上跟蹤式大直徑鋼管（φ800mm）超聲波探傷設備的研發(fā)

張倫兆，袁 琪，高東林，唐海波，陳 泉，吳海燕，吳洋林

（北京有色金屬研究總院，北京 100088）

隨著我國管材制造業(yè)的發(fā)展，無縫鋼管正朝向大直徑的方向發(fā)展，我國正在由鋼管生產(chǎn)大國向鋼管生產(chǎn)強國邁進。超聲波無損檢測作為一種成熟的技術(shù)已經(jīng)得到廣大生產(chǎn)廠家和用戶的信賴，然而，傳統(tǒng)的手工探傷很難滿足工業(yè)的批量化生產(chǎn)，研制配套的自動化探傷設備勢在必行。在此前提下，研制了一套上跟蹤式局部水浸法超聲波探傷設備，該設備可用于檢測φ300～800mm的鋼管，實際探傷得到了良好的效果。

1 上跟蹤式水浸法探傷原理

工業(yè)上常用的超聲波檢測方法有接觸法和水浸法。水浸法與接觸法相比具有受探傷人員主觀影響小、可實現(xiàn)自動化、耦合介質(zhì)成本低、無污染等優(yōu)點，被廣泛應用在生產(chǎn)自動探傷中，但其在大直徑鋼管探傷中的應用還屬于起步階段。

水浸法探傷以水作為耦合劑，按照探頭、水和被檢測工件的相對位置大致可分為全水浸法（圖1（a）所示）和局部水浸法（圖1（b）所示）。全水浸法就是將被檢測工件和探頭同時放在水中進行探傷；局部水浸法是將探頭和被檢測工件部分浸在水中，使探頭與被檢測工件之間充滿水實現(xiàn)探傷。

圖1 水浸法探傷示意圖

圖2 上跟蹤式超聲波探傷

該套設備采用上跟蹤式局部水浸的方法，將探頭放置在被探傷鋼管的上方，如圖2所示。在探傷的過程中，鋼管螺旋前進，探頭跟蹤裝置固定不動，探頭在鋼管表面形成螺旋掃描線，實現(xiàn)對鋼管的探傷。

探傷原理如圖3所示。設備采用超聲橫波探傷法，聲波從水到鋼管中發(fā)生折射，折射時縱波全反射，只有折射橫波。根據(jù)斯奈爾定律（如下式（1）），通過調(diào)整探頭在水中發(fā)射的入射角α，計算出鋼中的折射角β。根據(jù)超聲波的傳播路線，確定出鋼中橫波是否可檢測到鋼管的內(nèi)外壁。為保證鋼中產(chǎn)生純橫波，水中入射角α取值范圍控制在14.5°＜α＜27°：

式中α為探頭在水中的入射角；β為鋼中的折射角；cL水為水中縱波聲速；cS鋼為鋼中橫波聲速。

圖3 探傷原理

在探頭設計上，采用多通道組合式探頭，為彌補超聲波在傳輸過程中的聲速擴散和能量衰減，探頭設計為線聚焦式，探頭頻率采用2～5MHz。

超聲波探傷儀選擇16通道，重復頻率2kHz，可實現(xiàn)自動記錄和存儲，每通道都有4個單獨報警閘門并且可以分別控制報警。

2 設備研發(fā)的技術(shù)難點

（1）難點一 上跟蹤式局部水浸法相對全水浸法，在探傷的動態(tài)過程中保持水層的穩(wěn)定性至關(guān)重要。水層不穩(wěn)就會在水中產(chǎn)生氣泡、漩渦的現(xiàn)象，同時會在儀器上產(chǎn)生干擾波，使系統(tǒng)產(chǎn)生誤判結(jié)果。

