核電加氫大型回轉件自動化超聲波探傷系統*

邱雪松 劉佳啟，侯雨雷 曾達幸 周玉林 沈二強 姚建濤 趙永生

(①燕山大學機械工程學院，河北 秦皇島 066004;②中國第一重型機械集團公司，黑龍江 齊齊哈爾 161042)

近年來，我國核電、水電工業高速發展，所需壓力容器的體積和數量均與日俱增。在大型壓力容器生產中，面對日漸增加的市場需求，如仍以傳統的手工方式來進行缺陷檢測，不僅工人勞動強度大、檢測周期長，而且人為因素對檢測的結果影響較大［1］，這已經成為制約某些企業整個生產工藝鏈的瓶頸，嚴重影響生產進度和生產效率。因此，針對核電加氫大型件的自動化超聲波探傷技術與裝備對整個核電、水電工業的發展變得尤為重要。

核電加氫用大型回轉件是國家重大工程裝備的核心構件，規格外徑為3 000～6 000 mm，壁厚在200 mm左右，長度為1 330～5 400 mm，最大重量可達250 t(參見圖1)。國內重大裝備的制造企業，通常在其鍛壓和粗加工之后、精加工之前對工件的內外表面進行超聲波檢測。被檢測工件加工工藝為鐓粗、沖孔、擴孔，工件既有表面缺陷，又有內部缺陷，且內部缺陷的取向復雜，其中大部分缺陷的取向與軸線平行［2］，同時還可能存在內外壁徑向缺陷與內外壁橫向缺陷。根據核電產品超聲波探傷國家規程、標準和所檢測對象特點，典型探測工藝為外圓周縱波徑向直探頭檢測為主，周向或橫向橫波斜探頭檢測為輔。

國外研究和生產類似產品的公司主要有美國的泛美(PANAMETRICS)公司、加拿大的R/D TECH 公司，德國的K -K 公司等。德國Nukem Nutronik［3-4］公司研制的MAUS 超聲自動檢測系統(Mufti Aix Ultrasonic System)允許操作人員通過編程使超聲探頭能夠檢測復雜三維幾何輪廓的工件。美國PANAMETRIS 公司［5］研制的ARGUS 級高性能自動機械臂雙梁構架的超聲自動檢測系統，在任意軸的精度為±0.25 mm 的情況下，掃描速度超過750 mm/s。上述這些公司生產的超聲波檢測采集、分析和成像處理系統的技術水平較高，處于領先水平，但是有關超聲波自動檢測大型回轉類工件的國外設備價格昂貴，技術保密，使得售后服務問題難以得到及時有效的解決。國內少數大學和科研機構最近幾年相繼開展了超聲波自動檢測的研究，數字式超聲波檢測儀器的發展速度很快，但未見有針對上述大型核電加氫用大型回轉件的超聲波自動化探傷技術與裝備的研究報道。

本文針對中國第一重型機械集團公司目前迫切需要改變大型件依靠手工探傷的這一現狀的要求，依據核電產品超聲波探傷國家規程標準要求，給出核電加氫大型回轉件自動化超聲波探傷技術與裝備的總體研制方案，實現了各種規格工件探傷過程中探頭的自動定位、信號的自動采集和處理，自動化程度高，檢測結果可靠，能滿足大型工件的實時自動檢測要求。

1 自動探傷系統組成與工作原理

核電加氫大型回轉件自動化超聲波探傷系統主要包括機械支撐系統、超聲波系統、油耦合系統、控制系統、缺陷記錄與標示系統，屬于多系統融合與集成技術，系統的結構組成與原理如圖2 所示。

系統的硬件部分主要包括滾輪架結構、探頭夾持定位機構、超聲波探頭、壓力供油裝置(提供耦合劑)、工控機、示波器、編碼器等。軟件主要包括運動單元PLC 控制程序，信號的自動采集，缺陷信號的自動判別、報警、波形實時顯示，數據的存儲記錄和缺陷標記等各種功能。

現場檢測工作過程基本思想是:通過滾輪架驅動，使工件勻速滾轉，內、外探傷裝置探頭自適應定位并以一定壓力壓在工件的內、外表面，且沿著工件軸向方向勻速往復移動，實現工件內外表面同時進行探傷，在此運動規律下，探頭中心在工件表面所留檢測軌跡為雙螺旋線，并且設置使探頭在工件每旋轉一周后，回到與原始位置向前或向后相差一個步距(探頭直徑與重疊檢測區域寬度之和)的地方，直至探頭掃查軌跡覆蓋整個工件表面;由編碼器檢測工件旋轉角度和探頭軸向位置;供油系統為探頭和工件提供機油作為耦合劑;超聲波系統采集檢測信號，并通過軟件進行實時處理、保存和顯示;缺陷記錄標示系統通過軟件對采集到的缺陷信號進行位置標記，然后將標記區域進行人工復查，完成整個檢測過程。

