一種超聲波探傷追管算法的設(shè)計與實現(xiàn)

林 海

（寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業(yè)部，上海 201900）

寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業(yè)部無縫鋼管廠探傷線裝備是從德國通用公司引進的多功能聯(lián)合探傷機組。經(jīng)過前道工序生產(chǎn)后的鋼管被運輸?shù)教絺€進行管體超聲波和渦流聯(lián)合探傷操作，以檢驗管體內(nèi)、外表面及管體內(nèi)部氣孔、夾雜、裂縫等質(zhì)量缺陷。

在進入超聲波探傷設(shè)備之前，待探傷的鋼管需要在輸送輥道上前后對接，形成一條頭尾相接的管排再進入到超聲波探傷設(shè)備中。鋼管前后對接的目的是為了保證待探傷鋼管管體表面耦合水流的平穩(wěn)，從而減少因耦合水波動引起的管端盲區(qū)現(xiàn)象和探傷誤報［1-15］。

為跟蹤管排中頭尾相接的鋼管接縫位置，準(zhǔn)確計算鋼管長度和標(biāo)記探傷缺陷。在探傷設(shè)備之前輸送輥道上布置有一個管隙檢測傳感器。當(dāng)兩根鋼管的接縫經(jīng)過時會激發(fā)管縫檢測信號，從而標(biāo)識出前后兩根鋼管的頭部和尾部位置。利用鋼管頭尾信息，可以跟蹤和記錄后續(xù)管體探傷缺陷的準(zhǔn)確位置，并在鋼管完成探傷后，綜合超聲波探傷結(jié)果，形成鋼管分選信號，用于后道好、壞管的分選操作。管隙傳感器的布置如圖1 所示。

圖1 管隙傳感器的布置示意

在超聲波探傷設(shè)備使用過程中，經(jīng)常發(fā)生管隙傳感器誤信號現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼管頭、尾部位置跟蹤不準(zhǔn)。引發(fā)了后續(xù)鋼管誤分選問題，將壞的管子翻入好管，或?qū)⒑霉墚?dāng)做壞管丟棄，存在嚴(yán)重的質(zhì)量隱患。為此開發(fā)了一套以LB0 光柵、追管操作為核心的新的探傷追管算法。利用更可靠的光柵信號檢測前一根鋼管的管尾位置。當(dāng)后一根鋼管加速追及前一根鋼管，頭尾相接時，前一根鋼管的管尾位置就是兩根鋼管的對接接縫位置，從而實現(xiàn)了兩根鋼管之間管縫位置的準(zhǔn)確跟蹤。

1 現(xiàn)有追管模式問題分析

1.1 現(xiàn)有追管模式

現(xiàn)有追管模式不考慮前后兩根鋼管追及位置。當(dāng)鋼管從上料臺架翻到運輸輥道上，立刻提升前段輥道轉(zhuǎn)速，通過延時控制追管時間，保證鋼管加速追上前一根鋼管，形成頭尾對接。隨后輥道降速，以探傷速度繼續(xù)往前運送鋼管。前后兩根鋼管之間的管縫位置依靠后面的管隙傳感器來進行檢測。

1.2 管隙傳感器原理及問題

管隙傳感器是一種利用渦流感應(yīng)原理制成的電感式傳感器。在E 型磁芯上繞有初級和次級線圈。在初級線圈上加以4.5 kHz 的激勵信號源，利用安裝在E 型磁芯另一臂上的次級線圈來感應(yīng)激勵信號。由于E 型磁芯的一邊為開口狀，磁阻較大，因此激勵線圈和感應(yīng)線圈之間的信號有一定的相位差。

當(dāng)前后兩根鋼管之間的管隙經(jīng)過檢測線圈（圖2）時，由于磁路中斷，磁阻發(fā)生變化，初、次極線圈間的相位角發(fā)生相對移動。通過判斷激勵線圈和感應(yīng)線圈的相位變化關(guān)系，可以確定管隙是否存在。最后輸出一個脈沖信號，表示檢測到了一個前后鋼管對接縫隙。操作員可以通過調(diào)節(jié)檢測線圈與鋼管之間的距離，來調(diào)整信號檢測靈敏度。

