離心球墨鑄鐵管全自動在線全程壁厚檢測系統(tǒng)的開發(fā)

郝文源，陶群南，岳江峰，呂少峰，傅 駿

（1.蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司 蕪湖新興鑄管，安徽 蕪湖 241002；2.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系,四川 德陽 618000 ）

0 引言

本公司鑒于離心球墨鑄鐵管壁厚檢測的重要性，組成了攻關(guān)小組，經(jīng)過十多年的攻關(guān)研究與創(chuàng)新實踐，自主研發(fā)出超大功率電磁超聲在線無耦合非接觸檢測球墨鑄鐵管壁厚技術(shù)。壁厚檢測速度快，精度高，無須耦合劑，性能提升空間大，居于行業(yè)和世界領(lǐng)先水平。

1 項目的意義

開發(fā)高質(zhì)量的壁厚質(zhì)量檢測系統(tǒng)，是用水安全的必要保證。鑄鐵管壁質(zhì)量直接影響到廣大民眾的用水質(zhì)量和用水安全，管壁質(zhì)量問題不但影響水輸送管道使用壽命，更可能引起水質(zhì)污染、水資源浪費等重大問題。

離心球墨鑄鐵管具有鐵的本質(zhì)、鋼的性能，它具有較高的抗內(nèi)壓、外壓能力，較好的耐腐蝕性和耐磨性，適應(yīng)現(xiàn)代城鎮(zhèn)供水、輸氣建設(shè)工程的需求。遇地基變化或地震現(xiàn)象，發(fā)生漏裂的比率最低，其震害率最小，具備管壁薄、韌性好、強度高、耐腐蝕、施工方便等優(yōu)點，我國球墨離心鑄管行業(yè)發(fā)展迅速。因此，球墨鑄鐵管壁厚的測量在鑄鐵管的生產(chǎn)工藝中有非常重要的作用，其不但關(guān)系到直接的質(zhì)量控制，同時對生產(chǎn)中鑄造參數(shù)的調(diào)整也具有十分重要的意義，是球墨鑄鐵管精細鑄造實現(xiàn)的前提之一[1]。

目前球墨鑄鐵管壁厚的測量主要方式是通過人工手持壓電超聲波設(shè)備，配合耦合劑對管身有限個點位進行測量，僅能抽檢少量鑄管，這種測量壁厚的方法速度慢、勞動量大，無法準確反映生產(chǎn)線上全部產(chǎn)品的鑄造狀況,已經(jīng)嚴重落后于現(xiàn)代鑄鐵管的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)效率。對于動輒幾十甚至幾百公里的供水管線來說，未知的鑄造狀況存在巨大的質(zhì)量隱患。因此全自動在線全程壁厚檢測就變得十分重要。

2 關(guān)鍵技術(shù)

目前在無損檢測技術(shù)中，電磁超聲檢測技術(shù)逐漸成熟并應(yīng)用廣泛，此項技術(shù)不使用耦合劑、檢測速度快、無污染、無輻射、可以適應(yīng)高溫環(huán)境，鑄鐵管、水泥層、漆層、鋅層均不影響檢測，此項技術(shù)的成熟使全自動在線全程壁厚檢測的實現(xiàn)成為可能[2]。

2.1 適用于球墨鑄鐵管的電磁超聲參數(shù)研究

該檢測技術(shù)不需要耦合劑，適應(yīng)于結(jié)晶粗大的球墨鑄鐵管材質(zhì)，探測無需對被測管表面進行打磨或其他處理，可以克服管身表面工藝凸點的影響。

攻關(guān)小組通過熱力學(xué)計算分析了球墨鑄鐵管中夾雜物的種類及各個夾雜物形成的難易程度，研究了夾雜物在球墨鑄鐵中的熱力學(xué)、動力學(xué)行為。熱力學(xué)計算結(jié)果表明：當球墨鑄鐵中鈦含量為0.005%、0.015%和0.025%,冷卻速度為3℃/S時,夾雜物的平均尺寸分別為2.14 μm、2.76 μm和3.04 μm,當冷卻速度為1、3、6℃/S,Ti含量為0.015%時,夾雜物的平均尺寸分別為4 μm、2.77 μm、1.5 μm。

