）改造前，主軸傳動裝置是由原裝設(shè)備配套而來，整個裝置為一體化裝配，采用特殊工藝將軸承固定在裝置外套的兩側(cè)滑道內(nèi)，無法進行單獨拆卸維修。

（2）支撐軸承沒有加油點，不利于日常保養(yǎng)維護。

（3） 法蘭盤與萬向軸連接只留有三個螺栓孔，運行中極易造成受力不均勻，并出現(xiàn)螺栓折斷留在孔中的問題。

2.2.2 主軸傳動裝置的改造內(nèi)容

鑒于上述問題，對主軸傳動裝置全部進行國產(chǎn)化改造，改造后的主軸傳動裝置如圖3 所示。 改造后，主軸傳動更加靈快，更利于日常維護和緊急維修，降低了維修成本。 主軸傳動裝置的主要改造內(nèi)容如下：

（1）自主測繪、設(shè)計改進，用可以拆卸的國產(chǎn)化旋轉(zhuǎn)主軸傳動裝置逐漸取代原有裝置，將裝置外套重新設(shè)計，改變原軸承裝配方式，采用打開式裝配，使軸承可以自由拆卸。

（2） 將軸承更換為承載能力更強的滾柱軸承，在裝配外套外側(cè)設(shè)計加油點，便于日常維修人員保養(yǎng)維護。

（3）重新設(shè)計連接法蘭盤，將原有三個螺紋孔變?yōu)閷ΨQ四個通孔，采用鉸制孔螺栓進行固定[4]。

（4）每兩個獨立基座底部旋轉(zhuǎn)傳動裝置均采用萬向軸連接，而每對輥輪與對應(yīng)旋轉(zhuǎn)主軸傳動裝置采用高強度傳動皮帶連接，在統(tǒng)一伺服電機的驅(qū)動下，達到鋼管旋轉(zhuǎn)裝置各獨立旋轉(zhuǎn)機構(gòu)及每對輥子之間旋轉(zhuǎn)頻率的同步性，同時也為探傷檢測提供了恒定的檢測螺距[5]。

圖3 改造后的旋轉(zhuǎn)主軸傳動裝配

2.3 頂管輪的改造

安裝在鋼管旋轉(zhuǎn)裝置一端的頂管輪的作用是確保鋼管在原地旋轉(zhuǎn)過程中起始位置始終保持不變，防止鋼管旋轉(zhuǎn)一段時間后前竄。

2.3.1 原頂管輪裝置存在的問題

鋼管端部在旋轉(zhuǎn)過程中緊貼頂管輪，由于使用頻繁，頂管輪在隨鋼管旋轉(zhuǎn)過程中，輥輪、主軸、軸承等零部件極易磨損損壞，并且原有裝置未對內(nèi)置軸承設(shè)置加油點，無法保障頂管輪裝置的潤滑。

2.3.2 頂管輪裝置的改造內(nèi)容

鑒于上述問題，對頂管輪裝置全部進行國產(chǎn)化改造。 改造后的頂管輪如圖4 所示。

圖4 改造后的頂管輪

（1）頂管輪主軸采用通軸代替原有套軸，輥輪與底座間增加軸套以提高強度，主軸底部增加潤滑點，便于日常維護。

（2）將原有滾珠軸承更換為滾柱軸承[6]，輥輪材料改為42CrMo，硬度增加，耐磨性更強，磨損程度大大降低，延長了使用壽命。

3 設(shè)備步進移鋼機升降梁的國產(chǎn)化改造

3.1 原步進移鋼機升降梁存在的問題

原步進移鋼機升降梁頂部為半包圍封閉式一體化結(jié)構(gòu)，平移梁在其中平行移動托運管體進行探傷檢測。 在維修過程中，若想對平移梁及其所屬零部件檢查修復(fù)，由于垂直方向無法提升吊出，只能將升降梁側(cè)向端蓋打開，在天車吊裝保護的同時將平移梁從側(cè)向緩慢拉出，進行維修作業(yè)。 因平移梁長3950 mm，檢修時周邊設(shè)備存在一定程度的干涉，往往很難將平移梁全部抽出，給檢修人員造成了維修障礙，增加了日常設(shè)備檢查維護的難度。

3.2 步進移鋼機升降梁的改造內(nèi)容

鑒于上述問題，對步進移鋼機升降梁進行國產(chǎn)化改造。圖5、圖6 為步進移鋼機升降梁改造前后的結(jié)構(gòu)圖。

圖5 改造前步進移鋼機升降梁結(jié)構(gòu)