解決方案：由于探頭和鋼管在探傷的過程中是相對運動的，水將會沿著鋼管表面流出，流量的大小直接影響水層的穩(wěn)定，也就是如能將水的流失速度控制在一定范圍之內(nèi)，就會得到一個穩(wěn)定的水層。該套設備采用水靴法增大與鋼管的接觸面積，減小水流失的速度，維持水層穩(wěn)定。通過實際應用取得了滿意的效果，如圖4所示。

圖4 水靴

（2）難點二 由于被探鋼管存在橢圓度和直線度，在鋼管旋轉(zhuǎn)行走的過程中會產(chǎn)生不規(guī)律的跳動和擺動，如果探頭保持不動，將會導致水聲層和探頭入射角的變化，嚴重影響探傷的準確度。

解決方案：實現(xiàn)探頭的隨動，即始終讓探頭隨著鋼管的跳動和擺動而作緊貼運動，但相對鋼管軸線位置又保持對中。該套設備采用水靴加彈簧跟蹤的方法，如圖2所示。水靴的下弧面半徑與被測鋼管相同，消除了水靴與鋼管間隙對跟蹤的影響，彈簧采用四組八個彈簧，通過彈簧作用，水靴可以實現(xiàn)上下、左右、前后各個方向隨鋼管運動并且始終緊貼在鋼管上，探頭與水靴在探傷的過程中保持相對不變的位置，最終實現(xiàn)探頭對鋼管的跟蹤。

（3）難點三 被探鋼管直徑大、重量重，要實現(xiàn)鋼管平穩(wěn)傳動，而且隨時正傳、反轉(zhuǎn)、停止，不僅對傳動輥道的強度有要求，對產(chǎn)生動力的電機控制也有較高的要求。

解決方案：在加大輥輪強度的同時盡量減輕整個傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，在電機的制動方面采取機械制動和能耗制動相結(jié)合的方法。保證了輥道對大規(guī)格鋼管的支撐和傳動，又降低了由于慣性大對輥道運動狀態(tài)控制的難度。

3 探傷設備的機械結(jié)構(gòu)

該套設備的結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由上料部分、傳輸部分、探傷主機和下料部分組成。

圖5 超聲波探傷設備示意圖

上料部分保證在一根鋼管探傷結(jié)束后將下一根傳到輥道上，傳輸部分帶動鋼管按要求平穩(wěn)通過探傷主機。傳輸部分具有螺距可調(diào)和旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)的功能。超聲波探傷主機是整套設備的核心，它主要實現(xiàn)手工探傷中人手拿探頭的功能，決定了超聲信號的采集和傳輸?shù)某晒εc否。下料部分起到對鋼管收集的作用。

4 探傷設備的控制系統(tǒng)

該套設備以PLC作為控制的核心，以安裝WinCC軟件的上位機作為人機交換界面，實現(xiàn)對整套設備的自動化控制，如圖6所示。上位機與PLC通過MPI電纜連接，采用MPI協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，方便操作人員對現(xiàn)場設備的監(jiān)控和參數(shù)的設置，如發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象實時報警，嚴重情況可自動判斷并采取保護措施。

圖6 控制系統(tǒng)示意圖

5 實際應用的效果

該套設備采取多通道組合式探頭，配備多通道超聲波探傷儀器，對鋼管進行螺旋式掃查，提高了探傷速度，在實際的性能檢測中，滿足了 YB／T 4082—2000對鋼管超聲波自動探傷系統(tǒng)的要求。

圖7是對鋼管樣管探傷的實際波形圖（帶有頭尾信號）。圖中1，2通道對鋼管的外傷進行檢查，3，4通道對鋼管的內(nèi)傷進行檢測，并能實現(xiàn)每個通道單獨報警，信噪比達到8dB以上，滿足實際探傷需求。

圖7 鋼管樣管波形圖

6 結(jié)論

該套設備可實現(xiàn)對大直徑鋼管自動化超聲波探傷，在現(xiàn)場使用的過程中具有檢測速度快，抗干擾能力強，檢測結(jié)果準確等優(yōu)點。其探傷原理可擴展到其它材料管材及棒材的超聲波探傷中。