針對以上研究成果，對被檢查金屬材質(zhì)有了更具體的掌握，對與電磁超聲在被測材料內(nèi)部產(chǎn)生和傳播的過程有了充分依據(jù)。除內(nèi)部結(jié)構(gòu)外，被測件體積大、尺寸長，外表面布滿工藝凸點和龜裂紋，高度約0.5 mm，對電磁超聲信號形成干擾，通過脈沖跟隨有效控制探測距離，實現(xiàn)干擾消除[3]。

2.2 發(fā)明了針對墨鑄鐵材質(zhì)的電磁超聲探頭

探頭具備多頻率轉(zhuǎn)換功能，信號處理器采用DPS高速信號處理系統(tǒng)，可有高效處理接收信號，過濾干擾信號。攻關(guān)小組通過定制接收裝置接收高速信號并進行放大顯示（電磁超聲）。此時，換能器已經(jīng)不單單是通交變電流的渦流線圈以及外部固定磁場的組合體，金屬表面也是換能器的一個重要組成部分，電和聲的轉(zhuǎn)換是靠金屬表面來完成的。

電磁超聲檢測裝置主要由高頻線圈、外加磁場、試件本身三部分組成，高頻線圈通以高頻激勵電流時就會在試件表面形成感應(yīng)渦流，感應(yīng)渦流在外加磁場的作用下會受到洛倫茲力的作用產(chǎn)生電磁超聲；同樣，強大的脈沖電流會向外輻射一個脈沖磁場，脈沖磁場和外加磁場的復(fù)合作用會產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，磁致伸縮力的作用也會產(chǎn)生不同波形的電磁超聲。電磁超聲接收信號經(jīng)過放大，進入處理器，通提過信號過濾，去除有害信號后，有效信號進入主機通過預(yù)設(shè)算法進行整合計算后由硬件端口輸出。

2.3 發(fā)明了針對墨鑄鐵材質(zhì)的電磁超聲激發(fā)和接收儀器

針對墨鑄鐵管電磁超聲測量需要實現(xiàn)高頻高功率儀器裝置，研發(fā)中通過直流電壓全橋逆變技術(shù)，高頻變壓器升壓技術(shù)，電磁超聲發(fā)射電路脈沖電壓可達3 000 V，瞬態(tài)電流可以達到10 A，最大可以在5 M頻率下達到30 kW發(fā)射功率。電磁超聲接收的信號非常微弱。研發(fā)中采用輸入限幅+高阻抗、高夸導(dǎo)的JFET前置放大器+模擬濾波器+可控增益放大器+模擬/數(shù)字采樣轉(zhuǎn)換等技術(shù)，實現(xiàn)了放大器的輸入阻抗高，噪聲小，靈敏度高的特征。研發(fā)中采用賽靈思的Spartan6工業(yè)級FPGA實現(xiàn)信號采集，濾波，自相關(guān)運算，數(shù)據(jù)緩存等工作，通過過采樣、FIR濾波、自相運算3個技術(shù)增加了信噪比25 dB以上。

2.4 基于多軸聯(lián)動控制的結(jié)構(gòu)變形補償機構(gòu)

開發(fā)的測量機構(gòu)是能夠自動適應(yīng)與長管形變、彎曲、位置偏差的定位裝置，可保證探頭在長距離檢測過程中對長管在空間內(nèi)產(chǎn)生的位置偏差進行自動補償，保證探頭和被測管件的相對位置滿足檢測需要。