2 機械支撐系統設計

機械支撐系統是系統構成的機械本體，是實現超聲波檢測的基本單元，主要由滾輪架、內外探傷單元構成，如圖3 所示。

2.1 滾輪架設計

滾輪架由交流異步電動機驅動，將運動傳遞給工件，通過變頻器控制交流電動機進行無級調速，使工件在探傷過程中保持勻速轉動。

為滿足所有規格工件(直徑范圍:3 000 ≤D ≤6 000 mm)均能順利探傷，將滾輪架上的一對托輥中心距d 設為可調的兩個檔位距離，以適應不同外徑的工件，如圖4 所示。為保證所有規格工件運轉的穩定性和良好的受力狀態，需保證托輥支撐點至工件軸線的夾角θ 介于60°與90°之間，根據待檢工件最大和最小外徑尺寸，設置當工件規格為3 000≤D≤4 200 mm 時，中心距d=2 600 mm;當工件規格為4 200 ＜D≤6 000 mm 時，中心距d=3 300 mm。此時，θ 角符合要求值。

同理，兩組滾輪架的軸向位置根據所有規格工件軸向長度設為無級可調。

2.2 內外探傷單元

為提高探傷效率，在工件軸向兩端分別設置兩內探傷單元和兩外探傷單元，參見圖5。工作時，將工件沿軸線方向分為兩段，由左右探傷單元同時進行檢測。

探傷單元主要由支撐梁(上設有移動導軌)、探頭夾持定位機構(以下簡稱為探頭架)、探頭等組成，探頭架由伺服電動機驅動，并通過PLC 控制器控制伺服電動機實現探頭的預期運動。左、右內探傷單元使用獨立的支撐梁，而左、右外探傷單元共用一支撐梁。

2.3 探頭架機構

探頭架是探傷設備中的關鍵部分，是保證采集信號質量的核心所在［6］。

所設計的探頭架結構由探頭裝置、快速裝夾裝置和自適應調節裝置3 部分組成，其基本原理是模擬手工探傷功能，不同之處在于人手僅能持單個探頭進行缺陷檢測，而為提高自動化探傷效率，一個探頭架可安裝3 個探頭，使其構成一組(中間為直探頭，兩側為斜探頭)，同時進行探傷。

為保證檢測質量和檢測結果可靠，國標要求連續工作探頭每兩小時之內必須校準一次，為此探頭需經常更換和校準，所以探頭的裝卡必須非常方便，并能保證安裝精度，因而，探頭架上設計了統一的快速裝卡結構，以便于探頭的更換和校準。

依據手工探傷標準，為獲得較高質量的超聲波信號，須保證探頭與工件表面壓力為20 N 左右。故在所設計的探頭架中，設置了壓力保持裝置，并且在壓力增大時能自動退讓而保證不損壞探頭。

此外，探頭架必須具有通用性，可以通過自動調節探頭與工件的相對位置，以適應不同直徑工件的內外表面探傷。

2.3.1 探頭裝置

探頭裝置沿支架一定位截面(橫截面)和沿支架二定位截面(縱截面)結構圖如圖6 所示，將探頭固定在裝卡內殼中，內殼可沿外殼上的導向槽上下移動，內殼體外側底部安裝有小型壓力傳感器，預壓力可通過調整螺釘調整，外殼體與支架一通過回轉軸一連接在一起，支架一與支架二通過回轉軸二進行連接，回轉軸一和回轉軸二構成十字軸轉動副，這能保證探頭面始終與工件表面相切。

在動態檢測中，為了減少探頭與工件之間的磨損量，要保證探頭與工件之間保持有0.5～1.0 mm 的間隙［7］，在探頭裝置下端設置4 個仿形點，工作過程中使仿形點與工件直接接觸，探頭與工件之間的間隙由耦合劑填充。

2.3.2 自適應調整裝置

面對表面圓周弧率不同的工件，為保證探頭架的通用性和探頭架上的3 個探頭始終與工件表面相切，探頭架采用自適應調整裝置，如圖7 所示。在調整裝置中，中間探頭支撐架是基準，與探頭架外部裝置固定在一起，外側探頭支撐架對稱分布在中間探頭支撐架兩側，與擺角調節機構固定連接在一起。擺角調節機構由兩個對稱的曲柄滑塊機構所組成，兩曲柄滑塊機構共用一個機架和一個滑塊，由于結構尺寸相同，通過調節滑塊位置，就可以實現相同的曲柄擺角，即探頭面法線擺角。

自適應裝置還具有提供壓力以及在超出給定壓力時發生退讓的功能。參見圖7，通過調節伸縮桿上的限位螺母可以調節探頭沿伸縮桿軸線方向的初始位置，通過壓力調整螺母的壓縮或放松彈簧，來改變探頭壓在工件表面的壓力，探頭壓力由探頭裝置中的壓力傳感器測出。

2.3.3 調節參數

根據目前所有規格工件尺寸，可確定出擺角調節機構的擺角范圍，最終通過調整滑塊的行程y 來保證探頭架上3 個探頭的準確位置。

以工件外探傷狀態為例，以中心探頭桿左側端點為原點，中心探頭所在直線為x 軸，垂直方向為y 軸，建立坐標系如圖8 所示。

建立由滑塊、機架和曲柄所組成的平面曲柄滑塊機構方程如下:

