中厚鋼板自動超聲波探傷系統技術及應用

張 衛

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司不銹熱軋廠，山西 太原 030003）

隨著工業技術的迅猛發展，社會生產生活水平的提高，客戶對鋼板內部質量的要求也越來越嚴格，使得中厚鋼板在各行各業有著廣泛的應用。超聲波探傷作為一種重要的無損檢測技術，是目前對中厚鋼板內部質量進行檢測判定的主要手段，它也是代表中厚鋼板廠技術裝備水平先進程度的重要標志之一。

超聲波探傷分為手動和自動探傷兩種。國內中厚鋼板廠多采用手動探傷方法，手動探傷具有投資低、使用靈活等優點，但手動探傷存在著探傷時間長、生產效率低、勞動強度大、占用生產場地多，易造成漏探和誤探、探傷速度慢等缺點，難以適應現代化工業大生產的要求。而自動探傷具有速度快、效率高、占用生產場地少等明顯優點，與手動探傷相比能提供更好的重復性和結果一致性，能完善檢測程序，減少隨機誤差和人為誤差的概率，實現復雜而全面的檢測，并能迅速完成數據處理。

目前太鋼中厚鋼板采用手動探傷方法，已不能完全滿足生產的發展和市場對產品質量的苛刻要求。經廣泛調研，結合太鋼中厚鋼板生產的實際情況，2009年下半年實施探傷設備改造，建設了一條中厚鋼板離線超聲波自動探傷線系統，以進一步提高產品質量和市場競爭能力。

1 中厚板自動超聲波探傷技術的發展狀況

國外自20世紀60年代末期便開始了自動超聲波探傷技術的研發，20世紀70年代中后期開始廣泛應用。1999年10月德國NUKEM公司為曼內斯曼鋼板廠設計制作了一套在線自動超聲波探傷系統，完全實現了鋼板的在線全自動探傷。目前，在國內外中厚板生產領域內已投入運行的自動超聲波探傷裝置中，應用最廣、數量最多的是以脈沖反射式為主的壓電式自動探傷裝置。2002年國內自寶鋼5 m厚板廠引進在線自動超聲波探傷裝置以來，近年來新建改造的中厚板廠紛紛仿效，濟鋼、重鋼、舞鋼、沙鋼等厚板廠都投資建設了在線自動超聲波探傷線。

2 太鋼中厚鋼板自動超聲波探傷線系統

太鋼中厚鋼板自動超聲波探傷系統涉及無損檢測、電子、計算機、機械、自動控制等技術。它具有效率高、準確率高、標準執行一致性好、占用生產場地小和自動判傷、自動缺陷定量分級、自動缺陷定位、實時測厚等明顯優點，能準確探明鋼板內部夾雜、分層、縮孔、孔洞、白點、氣泡、內裂、疏松等細小缺陷的位置、大小與形態。

2.1 系統布置簡介

圖1 探傷設備布置圖

2.2 探傷工作原理

超聲波在被檢測材料中傳播時，材料的聲學特性和內部組織的變化對超聲波的傳播產生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測了解材料性能和結構變化的技術稱為超聲檢測。

超聲檢測方法通常有穿透法、脈沖反射法、串列法等。運用超聲檢測的方法來檢測的儀器稱之為超聲波探傷儀。探傷儀發射出電脈沖，通過屏蔽傳輸線給探頭上的壓電晶片（換能器）兩個面上加電壓，當超聲波遇到不連續性時，即會產生反射，反射的超聲波使壓電晶片振動，繼而在壓電晶片兩端產生電壓。將電脈沖轉化為探傷儀屏幕上的波形，經過算法處理波形，就可以判定檢測結果。

