基于PC的水浸式全數(shù)字化多通道自動超聲波探傷系統(tǒng)

張 祺，文 廣，唐 銳，張敬東

（攀枝花學院，四川 攀枝花 617000）

基于PC的水浸式全數(shù)字化多通道自動超聲波探傷系統(tǒng)

張 祺，文 廣，唐 銳，張敬東

（攀枝花學院，四川 攀枝花 617000）

為檢測厚壁無縫鋼管中存在的缺陷，保證厚壁無縫鋼管的質(zhì)量,在分析厚壁無縫鋼管的超聲波探傷原理的基礎上,設計并開發(fā)一套基于PC微機的厚壁無縫鋼管水浸式全數(shù)字化多通道自動超聲波探傷系統(tǒng)。采用雙通道脈沖反射式縱波直探頭檢測厚壁管縱向、橫向內(nèi)外壁缺陷，掃描方式選取探頭固定鋼管螺旋前進的方式。現(xiàn)場實驗表明：系統(tǒng)能準確檢測出厚壁無縫鋼管中存在的缺陷，性能滿足設計要求。

超聲波探傷；厚壁管探傷；系統(tǒng)設計；數(shù)字化多通道

0 引言

等靜壓技術是等靜壓裝備及其應用的高新技術，可以徹底解決常規(guī)生產(chǎn)無法克服的缺點，賦予材料和制品優(yōu)異性能，是傳統(tǒng)粉末冶金壓制燒結工藝技術的實質(zhì)性突破，對于國防現(xiàn)代化建設和科技快速發(fā)展所需的高溫粉末合金、高強復合材料、新型工程陶瓷等高新技術材料的制造具有無可替代的獨特優(yōu)越性。

等靜壓機中高壓無縫鋼管是整個系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，因此對于無縫鋼管的質(zhì)量要求也就顯得尤為重要。為確保產(chǎn)品的安全性，國家有關部門要求生產(chǎn)企業(yè)必須按照產(chǎn)品標準開展無縫鋼管的生產(chǎn)檢測。目前對高溫或高壓下使用的無縫鋼管探傷檢測方式主要有渦流探傷和超聲波探傷。超聲波檢測具有被測對象范圍廣、檢測深度大、缺陷定位準確、檢測靈敏度高、成本低、操作性能好、速度快、對人體無害等優(yōu)點[1]。

等靜壓機所采用的無縫鋼管都屬于厚壁管，鋼管壁厚內(nèi)徑比值都大于0.2。厚壁鋼管探傷在國內(nèi)屬于鋼管超聲波探傷領域的難點，基于此本文開發(fā)了基于PC微機的水浸式全數(shù)字化多通道自動超聲波探傷系統(tǒng)。

1 厚壁管的超聲波探傷原理

厚壁鋼管的鋼管壁厚內(nèi)徑比值都大于0.2，使用純橫波的方法不能探到內(nèi)壁傷，本文采用折射縱波在外壁上的反射橫波進行探測厚壁管的內(nèi)壁傷[2]。

無縫鋼管超聲波檢測的目的是發(fā)現(xiàn)鋼管中存在的各種缺陷，避免這些缺陷帶來的安全隱患。一般來講，無縫鋼管中存在的缺陷大多數(shù)是與管材軸線平行（稱之為縱向缺陷），因此可以沿管材外圓的周向掃查橫波探傷為主。但同時在無縫鋼管中也可能存在與管材軸線垂直方向的缺陷（稱之為橫向缺陷或是周向缺陷），所以有必要同時沿軸線方向進行斜入射探傷[3]。沿管材外圓周向掃查的橫波探傷是無縫鋼管探傷的主要方式，為了減少管材中存在的波型，通常采用聲束的入射角選擇在第一臨界角到第二臨界角之間產(chǎn)生的純橫波進行檢測鋼管的缺陷，這樣可以使超聲波產(chǎn)生的A型回波波形清晰單一。聲波在兩種不同介質(zhì)之間的邊界上傳輸?shù)膸缀涡再|(zhì)與任何一種其他的波的傳輸性質(zhì)相同，即滿足斯涅耳定律[4]。但是聲波與電磁波的反射和折射現(xiàn)象之間有一點差別，區(qū)別在于當聲波沿傾斜角達到固體介質(zhì)的表面時，會改變其傳輸模式（波型轉(zhuǎn)換），如圖1所示。為了使鋼管中產(chǎn)生純橫波，入射角α應滿足：