圖2 管隙傳感器的檢測線圈

實踐中出于成本和環(huán)境因素考慮，相互對接的鋼管之間間隙很小，管體上存在殘留乳化液、鐵銹等細(xì)小顆粒，利用光學(xué)、紅外或霍爾元件感應(yīng)的方式很難準(zhǔn)確檢測出兩根對接鋼管之間的縫隙。通常都采用渦流或漏磁原理，利用管隙處產(chǎn)生的磁路中斷來檢測鋼管對接縫隙。在實際使用中管隙傳感器存在以下幾個突出問題：

（1） 大型孔洞缺陷漏檢。

當(dāng)鋼管管體上存在足夠大的孔洞型缺陷時，磁路同樣會發(fā)生中斷，管隙傳感器會把這個孔洞型缺陷當(dāng)作兩根鋼管之間的“縫隙”而不是一根正常鋼管。這樣原先一根有孔洞重大質(zhì)量缺陷的鋼管會被超聲波探傷設(shè)備當(dāng)成兩根好鋼管進行探傷，出現(xiàn)探傷好管的根數(shù)比實際鋼管根數(shù)還要多一根的奇怪問題。

（2） 實際檢測距離有限。

根據(jù)測試，管隙儀的實際檢測范圍為1 cm 左右。當(dāng)管隙儀的安裝位置距離鋼管表面較遠，或雖然管隙儀位置安裝正確，但鋼管在輥道輸送過程中發(fā)生跳動，會直接導(dǎo)致管隙儀檢測不到管隙信號，兩根或多根鋼管會被當(dāng)成一根鋼管來處理。后道分選系統(tǒng)因此不能及時撥料，造成多根鋼管堆料，損傷設(shè)備。

（3） 受環(huán)境影響較大。

超聲波探傷前需要預(yù)噴淋高壓水去除鋼管表面的氧化鐵皮，而且超聲波探傷本身也需要用水來作為探頭與工件表面之間的聲波耦合劑。管隙儀的安裝位置距離預(yù)噴淋和耦合水都比較接近，容易出現(xiàn)因為進水導(dǎo)致的電路損壞故障。

1.3 管隙信號的作用

管隙檢測信號主要起到兩個作用：一是用于后一根鋼管頭部位置的跟蹤，從而在超聲波探傷工位實現(xiàn)對探傷缺陷的準(zhǔn)確定位；另一個作用是跟蹤前一根鋼管的管尾位置，當(dāng)其離開超聲波設(shè)備時，提升輥道轉(zhuǎn)速，將其與后一根鋼管加速分離。

加速分管操作的作用是將前后銜接的管子分離開來，以便在后道星型撥料器處進行分選。根據(jù)好壞管狀態(tài)，好的管子繼續(xù)向下道工序輸送，有缺陷的鋼管則被翻入對應(yīng)料筐，等待后續(xù)處理。由于管隙傳感器誤信號的存在，會導(dǎo)致管體探傷缺陷位置標(biāo)識錯誤和星型撥料器分選操作誤分選。

2 新追管模式開發(fā)

2.1 追管模式原理

新的追管模式需要在探傷設(shè)備前設(shè)置LB0、LB1 兩個光柵，以檢測前后兩根鋼管的管端位置。其中LB1 布置在超聲波探傷設(shè)備入口處。LB0 和LB1 之間略超一根管長的距離為好，并確保在LB0與LB1 入口位置這段區(qū)域內(nèi)只出現(xiàn)一條對接管縫，以簡化探傷設(shè)備對管縫的在線跟蹤。追管模式的控制過程分為前追管、后追管和追管結(jié)束三個階段，如圖3 所示。

圖3 LB0 追管模式示意

LB0 和LB1 處光柵采用Sick 鏡反射式光柵，并在鋼管行進方向垂直布置反射器和光電傳感器，以便當(dāng)鋼管通過時檢測管端信號。采用鏡反射式光柵的優(yōu)點是利用反射光路是否被遮擋來檢測管端位置，受管體或環(huán)境因素影響小，特別是管體孔洞不會影響檢測。同時檢測距離最長可達1.5 m，遠遠超過現(xiàn)場實際所需的檢測距離。

（1） 前追管階段。

當(dāng)后一根鋼管已經(jīng)運輸?shù)浇咏麹B0 位置，而前一根鋼管尾部剛好通過LB0，獲得一個下降沿信號。在這個時間點之前的追管階段，稱為前追管階段。