2.3 系統工藝流程

鋼板上料完成后，鋼板靠緊輥道參考邊側的擋板，見圖2。

圖2 工藝流程平面布置圖

開始探傷，鋼板行走。鋼板依次經過高度限位裝置、預噴淋和刮板，鋼板到達導向輪位置時，導向輪工作，確定出鋼板參考邊的確切坐標作為調整內探工作位置的基準。內探1和內探2根據此基準橫向移動到相應位置，以保證內探1和內探2的最外側探頭盒能對齊鋼板參考邊和非參考邊。當鋼板到達編碼器1位置時，編碼器1機構啟動開始工作；當鋼板到達內探1和內探2工作位置后，控制系統根據鋼板寬度決定相應的探頭落下，開始內探；當鋼板頭部到達周邊探傷區后，鋼板停止，非參考邊探1首先執行頭探；頭探完成后，非參考邊探小車轉90°，非參考邊探小車和參考邊邊探小車準備就緒后，鋼板再次走行，非參考邊探小車和參考邊探小車同時執行兩側邊探傷。鋼板經過編碼器2位置時，編碼器2機構啟動開始工作；鋼板經過編碼器3位置時，編碼器3機構啟動開始工作；鋼板經過刮水和烘干位置時，裝置啟動開始工作；鋼板尾部到達周邊探區后，鋼板停止，非參考邊探小車執行尾部探傷；鋼板尾部依次經過預噴淋、刮板、導向輪、編碼器1、內探1、內探2、編碼器2、編碼器3刮水和烘干時，相應裝置停止工作，恢復原始位置；在鋼板尾部經過刮水和烘干區后，整塊鋼板探傷完成。

2.4 探傷系統組成

該系統由機械系統、電氣與自控系統、超聲電子儀器、探傷軟件、水系統、氣系統、ERP數據接口組成。

2.4.1 機械系統

機械系統是超聲波自動探傷系統的執行基礎，主要完成將超聲波探頭附著于鋼板上進行檢測的功能。主要構成是用于系統保護的高度限位裝置；用于鋼板表面清掃及預潤濕的預噴淋與刮板裝置；用于鋼板自動探傷起落單元的探傷裝置；用于鋼板X軸和Y軸定位，包括3個編碼器裝置和1個導向輪裝置的測長定位裝置；用于鋼板表面干燥的烘干吹掃裝置。通過對鋼板的預處理，使符合系統要求的鋼板通過探傷裝置，滿足超聲波自動檢測的要求。

如圖3所示，LPS刺激能顯著造成Caco-2細胞中MLCK 的轉錄水平升高(p＜0.05)。而辣木多肽能夠抑制模型細胞中MLCK的轉錄水平。與模型組相比，高濃度(100 μg/mL和150 μg/mL)的辣木多肽可顯著抑制MLCK的 mRNA轉錄水平(抑制率分別為 28.0%和31.3%)。肌球蛋白輕鏈激酶(MLCK)能夠通過促肌球蛋白輕鏈(MLC)的磷酸化使其參與肌動蛋白收縮，引發細胞骨架重排，破壞細胞TJ結構，最終造成細胞間通透性增高[21]。抑制腸上皮細胞中MLCK的過度活化，對于維持腸上皮細胞屏障和細胞間緊密連接的重要作用[22]。

2.4.2 電氣自控系統

電氣與自動控制系統采用西門子S7-300 PLC，負責接收和處理探傷系統的各種位檢開關和傳感器的輸入信號，根據探傷工藝流程的要求控制整個系統的執行機構，包括各類執行電機、電磁閥等，同時處理異常情況，為系統提供保護。其功能是控制設備的機械系統、水系統、控制輥道的速度和啟停，與超聲電子儀器進行通訊、手動控制設備、維護和診斷設備。探傷系統的電控網絡圖，見圖3。

圖3 探傷系統網絡結構圖

2.4.3 檢測系統

超聲波檢測系統的基本結構是數組陣列的超聲波探頭，從鋼板的上表面檢測鋼板。通過水作為耦合劑，使超聲波進入鋼板并能從鋼板中反射，此時探頭與鋼板無接觸靠近，實現無損檢測。探頭采用雙晶T/R直探頭，標稱頻率為5 MHz，有效掃查寬度為20 mm，內部探傷單元和周邊探傷單元可橫向移動定位，探頭模塊板體探傷30個，每個模塊4個探頭，周邊探傷兩個，每個模塊6個探頭，形成內部探傷探頭120個，邊部探傷探頭12個的多通道、全覆蓋探傷系統。

探頭安裝在探頭模塊中，探頭模塊靠氣缸推向鋼板，這種布置可使探頭與被測鋼板有較好的彈性接觸。探頭模塊有它自己獨立的帶有閥和過濾器的調節水裝置，并有由高耐腐蝕性、高耐磨的材料制成的靴子保護探頭。探頭模塊被安裝在內探小車的內探架上，一個內探架內共15組結構相同探頭模塊。探頭模塊通過螺栓固定在內探架上，可做豎直方向的運動，在非工作狀態抬起，工作狀態壓下，是探傷機核心部件之一。通過伺服電機的驅動內探小車可在龍門架上來回移動，通過鎖緊裝置，內探小車可以固定在任何位置，進行探傷。檢測位置由鋼板寬度及邊部位置的檢測來確定。

