三維表面檢測(cè)設(shè)備在鋼管外表面缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

王 偉，蘇惠超

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

在無(wú)縫鋼管生產(chǎn)過(guò)程中，現(xiàn)有的無(wú)損探傷手段主要有漏磁、超聲波、渦流與熒光磁粉等[1-13]。由于無(wú)縫鋼管表面缺陷種類(lèi)繁多，這些探傷設(shè)備只能針對(duì)其中某些類(lèi)別的缺陷獲得較好的檢測(cè)效果，對(duì)于其他缺陷卻存在漏檢可能。例如超聲波設(shè)備可以檢測(cè)管體內(nèi)外面的裂紋、折疊與結(jié)疤，但在外表面的卻存在一定盲區(qū)；漏磁設(shè)備不僅可以檢測(cè)內(nèi)外表面裂紋、折疊，還可以檢測(cè)寬深比較小的凹坑等缺陷；但對(duì)于寬深比較大，過(guò)渡平緩的凹坑卻信號(hào)很弱。渦流設(shè)備針對(duì)鋼管夾雜、折疊與凹坑都可以檢測(cè)；但對(duì)于縱向凹坑缺陷檢測(cè)不靈敏，難以檢測(cè)180 mm 以上管徑。因此，對(duì)于無(wú)縫鋼管的外表面凹坑檢測(cè)，尤其是寬深比較大的凹坑還需要依靠人工表面檢測(cè)；但在人工表面檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)可靠性容易出現(xiàn)波動(dòng)從而造成漏報(bào)。為了尋找一種可靠的在線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備取代鋼管外表面缺陷的人工表面檢測(cè)，近年來(lái)，多家設(shè)備廠商都嘗試推出機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備，這其中有的使用工業(yè)相機(jī)進(jìn)行二維（2D）檢測(cè)，也有使用三維輪廓儀進(jìn)行三維（3D）檢測(cè)，由于鋼管表面狀態(tài)復(fù)雜，2D 檢測(cè)誤報(bào)較多，在實(shí)踐中難以有效達(dá)到檢測(cè)目的。

2019 年，寶山鋼鐵股份有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)寶鋼股份）無(wú)縫鋼管廠引入某研究院研發(fā)的三維表面檢測(cè)設(shè)備。該設(shè)備的主要原理是通過(guò)8 路三維傳感器與四路工業(yè)相機(jī)，采用非接觸激光三角測(cè)距法在線(xiàn)對(duì)鋼管表面進(jìn)行三維輪廓測(cè)量：三維傳感器實(shí)時(shí)發(fā)射線(xiàn)激光，通過(guò)三維傳感器自帶相機(jī)對(duì)線(xiàn)激光進(jìn)行成像，通過(guò)計(jì)算電荷耦合器件（CCD）上激光彎曲像素值導(dǎo)出鋼管表面的三維起伏高度，得到鋼管表面的輪廓數(shù)據(jù)。通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的程序?qū)崟r(shí)拼接8 路三維傳感器的輪廓數(shù)據(jù)，最終生成鋼管表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。再通過(guò)三維缺陷提取算法實(shí)時(shí)提取鋼管表面的三維凹坑缺陷，自動(dòng)判斷鋼管外表面是否達(dá)到閾值指標(biāo)（一般為面積閾值與深度閾值）的三維缺陷[14-15]。3D 表面檢測(cè)設(shè)備在應(yīng)用之初，最主要的目的是防止開(kāi)口性大傷漏報(bào)，實(shí)踐證明該設(shè)備能很好做到這一點(diǎn)，并且在防止大傷漏報(bào)的情況下，能夠檢測(cè)達(dá)到閾值的中小型開(kāi)口缺陷，是現(xiàn)有無(wú)損探傷手段的有益補(bǔ)充。

1 三維表面檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)內(nèi)容

3D 表面檢測(cè)設(shè)備核心的閾值指標(biāo)是缺陷的面積與深度，如果一個(gè)缺陷同時(shí)滿(mǎn)足面積閾值與深度閾值，即可報(bào)傷。3D 表面檢測(cè)設(shè)備的報(bào)傷報(bào)表如圖1 所示。

圖1 3D 表面檢測(cè)設(shè)備的報(bào)傷報(bào)表

報(bào)表中第一區(qū)域?yàn)閳?bào)傷參數(shù)區(qū)域（黑框區(qū)域），包括時(shí)間，合同號(hào)，班組號(hào)，產(chǎn)品規(guī)格，設(shè)定的深度與面積閾值（兩組閾值，一組為淺大傷、一組為深小傷），頭尾盲區(qū)長(zhǎng)度設(shè)定，報(bào)警外設(shè)狀態(tài)（包括噴漆、報(bào)警燈與翻管），報(bào)傷的位置、面積和類(lèi)型。