由于LB0 的位置固定，因此當(dāng)管尾下降沿信號出現(xiàn)時，表明前一根鋼管管尾的位置正好在LB0處。因此得到了前一根鋼管管尾的精確位置。

（2） 后追管階段。

后追管階段從前一根鋼管管尾通過LB0，獲得一個下降沿信號后開始，直到后一根鋼管管頭加速追上前一根鋼管管尾為止。

由于前一根鋼管的管尾位置是一直被精確跟蹤的。因此當(dāng)后一根鋼管的管頭追上前一根鋼管的管尾時，就獲得了兩根鋼管對接管縫的準(zhǔn)確位置。

（3） 追管結(jié)束階段。

從后一根鋼管管頭追上前一根鋼管管尾開始，進入追管結(jié)束階段。此時LB0 光柵前后兩段輥道的速度恢復(fù)一致。等待下一根鋼管到來，繼續(xù)新一輪追管過程。

新的追管模式先檢測前一根鋼管管尾下降沿信號，隨后在一定追管區(qū)域內(nèi)，后一根鋼管加速追上前一根鋼管。兩根鋼管頭尾相接，再依次通過超聲波探傷設(shè)備完成探傷操作。超聲波探傷設(shè)備持續(xù)跟蹤兩根鋼管相接處的管縫位置，并在前一根鋼管離開探傷設(shè)備時，向運輸系統(tǒng)可編程邏輯控制器（Programmable Logic Control，PLC）發(fā)出分選信號。運輸系統(tǒng)PLC 跟蹤該分選信號直至后道星型撥料器處對鋼管進行分選。

由于LB0 光柵檢測信號的可靠性要遠遠高于管隙傳感器檢測管縫的可靠性。因此在追管模式下能夠更加精確、更加可靠地跟蹤對接管縫的位置，為后道正確分選提供保證。

（4） 追管失敗處理。

當(dāng)追管操作正常時，LB1 光柵會始終檢測到鋼管。因此，若追管失敗，或最后一根鋼管情況，LB1 光柵會檢測到管尾下跳沿信號。此時利用該信號復(fù)位所有追管標(biāo)志，重置追管操作并報警，由人工操作干預(yù)重新開始追管。

2.2 二次追管程序開發(fā)

由于探傷線上料臺架到超聲波探傷設(shè)備之間的距離遠大于LB0 到LB1 間的距離。若采用單步追管，會造成前后兩組輥道速度差過大，或后一根鋼管在有限范圍內(nèi)無法追上前一根鋼管的情況。為此，在實踐中將追管輥道分為三段，分別實現(xiàn)一次追管和二次追管，逐步提升各區(qū)段輥道轉(zhuǎn)速，減少前后區(qū)段間的輥道速度差。二次追管算法傳感器布置如圖4 所示。

圖4 探傷線傳感器布置示意

探傷線現(xiàn)有傳感器布置如圖4 所示。其中Txx為輸送皮帶下面的接近開關(guān)。LB0 光柵布置在V型皮帶2-3 和2-4 中間。最終允許追管范圍是LB0到探傷設(shè)備夾送輥之間，即V 型皮帶2-4 內(nèi)。因為之后的輥道速度均由探傷設(shè)備控制，與夾送輥速度相同，稱為探傷速度，一般為40 m/min。一次追管點設(shè)置在V 型皮帶2-1 和2-2 之間。兩次追管算法如下：

（1） 一次追管算法。

當(dāng)T33=0 時，如果V 型皮帶1 上有管，或V型皮帶2-1 上有管，則V 型皮帶1 與V 型皮帶2-1 一起快速追管。

當(dāng)T36=0 時，如果V 型皮帶1、V 型皮帶2-1或V 型皮帶2-2 上有管，則V 型皮帶1 與V 型皮帶2-1、V 型皮帶2-2 一起快速追管。

前道追管只看當(dāng)前信號，信號=0 就追，信號=1 就不追。一次追管的前后輥道速度比例可以設(shè)定，通常設(shè)置在1.2～1.5 倍探傷速度。