圖6 改造后步進移鋼機升降梁結(jié)構(gòu)

（1）在保留原有主體結(jié)構(gòu)的同時，針對平移梁無法從升降梁機構(gòu)中垂直拆卸的問題，將升降梁頂部端面完全開放，除正常保留平移梁V 型輥橫移空間外，對其余部位改變裝配方式，由原來的一體化變?yōu)槁菟ㄑb配，從而在需要的時候可以便于拆裝，方便步進移鋼機平移梁的縱向吊裝[7]。

（2）升降梁滑槽內(nèi)兩側(cè)各有一條供行走輪滾柱軸承柱子行走的軌道槽，用于限制行走輪裝置的行程軌跡，但在實際中發(fā)現(xiàn)此設(shè)計意義寥寥，卻加劇了行走輪裝配的損壞程度，遂予以去除。

（3）對主機升降導(dǎo)軌及直線軸承、氣動組件、主機固定滑板、步進移鋼機行走輪裝配等進行了國產(chǎn)化改造改造。

4 改造效果

經(jīng)過一系列的國產(chǎn)化改造，進口φ273 mm 全管體相控陣超聲檢測系統(tǒng)整體上實現(xiàn)了設(shè)備機械部件的國產(chǎn)化，經(jīng)過一段時間生產(chǎn)和運行的檢驗，完全滿足生產(chǎn)工藝與設(shè)備安全要求，既達到了國產(chǎn)化改造前的設(shè)備運行水平，同時又提高了設(shè)備部件的使用壽命，降低了運營成本，成效顯著。

4.1 同部位裝置的故障次數(shù)減少

以2015 年相應(yīng)重點改造部位的維修次數(shù)為參量，全年按照四個季度劃分對比，如圖7 所示。 第一、 二季度為國產(chǎn)化改造前相關(guān)裝置的維修量，第三、四季度為國產(chǎn)化改造后對應(yīng)裝置的維修量。

圖7 重點改造部位全年維修量比較

由圖7 可以看出，第一、二季度各重點部位改造前，故障次數(shù)明顯偏多，維修量較大，修復(fù)成本高；而在國產(chǎn)化改造后的第三、四季度，同樣部位裝置的故障次數(shù)減少，維修量降至前半年的1/3，檢修成本明顯下降。

4.2 同部位裝置的維修時間減少

按季度統(tǒng)計2015 年相應(yīng)重點改造部位的維修時間，改造前第一、二季度各重點部位維修時長分別為75 小時和70 小時，維修率3.3%左右。改造后，第三季度維修時長為38 小時，維修率為1.8%，第四季度維修時長進一步降至35 小時，維修率降至1.6%。 通過上、下半年比較來看，國產(chǎn)化改造后設(shè)備維修時長平均減至改造前的1/2，維修率下降約1.6%。以Φ273 mm、15CrMoG 的鋼管檢測為例，檢測一根鋼管（約1.8 噸）的時間為5 分鐘，若以改造后每季度維修時長36 小時計，國產(chǎn)化改造后全年可以增加檢測產(chǎn)量約3110 噸。

4.3 重點部位改造后全年維修費用降低

圖8 是重點部位改造前后全年維修費用的對比。 由圖8 可知，改造前全年設(shè)備維修費為31.4 萬元，改造后全年設(shè)備維修費僅為9.5 萬元（全年維修費包含人工費和備件費），改造后全年節(jié)省維修成本約21.9 萬元。

圖8 重點改造部位全年維修費用比較（單位/萬元）

5 結(jié)語

實踐證明，國產(chǎn)化改造后和對原設(shè)計缺陷改進是成功的，達到了預(yù)期目的。

（1） 由于進口設(shè)備所使用的技術(shù)比較先進，因此在備件國產(chǎn)化改造過程中利用其技術(shù)先進的特點，改進其外形結(jié)構(gòu)和組裝形式，以加強將其部件的工藝性。

（2）國產(chǎn)化改造后，設(shè)備操作更加便捷，不但能滿足一線生產(chǎn)工藝的相關(guān)要求，而且又可與原系統(tǒng)配套，具有很高的性價比。

（3）國產(chǎn)化的設(shè)備零部件在性能、精度和使用壽命上比原有的進口備件更高。

（4）關(guān)鍵部件國產(chǎn)化改造后，設(shè)備維修時間減少，維修成本降低了，避免了不必要的人力、物力及財力的消耗。