自動化超聲波探傷設備的管理和維護技術應用與研究

鄭 云

(成都良辰科技有限公司，四川 成都 610011)

在現代工業中，無縫鋼管大量應用于石油、化工、汽車、船舶、建筑、地質勘探、核能以及軍工等行業，范圍寬、涉及面廣[1-3]。隨著我國各個領域現代化科學技術的發展，鋼管被應用于十分苛刻的工作環境條件下，其長期服役于高溫、高壓、高速負荷以及復雜外力或腐蝕性氣體、液體的惡劣環境，對鋼管的質量可靠性與壽命提出了更高的要求。因而，鋼管制造企業所面臨的愈來愈大的高質量要求壓力促使其對先進的質量檢測與控制技術進行進一步研究[4-5]。

無損檢測作為保障鋼管質量可靠性的關鍵技術之一，被廣泛應用于鋼管質量缺陷的檢測。其中超聲檢測作為一種重要的無損檢測技術，其具有穿透能力強、設備簡單、使用條件和安全性好、檢測范圍廣等根本性的優點[6]。超聲檢測利用超聲波的透射和反射進行檢測，超聲波可以穿透無線電波、光波無法穿過的物體，同時又能在兩種特性阻抗不同的物質交界面上反射，當物體內部存在不均勻性時，會使超聲波衰減改變，對于各種材質均勻材料的表面及內部裂紋缺陷比較敏感[7]。由于其輸出信號是以波形的方式體現，使得當前飛速發展的計算機信號處理、模式識別和人工智能等高新技術能被方便地應用于檢測過程，提高檢測的精確度和可靠性。因此，超聲檢測被廣泛應用于機械制造、冶金、電力、石油、化工和國防等工業部門，成為保證產品質量、確保設備安全運行的一種重要手段。

本文主要從機械部件對探傷信號的影響，電源對信號的影響，通道信號傳輸回路的影響三個部分來探討英國URP超聲波檢測設備的探傷信號管理與維護技術。通過多年的通道信號的處理與維護經驗的總結，對檢測設備的維護提出切實可行的用于指導工程應用的建議。對于保證該設備的信號穩定，保證產品的質量，提高設備的維修技術水平具有重要意義。

1 機械部件對探傷信號的影響

英國URP旋轉頭超聲波檢測設備，采用了“靜液力軸承”技術，不僅可以提供高負載能力，而且它可很容易地將大量的水通過軸承傳送給超聲探頭塊上。此外，探傷結構單元獨特的探臂提升技術，決定了該設備的隨動性好，保證了探傷的角度[8]。該探傷設備主要由夾送輥系統和主機系統組成如圖1所示。

圖1 英國URP旋轉頭超聲波檢測設備

探傷主機在夾送輥中間，當鋼管通過夾送輥時，由光電開關控制上輥壓下，保證鋼管與主機同心，并且穩定地通過主機；鋼管頭進入主機并達到設定長度后，探臂落下，夾住鋼管開始探傷。探臂組件如圖2所示，探臂最前端是短水柱，短水柱上安裝有2個小水箱，探頭安裝小水箱上面。短水柱通過2個固定銷將其固定在探頭框上，短水柱與固定銷可以有一個軸向5度的相對運動，以便于探索傷。最后探頭框再通過T型軸，連接到探臂上，進而組成完整的探傷主機。

圖2 URP檢測設備探臂組件

探傷時短水柱下方的耐磨靴與鋼管表面接觸，圍繞鋼管做圓周運動。探傷信號的好壞，跟探頭框和短水柱有很大的關系。鋼管表面的氧化鐵由于耐磨靴的摩擦作用而產生大量的氧化鐵粉末，一方面這些粉末常常堆積在探頭表面和小水箱的內壁，形成厚厚的污染層，造成探傷信號的損失。另一方面氧化鐵粉末也會造成各活動部位卡死，造成探頭框或短水柱難以運動，限制檢測范圍[9]。短水柱采用鋁合金型材制造，導致與探頭框固定軸的連接處很容易被磨損，造成耐磨靴與鋼管表面由過盈配合轉變為間隙配合。進而使得短水柱會在水壓的作用力下，沿鋼管表面上下波動，造成探傷信號丟失。