（2） LB0 追管算法。

追管開始信號：當(dāng)V 型皮帶2-3 正向自動啟動時，如果T38 出現(xiàn)下跳沿信號，則開始LB0 末端追管（前一根管子離開LB0）。

追管開始信號啟動后，需要根據(jù)現(xiàn)場狀態(tài)進行判斷復(fù)位。例如前一段全無料時（V 型皮帶2-3、V 型皮帶2-2 無料），以及T36 出現(xiàn)下跳沿信號（管子尾部過T36，停止追管）等情況下，需要將追管開始信號復(fù)位，以便下一根鋼管繼續(xù)可以追管。

LB0 追管速度一般設(shè)定在1.9 倍探傷速度，以確保在有限的范圍內(nèi)追上前一根鋼管。

追管結(jié)束信號：主要是判斷管子已經(jīng)追上，從而停止皮帶快速運行，改成探傷速度等速運行。注意此時整個追管過程尚未結(jié)束，只是保持與探傷速度相同的速度運行。后一根鋼管的尾部還未脫離追管區(qū)域。

追管結(jié)束信號也有多個狀態(tài)需要判斷。例如：在追管狀態(tài)下T39 和T38 都為1，再延時1.3 s 后發(fā)追管結(jié)束信號。延時主要用于確保管子追上，其算法如下：按照40 m/min 探傷速度計算，1.3 s 時間內(nèi)前一根管子走0.87 m，后一根管子走0.87×1.9 m（1.9 倍速追管），多走0.783 m。因為管子之間間隔通常少于0.783 m，因此延時1.3 s 能確保下一根管子過T38 后追上前一根鋼管。

（3） 追管結(jié)束信號的復(fù)位。

追管結(jié)束信號的復(fù)位表示整個LB0 追管過程結(jié)束，可以進行下一次LB0 追管操作。同樣是根據(jù)延時和前道無管子等狀態(tài)結(jié)合起來判斷，在復(fù)位追管結(jié)束信號的同時復(fù)位整個LB0 追管循環(huán)，以允許下一根鋼管的追管操作。

2.3 新追管算法的適用性

新的追管算法仍然以探傷速度為最終輥道速度，通過分段提升前道輥道速度來實現(xiàn)鋼管的前后追及，因此不影響最終的生產(chǎn)節(jié)奏。但是由于需要在LB0 處保持前后兩根鋼管分離的狀態(tài)，并在LB0 和LB1 之間追及，新追管算法還是有一定的適應(yīng)性要求。主要有以下幾點：

（1） 被檢測鋼管的長度要求。

為簡化探傷設(shè)備對管縫在線跟蹤的要求，加上LB0、LB1 光柵位置固定后不能輕易移動。因此要確保LB0 至LB1 之間只出現(xiàn)一條對接管縫，就需要對被檢測鋼管的長度范圍進行一定的規(guī)范。因此新追管算法最適用于定尺管探傷線，不適用于管長隨時大幅度變化的一般探傷線。

（2） 追管速度比例的及時調(diào)整。

當(dāng)LB0 和LB1 位置固定后，不同長度范圍的鋼管，追管速度和追及位置是不一樣的。需要通過理論計算和現(xiàn)場實地試驗得到最佳的追管速度比例，以確保在合適的位置追及。因此需要不斷地積累，以獲得不同長度范圍下的最佳追管速度控制表。

（3） 輥道獨立控制的要求。

追管算法中，第一次追管的位置是可以調(diào)整的。如果輥道上每個單獨的驅(qū)動輥都能獨立控制的話。那么可以通過調(diào)整一次追管的位置來適應(yīng)不同長度鋼管的追管要求。在LB0、LB1 位置固定、探傷速度也固定的情況下，增加一個針對管長的調(diào)節(jié)手段，以適應(yīng)更大管長范圍的鋼管探傷要求。

3 結(jié)語

為解決探傷線管隙傳感器誤信號造成的分選異常和孔洞型缺陷漏檢等問題，開發(fā)了兩段式追管控制算法，并在現(xiàn)場進行了一系列測試，取得了一定的效果。但隨著“雙探”工藝的實施，新增漏磁探傷設(shè)備和表面檢測設(shè)備陸續(xù)上線，使得追管算法所需的控制點距離要求無法得到滿足，算法的實際應(yīng)用受到了限制。但是追管算法自身從原理上解決了信號檢測不準(zhǔn)，管縫位置跟蹤準(zhǔn)確度差的問題，仍具有一定的推廣應(yīng)用前景。