式中：α——入射角；

β——鋼中縱波折射角；

CL水——水中縱波聲速；

CL鋼——管材中縱波聲速。

當折射角β=90°時，折射角度達到臨界值，此時此α值稱之為第一臨界值，是為了保證純橫波入射的最小角度。

圖1 折射橫波探測鋼管內(nèi)壁示意圖

管材探傷時，為了使折射橫波能探測到管材內(nèi)壁缺陷，橫波折射角應該滿足如下：

式中：t——鋼管的厚度；

D——鋼管的直徑。

探測內(nèi)壁缺陷的最佳條件是t/D＜0.2，這時鋼管里只有純橫波才能使聲束打到鋼管內(nèi)壁[5]。厚壁管外壁的缺陷可以利用鋼管內(nèi)的折射縱波進行探傷。其內(nèi)壁缺陷則無法使用橫波檢測，但可以利用波型轉(zhuǎn)換后的反射橫波進行鋼管內(nèi)壁的缺陷探傷，如圖2所示。

圖2 厚壁管縱向缺陷的超聲波檢測原理圖

無縫鋼管的水浸式純橫波檢測的最小入射角為14.5°[6]，如果入射角小于14.5°，超聲波在液鋼界面發(fā)生折射，折射后的波型既有橫波也有縱波，折射橫波無法打到鋼管的內(nèi)壁，只能在鋼管的外壁反射。而折射縱波打到外壁上時，超聲波就會在外壁上產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生反射橫波，反射橫波可以射到厚壁管的內(nèi)壁[7]。

圖3 厚壁管橫向缺陷的超聲波檢測原理圖

厚壁鋼管的周向缺陷（橫向缺陷）檢測，為了使聲波在缺陷處反射最大，聲波沿著鋼管的軸線方向傳播，探頭以一定角度斜射入鋼管，如見圖3所示。

2 系統(tǒng)總體設計

厚壁管水浸式超聲波自動探傷系統(tǒng)是由一個多通道超聲波探傷儀和機械傳動系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 厚壁無縫鋼管超聲波自動探傷系統(tǒng)示意圖

2.1 系統(tǒng)工作原理

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化探傷，采用水浸式探傷方法，用水作為耦合劑，探頭浸于水面，產(chǎn)生的超聲波經(jīng)過水鋼界面發(fā)生折射進入鋼管內(nèi)部，超聲波發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。掃查方式選用探頭固定，鋼管進行螺旋進給運動，這種運動方式可以減少機械傳動機構的數(shù)量。報警方式采用聲光報警，系統(tǒng)探測到缺陷立即發(fā)出報警聲音，并延時打點標記。打點標記系統(tǒng)采用氣壓式打點機構，可以在鋼管上進行噴標打點。

多通道探傷系統(tǒng)的基本原理是使用分時機制，在同步電路的控制下，多個通道的探頭進行分時輪流的工作，每個通道的回波信號在同步編程與多路開關控制下分時進入高速信號采集系統(tǒng)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，把模擬信號數(shù)字化，經(jīng)過濾波后數(shù)字信號與上位機通信；上位機對數(shù)字信號進行相位、幅度等特征的分析，根據(jù)設定的報警門限，將越過門限的回波數(shù)據(jù)暫存到緩存并產(chǎn)生報警信號，聲光報警系統(tǒng)收到信號后就會發(fā)出報警聲音，探傷軟件將回波數(shù)據(jù)與回波波形存儲到計算機硬盤，并在數(shù)據(jù)庫中添加缺陷記錄；工件探傷結束后系統(tǒng)就會自動生成一個探傷報告，從報告上可看出缺陷分布情況[8]。

2.2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)總體設計框架是基于PC平臺，四通道超聲波板卡PR401、超聲波時序控制濾波板卡TCF6401B及A/D數(shù)據(jù)采集卡通過ISA總線與上位機進行通信。探傷系統(tǒng)結構如圖5所示。

圖5 超聲自動檢測系統(tǒng)結構示意圖

西門子S200系列的PLC通過CP5611與上位機通信，上位機可以控制伺服電機與聲光報警的運行狀態(tài)，伺服電機帶動整個傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)鋼管的勻速螺旋前進，探頭可以實現(xiàn)全面動態(tài)掃描。

2.3 機械系統(tǒng)部分

探傷系統(tǒng)的機械部分主要由直流電機、水箱、滾道、探頭調(diào)節(jié)機構、機床底座、噴標打點機構、傳動系統(tǒng)等組成。根據(jù)系統(tǒng)的要求計算功率需求，選用230W直流減速電機，通過直流調(diào)速器來調(diào)節(jié)控制電機的轉(zhuǎn)速。水箱放置探傷的耦合劑——水，并安裝探頭支架，探頭的偏心距、入射角、水層厚度通過探頭調(diào)節(jié)機構調(diào)節(jié)。滾道一端固定在機床，另一端與地面連接，可分為上料滾道與下料滾道，主要功能是支撐無縫鋼管。直流電機安裝在機床底座，電機上方安裝儲水箱，通過水泵將儲水箱的水抽至工作工臺的水箱，提供探傷工作時用到的耦合劑。水箱安裝在伺服電機之上，目的是隔離電機的電磁干擾，此外，其他硬件方面上采用了接地、屏蔽、隔離、硬件濾波等一些措施。機械結構簡圖如圖6所示。