報(bào)表第二區(qū)域?yàn)榛疑纳疃葓D，其中偏黑色部分為凹陷區(qū)域，圖中白框所示為達(dá)到淺大傷閾值的缺陷（深度0.4 mm，面積7 mm2），黑框所示為達(dá)到深小傷閾值的缺陷（深度1 mm，面積3 mm2）。

報(bào)表第三區(qū)域?yàn)閷?duì)應(yīng)報(bào)傷的2D 圖片，從左到右依次對(duì)應(yīng)深度圖角度的分布（深度圖是指將3D 圖像轉(zhuǎn)為二維圖像，將深度值轉(zhuǎn)換為2D 圖像的灰度，其中128 灰度為深度0，顏色越深表示深度越深，顏色越淺表示凸起越高。深度圖角度表示深度圖沿周向角度的分布），從第三張圖片中可以清晰看到該缺陷圖片。

在報(bào)傷的同時(shí)，3D 表面檢測(cè)設(shè)備還可以檢測(cè)鋼管的長(zhǎng)度和管徑，管徑的檢測(cè)精度在0.1～0.2 mm，長(zhǎng)度檢測(cè)精度在0.1%×管長(zhǎng)。

2 三維表面檢測(cè)設(shè)備與漏磁檢測(cè)設(shè)備報(bào)傷對(duì)比

在沒(méi)有3D 表面檢測(cè)設(shè)備之前，開(kāi)口缺陷只能依靠漏磁設(shè)備和人工表面檢測(cè)來(lái)發(fā)現(xiàn)。但由于漏磁設(shè)備存在一些不足，比如對(duì)某些方向的凹坑或?qū)捝畋却蟮陌伎硬幻舾?、靈敏度隨方向變化，對(duì)管端300 mm 內(nèi)的缺陷存在盲區(qū)等，相繼開(kāi)發(fā)了模擬人眼識(shí)別的3D 表面檢測(cè)設(shè)備。由于原理不同，漏磁設(shè)備與3D 表面檢測(cè)設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 漏磁設(shè)備與3D 表面檢測(cè)設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

為了對(duì)比漏磁設(shè)備和三維表面檢測(cè)設(shè)備各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)選取寶鋼股份無(wú)縫鋼管廠福斯特漏磁設(shè)備與三維表面檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行同時(shí)段報(bào)傷數(shù)據(jù)對(duì)比，共用10635 根鋼管數(shù)據(jù)，其中漏磁報(bào)傷753 根（報(bào)傷比例3.5%），3D 報(bào)傷1066 根（報(bào)傷比例5%），3D 與漏磁設(shè)備共同報(bào)傷94 根（報(bào)傷比例0.4%），由于所有報(bào)傷管會(huì)進(jìn)行第二遍復(fù)探，實(shí)際報(bào)傷數(shù)需要除以2 才為真正報(bào)傷數(shù)。

筆者統(tǒng)計(jì)了2022 年2—5 月3D 表面檢測(cè)設(shè)備和其現(xiàn)有福斯特漏磁設(shè)備的報(bào)傷數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可知，單獨(dú)使用漏磁設(shè)備，可自動(dòng)檢出60%左右缺陷；單獨(dú)使用3D 表面檢測(cè)設(shè)備，可自動(dòng)檢出70%左右缺陷；聯(lián)合使用3D 表面檢測(cè)和漏磁設(shè)備，可自動(dòng)檢出90%左右缺陷。

表2 漏磁設(shè)備與3D 表面檢測(cè)設(shè)備報(bào)傷準(zhǔn)確性對(duì)比

結(jié)合表1～2 可以看到，3D 表面檢測(cè)設(shè)備是現(xiàn)有漏磁設(shè)備的有益補(bǔ)充，漏磁與3D 表面檢測(cè)設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn)；漏磁單獨(dú)報(bào)傷的缺陷大部分為折疊、內(nèi)傷等（圖2a），而該類(lèi)傷表面平整，凹陷很小，因此無(wú)法滿(mǎn)足3D 表面檢測(cè)的深度與面積閾值，故3D表面檢測(cè)設(shè)備對(duì)于此類(lèi)平整折疊、發(fā)紋都無(wú)能為力；但是如果折疊部分翻開(kāi)，翻開(kāi)部分若達(dá)到深度與面積閾值，3D 表面檢測(cè)設(shè)備就可以檢測(cè)（圖2b）。

圖2 折疊傷及報(bào)傷情況

漏磁未報(bào)傷但是3D 表面檢測(cè)設(shè)備單獨(dú)報(bào)傷的缺陷主要有三類(lèi)：管頭尾報(bào)傷（圖3a），寬深比較小的傷（圖3b）與斜向傷（圖3c）。

