多通道電磁超聲式全自動(dòng)探傷系統(tǒng)在中厚板的應(yīng)用

張西周 李大安 王君君

[摘 ? ?要]針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境，布置以電磁超聲（EMAT）為核心的全板面覆蓋的多通道全自動(dòng)探傷系統(tǒng)，并成功在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施與應(yīng)用，解決了人工手持壓電探傷速度慢、效率低、漏探高等一系列卡脖子問題，有效提高了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)率及探傷可靠性。

[關(guān)鍵詞]多通道;全自動(dòng);電磁超聲;EMAT;中厚板

[中圖分類號(hào)]TH878.2 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）03–00–02

[Abstract]Aiming at the harsh environment of the industrial site， a multi-channel automatic flaw detection system with full panel coverage with electromagnetic ultrasound （EMAT） as the core was arranged， and it was successfully implemented and applied on the spot， which solved the slow speed and low efficiency of manual handheld piezoelectric flaw detection. ， A series of stuck neck problems such as high leakage detection， effectively improve the on-site operation rate and flaw detection reliability.

[Keywords]multi-channel; fully automatic; electromagnetic ultrasound; EMAT; medium and heavy plate

目前國內(nèi)中厚板鋼板需要越來越大，質(zhì)量要求越來越來，但是質(zhì)量最后的把控環(huán)節(jié)還是以壓電探傷為主，造成生產(chǎn)節(jié)奏慢。為了克服壓電超聲探傷需要耦合劑、漏檢率高、探傷速度慢、不能檢測(cè)高溫物體等諸多缺陷，開發(fā)了多通道電磁超聲式全自動(dòng)探傷系統(tǒng)。它具有工作過程無需耦合劑、低漏檢率、探傷速度快、耐高溫、重復(fù)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出被檢物的分層、孔洞、非金屬夾雜、剝落、海綿體區(qū)域等缺陷，并準(zhǔn)確計(jì)算這些缺陷的尺寸和位置。

從2019年在西北某鋼廠中厚板線實(shí)施以來，探傷鋼板與總軋制量的占比由原來的20%～30%提升到43%，總探傷鋼板30萬t，無一漏探，得到客戶的廣泛好評(píng)。

1 系統(tǒng)原理

電磁超聲技術(shù)源于20世紀(jì)60年代，由于電磁超聲的換能效率較壓電超聲低20～40 dB，長(zhǎng)期以來沒有得到重視。隨之電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種高速、高功率的IGBT、CMOS功率器件的升級(jí)換代，小波變換、非負(fù)矩陣分解（NMF）等信號(hào)處理算法的提出與應(yīng)用，換能效率低得到了很好克服，目前最新的電磁超聲探傷系統(tǒng)已經(jīng)可以做到真正的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1.1 檢測(cè)原理

先布置一個(gè)磁場(chǎng)3，然后在激勵(lì)線圈4中通一個(gè)高頻電流1，線圈將產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)5，被測(cè)體（鋼板）的肌膚層內(nèi)將感生渦電流6，該電流在磁場(chǎng)受到交變洛侖茲力，使鋼板產(chǎn)生高頻振動(dòng)而產(chǎn)生超聲波。超聲波垂直于鋼板表面?zhèn)鞑ィ?dāng)沒有缺陷8時(shí)，超聲波從鋼板底面反射，形成底波9。當(dāng)鋼板內(nèi)部存在缺陷8時(shí)，超聲波將在缺陷處反射，形成缺陷波。電磁超聲通過該原理來實(shí)現(xiàn)鋼板的探傷（圖1）。

由超聲波的激發(fā)原理可知，被測(cè)物內(nèi)超聲波的頻率取決于線圈電流頻率，接收的信號(hào)與被測(cè)物肌膚層的感應(yīng)電流I、磁場(chǎng)B成正比，與被測(cè)物聲阻抗Z成反比，最后與線圈的形狀系數(shù)G成正比，次級(jí)接收電壓公式如下：