探臂組件是每周檢修與維護重點，尤其是氧化鐵粉，由于其對探傷信號的影響很大，因此要對活動部位清洗干凈。由于安裝銅套的位置均為鋁合金，容易與銅套發生相對運動，當發生相對運動而沒有及時更換銅套時，各鋁合金磨損很快，造成主件報廢。探臂組件的定時檢修，就是為了保證短水柱和探頭框的隨動性。探臂組件的機械性能與探傷信號的靈敏度和信噪比有密切的聯系，是保證探傷信號的基礎。因此，探臂組件的維護，是產品質量的核心保證。

主機的核心—旋轉頭裝置安裝在主軸上，主軸采用靜液力的水磨軸承。主軸軸承座固定在機箱內，主機機箱安裝于升降平臺上，此平臺可以升降和橫移。與滾動軸承比，盡管水磨軸承結構更為復雜、成本更高，但它們具有以下優勢：

(1)滑動摩擦力小，在任何操作速度或負荷下，無金屬和金屬間的接觸；

(2)由于采用水作為液力介質，與探傷耦合介質一樣，保證了介質源的唯一性；

(3)水作為介質的靜液力軸承，對環境無污染，并且可以帶走運動過程中產生的熱量。

由于靜液力軸承具有承受重負荷而幾乎無磨損的特點，有效提高了軸承的使用壽命。但由于其旋轉頭采用靜液力軸承，軸承間隙小于0.25 mm，對水質的要求較高。一旦水中雜質含量超標，就會造成靜液力軸承卡死，無法運轉。多次卡阻后，會造成定子磨損，軸承間隙增大，定子磨損后的表面如圖3所示。

圖3 定子表面被腐蝕和刮傷

水磨軸承定子磨損，使得間隙增大，不僅會造成轉子的運動偏心，還會促使轉子發生軸向串動，造成定子前端止推軸承磨損。轉子的斯羅爾環磨損、漏水嚴重，對探傷信號的影響非常大。當軸承間隙大于0.5 mm后，設備性能完全不能滿足探傷要求，已經無法探傷。由于該設備對介質水的要求很高，一般選用飲用的自來水，一次性使用后會產生大量的廢水，難以滿足環保要求。若采用循環水，因水中雜質逐漸增多，會造成水磨軸承卡死，多次維修后造成漏水嚴重而無法使用。一種可行的辦法是：通過增加一套水過濾處理系統、初沉淀系統、石英砂三級過濾與反滲透處理系統，使循環水達到使用要求。將循環水儲存在不銹鋼儲水箱里，同時在儲水箱保留自來水補充裝置，當循環水不足時，用自來水補充，以滿足水磨軸潤滑要求。

2 電源對信號的影響

URP旋轉頭超聲波檢測設備最早采用380伏的三相四線制，儀器柜采用UPS電源來供電，以防止探傷信號被干擾。為了研究接地線對探傷信號的干擾的量化效果，設計了一個信號檢測試驗。試驗結果如表1所示，對變頻器控制的主電機，取消其機殼接地線后，發現鋼管在通過1、2號夾送輥進入探傷機時，探傷信號不受干擾，信噪比高。當鋼管被3號夾送輥壓住時，雜波是原來的5倍以上，信噪比低。當主電機機殼接地線后，雜波完全消失，探傷信號的信噪比高。重復試驗10次，現象相同。該試驗證明了機殼接地后，能夠有效減小對檢測信號的干擾。

表1 接地線(P線)對探傷信號的干擾試驗結果

3 通道信號傳輸回路的影響

URP旋轉頭超聲波檢測設備的探頭采用水浸線聚焦形式，頻率為4MHz。縱向探頭的大小為8 mm×15 mm, 橫向探頭的大小為8 mm×18 mm[10]。當機械部件性能滿足要求后，大部分探傷的通道信號都會很好。由于各探頭的性能不一，除個別信號很差的通道需要單獨調整外，其余的只需要調整參數就可以滿足生產要求。然而，對于單通道的調整在整個生產階段是最費時也是最困難的，下面就以一號臂的1號、2號、3號及4號縱向探頭為例，基于排除法來說明整個通道信號的處理過程。