圖3 漏磁未報(bào)但3D 表面檢測(cè)報(bào)傷的傷

3 三維表面檢測(cè)設(shè)備常見(jiàn)誤報(bào)分析

從表2 中可以看到，目前3D 表面檢測(cè)設(shè)備的主要誤報(bào)來(lái)源有以下幾種：①鏡頭臟污誤報(bào)4 支，占比0.4%；②鋼管頭尾抖動(dòng)誤報(bào)11 支，占比1%；③鋼管頭尾部毛刺13 支，占比1.2%；④鋼管管身臟污誤報(bào)9 支，占比0.9%；⑤鋼管附著水滴誤報(bào)7 支，占比0.7%。

3D 表面檢測(cè)設(shè)備由于是光學(xué)檢測(cè)設(shè)備，在日常維護(hù)中需要每天清潔3D 傳感器的光學(xué)窗口和2D 相機(jī)的保護(hù)鏡，尤其是底部的相機(jī)，特別容易積灰。雖然設(shè)備本身自帶定時(shí)吹氣清潔裝置，但是為了保障設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還是要求操作人員每天清潔一次，否則容易出現(xiàn)相機(jī)臟污帶來(lái)的誤報(bào)。

由于光學(xué)檢測(cè)都有景深范圍的概念，為了保障在線(xiàn)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，設(shè)備的檢測(cè)范圍依據(jù)不同鋼管規(guī)格進(jìn)行了細(xì)致優(yōu)化，對(duì)于鋼管的抖動(dòng)允許范圍一般控制在±20 mm 左右，但實(shí)際鋼管在頭尾部分由于只有單邊夾送輥的加持，有時(shí)候還是會(huì)抖出檢測(cè)范圍，此時(shí)也容易出現(xiàn)抖動(dòng)誤報(bào)。

3D 表面檢測(cè)設(shè)備的管頭尾檢測(cè)盲區(qū)是用戶(hù)自行設(shè)定的，如果盲區(qū)設(shè)定過(guò)小，有時(shí)候會(huì)檢測(cè)到管端的鋸切不良，這類(lèi)缺陷在實(shí)際生產(chǎn)中可以不用檢測(cè)，因?yàn)楹罄m(xù)的管加工流程會(huì)把這部分加工掉。

如果3D 表面檢測(cè)設(shè)備安裝在超聲波設(shè)備附近，超聲波檢測(cè)需要給管身噴淋耦合水，水滴附著在鋼管表面會(huì)帶來(lái)誤報(bào)，這類(lèi)誤報(bào)設(shè)備會(huì)通過(guò)2D圖片進(jìn)行二次判斷來(lái)排除，但不能100%的過(guò)濾，還會(huì)有一定比例過(guò)濾不掉[16]。

鋼管本身還可能黏附成片的臟污或者矯直不良留下成片的氧化鐵皮，此時(shí)鋼管表面輪廓出現(xiàn)整體偏差，檢測(cè)的基準(zhǔn)面存在較大波動(dòng)，易出現(xiàn)誤報(bào)。

通過(guò)兩年多的使用，3D 表面檢測(cè)設(shè)備在鋼管檢測(cè)中被證明能有效防止大傷漏報(bào)，是現(xiàn)有超聲波、漏磁與渦流等無(wú)損探傷設(shè)備的有益補(bǔ)充。但是該設(shè)備與現(xiàn)有探傷不同，采用的光學(xué)檢測(cè)方法，因此要想用好該設(shè)備，減少誤報(bào)，還需要做好相應(yīng)的日常維護(hù)。具體經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：①每天清潔設(shè)備底部相機(jī)鏡頭，防止鏡頭落灰造成誤報(bào)；②定期檢修輥道、夾送輥，防止管頭管尾抖動(dòng)過(guò)大超出檢測(cè)范圍，造成誤報(bào)；③修磨管采用集中復(fù)探，避免修磨處報(bào)警與正常報(bào)警混淆；④針對(duì)厚壁管，由于欠充滿(mǎn)與氧化鐵皮較多，需要增大檢測(cè)閾值，否則容易引起誤報(bào)；⑤針對(duì)鐓粗管需要設(shè)定更大檢測(cè)范圍，否則容易漏報(bào)頭尾鐓粗處缺陷；⑥對(duì)于連續(xù)過(guò)管的情況，需要增加管縫檢測(cè)算法，此時(shí)管尾盲區(qū)會(huì)受到管長(zhǎng)的干擾。

4 結(jié) 語(yǔ)

總結(jié)了近兩年3D 表面檢測(cè)設(shè)備使用經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比其與漏磁設(shè)備檢測(cè)效果，可以清晰看到3D表面檢測(cè)設(shè)備達(dá)到了防止大傷漏報(bào)的目的，同時(shí)還是現(xiàn)有漏磁、超聲波與渦流等無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的有益補(bǔ)充。對(duì)于3D 表面檢測(cè)設(shè)備的誤報(bào)，只要做好日常光學(xué)窗口清潔，輥道與壓輥的定期維護(hù)，誤報(bào)率可以有效控制在5%以?xún)?nèi)。