2.4.4 數據采集處理系統

此系統依據缺陷回波法原理，設計了數據采集和控制系統，系統設計采用了PXI總線與IP總線混合組網的方式，在實時性要求較高的部分（自動超聲探傷部分），采用了兼顧實時性和可靠性的PXI總線,數據采集處理部分采用了開放式的TCP/IP總線，見圖4。

圖4 探傷系統數據傳輸單線圖

數據采集與處理，由PXI探傷工作站的SYN機箱MFC卡產生系統同步時序信號，傳輸給各前置機箱，觸發各探傷模塊雙晶直探頭產生超聲波脈沖并接收回波信號；微弱的超聲回波信號經前置機箱進行前置放大，傳回PXI探傷工作站的AEC卡進行再放大、檢波、濾波、模數轉換及判傷等處理。處理信息通過交換機存入數據庫服務器，由數據庫與自動評估軟件進行處理，實現檢測數據的存儲與管理，檢測工藝的設定與修改，鋼板質量自動評估與系統報表的生成。

2.4.5 鋼板的自動評估系統

鋼板自動評估系統是中厚板無損檢測系統的專業自動評估軟件，可實現系統的基礎參數的構建和維護，檢測數據的存儲與管理，鋼板質量自動評估與系統報表的生成，用戶管理及權限管理。通過安裝在數據庫服務器上的鋼板自動評估系統，可以進行如下設置和功能實現：①人員班次設置：系統的操作人員和管理人員、探傷資格、班次的添加及相關信息維護。②儀器參數設置：設置超聲波探傷儀器的相關參數，包括基本參數、通道參數、機械電氣參數、所使用的超聲波探頭的參數及配置、參考的探傷試塊及探傷靈敏度的設置。③鋼板參數設置：設置鋼板的尺寸等規格參數和母板號等基本信息。④工藝參數設置：設置某種檢測工藝定制參數，如鋼板規格、探頭型號、對比試塊、檢測盲區、檢測通道號設置、波形相關參數等。⑤鋼板自動評估與統計報表：自動評估鋼板的質量檢測數據，統計和打印每張鋼板的檢測數據，每個班的班組統計報表、日報表，用戶還可以根據需要自定義報表。⑥系統管理：數據庫的備份和恢復，還可以為第三方用戶建立賬號，以便于第三方用戶查詢和瀏覽鋼板的出廠無損檢測情況。

2.4.6 耦合水系統

該系統包括預噴淋水系統和探頭耦合水系統。預噴淋水主要潤濕并清潔鋼板表面，耦合水起到超聲波耦合劑的作用，把有效地超聲波導入鋼板內部。水系統由循環水過濾、磁分離器、控制閥和泵組成，它為系統提高潔凈、無氣泡、不間斷的耦合水。

2.4.7 壓縮空氣系統

該系統包括烘干吹掃氣系統和氣缸工作氣系統，烘干吹掃氣主要吹去鋼板表面水膜，以便于烘干。氣缸工作氣系統主要為探頭起落機構提供動力，探頭隨鋼板表面凸凹不平情況而自動調整，從而保證探頭以一定壓力壓在鋼板表面。

2.4.8 ERP數據接口

探傷設備留對外數據接口，可與廠方的ERP/MIS系統進行數據的通訊，具備在線探傷信息查詢功能。主要交互數據包括:①鋼板的規格數據；②探傷工藝參數與探傷標準；③探傷結果與探傷報告。

3 現場調試及運行

太鋼中厚鋼板自動超聲波探傷系統于2009年下半年開始項目施工，年底安裝完畢開始調試，經2010年上半年試運行，現已基本達到設計要求，滿足鋼板自動探傷要求。

在調試運行過程中發現，鋼板表面應最大可能保持潔凈，不應存有影響探傷的金屬顆粒、銹蝕及油污等物質。對水、氣等公輔介質也要求保持潔凈，不應有懸濁顆粒存在，這些物質極易吸附在耐磨靴上，造成鋼板表面劃傷，耐磨靴應定期清理更換。另外，探傷鋼板應有良好板形，不平度小于30 mm/m。

4 結束語

太鋼中厚鋼板自動超聲波探傷系統能100%覆蓋鋼板表面，探頭能準確跟蹤鋼板并與鋼板表面良好耦合，減少漏探和誤探，功能強大的探傷軟件與自動評估系統，對鋼板質量的分析具有較好的實用價值。

自動超聲波探傷技術在中厚板生產上的應用和發展，實現了由手動操作到自動化的飛躍，從而進一步提高了探傷效率、產品質量，增強企業的市場競爭能力。