可確定出A 點坐標(x，y):

A 點坐標應滿足工件的外圓方程，有:

由上述方程可得滑塊行程y 與工件半徑R 關系:

式中

L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7分別為探頭架自適應調節機構的各桿長;θ 為曲柄擺角。

根據式(6)可以看出，滑塊行程y 是工件半徑R的單變量函數，所以，對于不同直徑的工件，只需要根據式(6)調節不同的y 值，便可實現三探頭同時與工件表面相切。

3 油耦合系統設計

在超聲波探傷設備中，要想得到高質量的探傷信號，其耦合劑的供給非常重要。根據超聲波的性質，如果探頭與工件耦合困難，超聲波的反射率高，大量的超聲波能量無法進入工件，探頭采集不到理想信號，也就無法對缺陷進行準確識別。本探傷設備中使用機油作為耦合劑，整個油耦合系統由油箱、過濾器、油泵、閥、輸油管線以及回油收集箱等部件組成。整個供油系統負責耦合劑機油的供應以及油的回收，油量可調，可循環利用。

4 控制系統設計

整套自動化探傷系統共用4 臺伺服電動機和2 臺交流電動機，其中伺服電動機用于驅動探頭架的軸向運動，交流電動機用于驅動工件的回轉運動。

4.1 系統控制原理

整套自動化探傷系統設備屬于多軸運動控制系統，采用PLC 作為運動控制器的控制方案，以實現將預定目標轉換為期望的機械運動，準確實現位置控制、速度控制［8］。本系統主要由旋轉運動控制單元、直線伺服驅動單元、數據通訊單元、安全保護單元、狀態監測及指示單元等組成，其控制原理框圖如圖9 所示。

4.2 系統控制過程

自動化探傷系統控制系統實施方案如圖10 所示。

具體控制過程如下:

(1)系統啟動后，進入觸摸屏人機交互界面，在工件尺寸輸入界面輸入工件實際尺寸(高度、直徑和壁厚)。

(2)根據輸入的工件尺寸，由系統運動算法自動確定出工件和探頭的運動速度以及完成整個探傷過程探頭需要往復運動的周期數、每周期的步進量等，并將這些信息生成運動指令，輸送給PLC 控制器。

(3)采用點動方式，實現探頭架及探頭的初始定位，調整好探頭的位置和初始壓力。

(4)啟動滾輪架的驅動電動機，通過控制器單元調速系統使工件達到設定速度。

(5)當工件運行平穩并通過設置的軸向起始位置磁開關時，觸發啟動探頭架伺服電動機，使其按照加速-勻速-減速的運動規律完成單個行程運動。

(6)開始反行程運動，其運動規律與正行程運動相同。

(7)檢測過程中，超聲波系統若發現缺陷，探傷儀將報警，并把報警信號作為觸發信號，開始記錄下此時工件旋轉角度和探頭軸向運動位置(由編碼器測得)，并保存以供后續復查使用。

(8)當探頭運動到指定周期數目后，控制探頭和滾輪架運動停止，完成整個探傷工作。

5 缺陷記錄與標示系統設計

在探傷過程中，既要求設備能及時地發現缺陷，還需要準確地把缺陷位置確定下來，目前缺陷位置的標記已有專門的噴標系統，只需探傷設備告知其坐標位置即可。

本探傷系統中，工件是繞自身軸線勻速轉動，其轉角可以通過壓在其上的增量型編碼器記錄，而且工件每旋轉一周，當編碼器通過一固定于工件上的物理初始點時，編碼器將重新記錄轉角，防止出現累計誤差。探頭沿工件軸向方向的位移通過伺服電動機上自帶位置檢測器進行記錄，有了轉角和軸向位移，即可通過柱坐標來記錄探頭在工件表面任意一點位置，當發現缺陷時，觸發探傷設備控制系統，記錄下缺陷位置并保存，當整個工件探傷完畢后，使用噴標系統，根據記錄下來的坐標位置，在工件表面噴上對應的標記。

6 結語

(1)本文針對目前核電加氫大型回轉件的超聲波探傷亟需提高效率和準確度，從傳統的手工探傷過渡到自動化探傷的實際需求，提出一套核電加氫大型回轉件自動化超聲波探傷系統，為大型回轉件實現自動化探傷提供了理論依據和實現方法。

(2)本文所提出的大型回轉件自動化超聲波探傷系統中的機械支撐系統能夠實現各種規格工件的定位和探頭裝置的自適應定位，油耦合系統、電氣與控制系統和缺陷記錄與標示系統可以實現探傷信號的采集、缺陷識別與分析、報警和記錄等功能，完全能夠滿足大型回轉件探傷的自動化、智能化需求。

(3)核電加氫大型回轉件自動化超聲波探傷系統技術的提出與應用，填補了我國核電加氫大型件自動化超聲波探傷的技術空白，可為今后類似系統的開發研究提供參考。

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