圖6 探傷機械系統(tǒng)的設計圖

2.4 探傷系統(tǒng)的軟件設計

圖7 φ20mm×6mm鋼管的內(nèi)壁縱向傷

圖8 φ20mm×6mm鋼管的外壁縱向傷

圖9 φ20mm×6mm鋼管的內(nèi)壁橫向傷

圖10 φ20mm×6mm鋼管的外壁橫向傷

軟件主要的功能模塊包括：回波采集及預處理模塊、缺陷診斷模塊、回波顯示模塊、PLC控制模塊、報表管理模塊、缺陷波管理模塊等[9]。

3 系統(tǒng)測試

為測試系統(tǒng)的性能，選用規(guī)格為φ20mm×6mm的樣管調(diào)試與探傷，偏心距為1.45mm，水層厚度為10mm，探頭焦距為20mm。通道1為縱向傷檢測通道,通道2為橫向傷檢測通道，φ20mm×6mm規(guī)格的無縫鋼管的縱向內(nèi)壁傷如圖7所示，缺陷回波高度為100%；縱向外壁傷如圖8所示，缺陷回波高度為86%；內(nèi)壁橫向傷如圖9所示。缺陷波回波高度為100%；外壁橫向傷如圖10所示，缺陷回波高度為92%。

由上面數(shù)據(jù)可得出，本文研究的水浸式厚壁無縫鋼管的超聲波探傷系統(tǒng)周向靈敏度差≤4 dB，信噪比≥8dB，系統(tǒng)穩(wěn)定性等滿足設計指標。

4 結束語

本文在分析厚壁無縫鋼管的超聲波探傷原理的基礎上，設計并開發(fā)了一套基于PC微機的厚壁無縫鋼管水浸式全數(shù)字化多通道自動超聲波探傷系統(tǒng)。

1）系統(tǒng)采用雙通道脈沖反射式縱波直探頭檢測厚壁管縱向、橫向內(nèi)外壁缺陷，掃描方式選取探頭固定鋼管螺旋前進的方式。

2）現(xiàn)場實驗表明，系統(tǒng)的通道預置、A掃描、回波顯示、探傷處理等功能測試滿足要求，系統(tǒng)的周向靈敏度差≤4 dB，信噪比≥8 dB，系統(tǒng)穩(wěn)定性等滿足設計指標。

[1]鄭熙，侯力，王裕林，等.厚壁無縫鋼管的超聲波檢測系統(tǒng)[J].機械設計與制造，2010（7）：90-92.

[2]李明，余慶彬.厚壁鋼管縱向缺陷的超聲波探傷[J].無損檢測，2008，30（10）：721-723.

[3]王仲生.無損檢測診斷現(xiàn)場實用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003：27-82.

[4]尹玲.棒材超聲波自動探傷系統(tǒng)的研制[D].重慶：重慶大學，2006：21-27.

[5]杜建華.基于超聲波管材壁厚連續(xù)測量系統(tǒng)的應用與研究[D].天津：天津河北工業(yè)大學，2007：9-20.

[6]高林，熊英鍵.厚壁石油鋼管超聲波探傷入射角的探討[J].無損檢測，2004，26（6）：315-317.

[7]鄭暉.超聲檢測[M].2版.北京：中國勞動社會保障出版社，2008：216-251.

[8]王少江.小徑厚壁鋼管超聲自動探傷系統(tǒng)的研制[D].成都：四川大學，2012：10-37.

[9]王裕林，侯力，鄭熙，等.基于VC超聲波探傷系統(tǒng)設計[J].煤礦機械，2010，31（1）：134-136.

PC-based water immersion all digital multi-channel automatic ultrasonic testing system

ZHANG Qi，WEN Guang，TANG Rui，ZHANG Jing-dong
（Panzhihua Univerisy，Panzhihua 617000，China）

In order to detect defects in thick-walled seamless steel pipes to insure the quality，this paper has developed PC-based microcomputer water immersion all digital multi-channel automatic ultrasonic testing system after studying the principle of ultrasonic flaw detection of the thick-walled seamless steel pipe.The system uses dual-channel pulse wave reflection straight probe to detect the inspection of longitudinal and transverse outer or inner wall defects，and the scanning mode uses the method that the probe is fixed and steel pipe is helical feed.The tests results show that the designed system can accurately detect defects existing in the thick-walled seamless steel pipe and the system performance meets the design requirements.

ultrasonic testing；thick-walled testing；system design；digital multi-channel

TB553；TG115.285；TE973.6；TM930.12

：A

：1674-5124（2014）05-0084-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.022

2013-10-14；

：2013-12-28

四川省教育廳重點項目（11ZA253）

張 祺（1986-），男，四川南充市人，助教，碩士，研究方向為機電一體化。