1.2 探傷系統(tǒng)組成

多通道電磁超聲式全自動(dòng)探傷系統(tǒng)以高速FPGA作為前端信號(hào)預(yù)處理，以PLC為控制中心，以多核服務(wù)器為信號(hào)處理中心。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)打通了現(xiàn)場(chǎng)L1、L2、L3，真正融合到現(xiàn)場(chǎng)工藝環(huán)節(jié)。鋼板排產(chǎn)時(shí)，全自動(dòng)探傷系統(tǒng)即感知到鋼板的要求以及客戶要求，系統(tǒng)對(duì)該塊或者該批鋼板探傷需要做的工作進(jìn)行預(yù)準(zhǔn)備。在探傷過程中，系統(tǒng)不需要人員，也不能有人員干預(yù)，保證探傷評(píng)級(jí)具備重復(fù)性與客觀性。當(dāng)鋼板探傷完成，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)輸出探傷報(bào)告等相關(guān)結(jié)果給客戶L3。系統(tǒng)的設(shè)備的工作狀態(tài)，可以通過各種方式（例如5G）發(fā)給客戶各級(jí)管理人員，提升系統(tǒng)的可維護(hù)性。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

考慮到中厚板廠的工藝布局及生產(chǎn)節(jié)奏安排，探傷系統(tǒng)安裝在中厚板廠冷床出口雙邊剪前。這樣的布置可以在探傷系統(tǒng)探傷完成后，對(duì)鋼板定制化裁剪。例如當(dāng)缺陷位置在鋼板的周邊，可以控制剪切設(shè)備將缺陷直接剪出，這樣可以將不合格的鋼板直接提升為探傷合格鋼板，提升效益。系統(tǒng)控制系統(tǒng)界面如圖3所示。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心界面如圖4所示。

3 使用效果

多通道電磁超聲式全自動(dòng)探傷系統(tǒng)在中厚板投用后，某中厚板軋鋼車間探傷跨由人工粗獷手持式探傷模式升級(jí)到全自動(dòng)在線探傷，生產(chǎn)節(jié)奏極大加快，自動(dòng)探傷鋼板占總軋制量逐年提高，占比見圖5。

除了加快中厚板生產(chǎn)節(jié)奏外，還保證了質(zhì)量。自設(shè)備投用以來，無一起因超聲波探傷引起的質(zhì)量異議或質(zhì)量問題，系統(tǒng)得到了客戶的一致好評(píng)。

4 效益分析

項(xiàng)目實(shí)施前后，對(duì)該中厚板廠進(jìn)行全面效益分析，效益分析如下：

（1）采用電磁超聲檢測(cè)設(shè)備無需水耦合，消除鋼板結(jié)冰的安全隱患。

（2）通過智慧制造項(xiàng)目將超聲檢測(cè)流程再造，取消原有從剪切到探傷再到入庫的流程，改為母板探傷后剪切入庫，優(yōu)化工序流程。逆轉(zhuǎn)剪切能力大于探傷能力的現(xiàn)狀，從而避免中厚板中間庫脹庫。

（3）能夠開發(fā)更多探傷要求高于GB/T2970以及NB/T47013.3超聲檢測(cè)的鋼板產(chǎn)品，例如ASTM美標(biāo)、歐標(biāo)含蓋的天然氣、石油管線鋼產(chǎn)品。

（4）新的超聲檢測(cè)設(shè)備上線，作業(yè)區(qū)崗位人員優(yōu)化，可以優(yōu)化探傷工6人，并且無需在為員工取得特種設(shè)備無損檢測(cè)超聲波檢測(cè)資格證難的問題操心。

（5）作業(yè)區(qū)崗位人員優(yōu)化后，可以將優(yōu)化的人員分配到各檢驗(yàn)組運(yùn)行四班三運(yùn)作提供保障。

（6）為中厚板優(yōu)化至少3名行車工。由于后區(qū)探傷人員的優(yōu)化，為探傷服務(wù)的行車工也可以分配到其他崗位作業(yè)。

（7）原來的探傷場(chǎng)地作為中厚板的中間庫，庫容量增加。

（8）減少行車用電資源以及探傷用水資源，以及減少了原來車載探傷設(shè)備的備件消耗品費(fèi)用和設(shè)備修理費(fèi)用。

（9）銷售按照每張鋼板100元的探傷費(fèi)用和客戶結(jié)算，按照一年超探鋼板30萬t的最小訂單量計(jì)算，單張鋼板的平均重量4.5t（規(guī)格30 mm×2 000 mm×10 000 mm），每年的利潤(rùn)=30萬t/4.5t×100元≈667萬元。

5 結(jié)論

通過實(shí)施多通道電磁超聲式全自動(dòng)探傷系統(tǒng)，可以有效提升中厚板廠的生產(chǎn)節(jié)奏，創(chuàng)造巨大效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭暉，林樹清.超聲檢測(cè)[M].（第2版）.北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.