2.5 全自動控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)從根本上保證了適用于全自動生產(chǎn)線實現(xiàn)無人化全天候全管全長在線壁厚檢測。發(fā)明了能夠高速采集處理壁厚檢測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，系統(tǒng)配備數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，開發(fā)了人機交互終端軟件，可對檢測異常情況直接通過界面向人工進行信息展示，并指導(dǎo)離心機澆注系統(tǒng)進行參數(shù)調(diào)整。系統(tǒng)控制系統(tǒng)采用西門子S7-300系列PLC系統(tǒng)，配置有CPU、數(shù)字量、模擬量、網(wǎng)絡(luò)通信、DP通信等模塊，上位機采用研華高性能工控機，集成了高速多種運動控制器、SQL數(shù)據(jù)庫、VC++集成開發(fā)環(huán)境等。上位機工控機作為控制中心與PLC系統(tǒng)、電磁超聲系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)進行通訊，并組織各模塊之間的工作，完成壁厚檢測，并完成數(shù)據(jù)的處理和呈現(xiàn)[4]。

控制系統(tǒng)操作臺設(shè)置有手動和自動轉(zhuǎn)換按鈕，當設(shè)備需要維護或檢修時將按鈕打到手動，即可實現(xiàn)各軸手動運行，此時各軸可單獨控制運行。當需要自動檢測時，打到自動檢測。即可實現(xiàn)自動檢測。

2.6 系統(tǒng)總成

圖1是本系統(tǒng)總成結(jié)構(gòu)圖。

系統(tǒng)被測件由運管輸送裝置運送到檢測工位，立即進行管徑識別，判斷管型后系統(tǒng)自動完成相應(yīng)參數(shù)配置，并對電磁超聲和PLC系統(tǒng)通信情況進行檢測，無誤后自動發(fā)出檢測開始信號。PLC系統(tǒng)接到檢測信號后控制各機械軸運動，電磁超聲探頭接觸被測鑄管后電磁超聲檢測系統(tǒng)開始工作，經(jīng)過信號處理、數(shù)據(jù)運算后得出壁厚數(shù)據(jù)并上傳給工控機，工控機整個位置和壁厚信息形成數(shù)據(jù)并繪制壁厚曲線，完成全管檢測后，工控機將所有數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫，并將檢測數(shù)據(jù)和標準數(shù)據(jù)進行對比，對異常數(shù)據(jù)進行報警處理。然后進入下一個檢測循環(huán)。

檢測長度5.6 m，有效檢測點位120個左右，檢測時間30s，可實現(xiàn)產(chǎn)線全管全長檢測。檢測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)直接傳遞給離心機澆注系統(tǒng)，針對壁厚異常，進行澆注參數(shù)調(diào)整。

3 結(jié)語

球墨鑄管在線厚度檢測儀，采用全新的電磁超聲檢測技術(shù)，無須耦合劑，非接觸快速測量，可對大多數(shù)金屬或磁性材料進行檢測。與常規(guī)超聲測厚儀器相比，EMAT技術(shù)對檢測表面不敏感，適合粗糙的表面，允許通過覆層（油漆層或鐵銹層）或空氣層測量，免去除表面油污或鐵銹。對球墨鑄鐵材料進行在線測厚，具有獨特的優(yōu)勢。厚度測量結(jié)果不受角度影響，不受鑄管表面凸起，龜裂等因素影響，測量精度高（精確到0.01 mm）測量速度快。

通過蕪湖新興鑄管近幾年對在線壁厚檢測技術(shù)的攻關(guān)研究與創(chuàng)新實踐，目前形成了每年對20萬噸球墨鑄鐵管壁厚進行全長壁厚檢測的能力,取得了顯著經(jīng)濟效益和社會效益，推動了產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級和行業(yè)的發(fā)展,下一步計劃推廣到每年60萬噸球墨鑄鐵管壁厚全檢。該壁厚檢測技術(shù)檢測速度快，檢測準確，無損，無須耦合劑，性能指標達到國際先進水平，并已大量應(yīng)用對離心機澆注的參數(shù)調(diào)整，促進壁厚均勻性提高和鐵耗的減少，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。

目前電磁超聲測厚還不適應(yīng)于高溫情況下檢測，檢測位置離鑄造機較遠，壁厚數(shù)據(jù)反饋存在一定滯后性。今后研究方向是針對鑄造機高溫鑄管壁厚檢測進行技術(shù)創(chuàng)新，電磁超聲具備高溫檢測條件，但在部件耐受性需進一步設(shè)計和開發(fā)。