每個探臂上4個縱向探頭為一組且共用一根地線，4個橫向探頭一組，也同樣共用一根地線。探頭通過探頭線連接到旋轉面板C5插座，C5插座的另一端連接到滑環的連接桿，再通過碳刷架上的碳刷與滑環接觸，碳刷固定在碳刷架的尼龍板上，保證各通道之間的絕緣，如圖4所示。

圖4 探臂信號回路示意圖

下面分五種情況討論傳輸回路不同狀況造成通道信號丟失的內在原因以及維護措施，以期促進URP旋轉頭超聲波檢測設備在實際工程上的高效應用提供參考。

情況一：若4個通道都沒有探傷信號。原因在于信號線與接地線短路，導致探傷信號丟失。在工作過程中，碳刷被磨掉的碳粉經常堆積在碳刷之間和滑環之間的縫隙里，造成滑環之間或碳刷之間相互短路。首先，取下碳刷架，用萬用數字表檢測碳刷之間是否短路。若短路，需要清除碳刷之間的碳粉，恢復兩者間通路；其次，檢測滑環之間的絕緣，在檢測滑環時，要拔掉旋轉面板上的探頭線。此外，與接地線相鄰的兩個通道最容易發生短路現象，所以在相關位置需要經常清理碳粉。

情況二：4個通道中，只要有1個通道有信號。對于這種情況，需要采用替換法來明確原因。假設1號通道信號正常，其余3個通道沒有探傷信號。在旋轉面板互換探頭線，把2號通道探頭線插到1號C5插座上，把1號探頭線插到2號C5的位置。此時，若1號通道信號依然正常，2號無反應，表明2號正常工作。恢復初始插線位置。互換1、2號信號線，若1號通道信號消失，說明2號通道的面板插座到碳刷架之間存在問題，進一步用萬用表檢測碳刷到碳刷架出口與旋轉面板C5到滑環的線路；反之，若1號通道信號正常，則2號正常。恢復初始接線。互換儀器柜1、2號通道線，若1號通道正常，則2號信號處理板或發射板存在問題。這時需要將1號2號通道信號處理板互換，還要變更硬件地址。

情況三：圖4圖5探臂信號回路示意圖所示為探傷過程中的A掃描界面。由于在A掃界面可以單獨調整每一個通道參數，因此對于以下兩種相對的情況，需要借助A掃來進行輔助檢測。

(1)若探頭性能太好，信噪比高，通道的增益降為零，但探傷信號還是很高，雖然很干凈，但無法探傷，容易產生誤報，這種情況需要將發射模塊降低觸發電壓，同時觀看A掃描界面，直到傷波滿足要求；

(2)若探頭增益不斷增加，但傷波幾乎沒有變化，信噪比降低，雜波隨著增益的增加不斷增大，這時需要增加觸發電壓，降低通道增益。

圖5 A掃描界面

情況四：當URP探傷設備在使用時間變長后，A掃描件在校樣時出現嚴重卡阻，校樣波形出現偏差，造成設備無法正常工作，但探傷界面波形卻顯示正常。原因在于DP105板卡的驅動程序故障，導致計算機無法識別該硬件顯示系統，需要重新安裝或更新該硬件的驅動程序。

情況五：在探傷過程中，各通道的信噪比越來越差，即使重新校樣，信噪比仍然無好轉。此時，需要讓設備停止工作，關掉儀器柜電源并打開柜門降低溫度。讓探傷儀器停止工作10分鐘(RC電路放電)，然后重新啟動主機。

4 結語

本文圍繞URP檢測設備的管理與維護技術，分析了不同情況下，URP設備可能出現的問題及其處理措施。歸納、總結了機械部件、電源及通道信號對檢測信號信噪比的影響，以期對無縫鋼管質量檢測設備的維護提供參考。

隨著無縫鋼管廣泛應用于石油、地質、化工、建筑等各行業，其質量好壞直接關系到各工程的質量。無損檢測作為檢測無縫鋼管質量的重要手段，需要有效掌握其測量原理與維護技術。其中，設備的維護是發揮無損檢測性能的基礎，設備好、維護好，無縫鋼管質量才有保障。