鋼管厚度及分層自動超聲檢測工藝和校準方法研究

摘 要：鋼管厚度及分層超聲檢測系統中，檢測工藝和校準方法對檢測精度有較大影響。該文首先探討探頭晶片尺寸對分層檢測的影響，選取小尺寸探頭晶片進行鋼管分層的識別；針對鋼管超聲自動化測厚工藝，采用鋼管螺旋前進以及超聲探頭陣列掃查的方式，保證全覆蓋的管體厚度和分層檢測；設計一種檢測水箱帶動探頭主動氣浮跟蹤的裝置，提高探頭對中精度和檢測穩定性。最后提出一種基于最小二乘法的超聲測厚儀器校準方法，通過斜率修正鋼管的溫度、材質等因數對聲速的影響，通過截距修正系統誤差，壁厚測量誤差在0.1 mm以內；實驗進一步驗證校準方法的可靠性。

關鍵詞：測厚工藝；分層檢測；晶片尺寸；最小二乘法；校準方法

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2017）03-0001-04

Abstract： With regard to steel pipe thickness measurement and ultrasonic lamination detection system， detection technology and calibration method have a great impact on the detection accuracy. The paper discussed the impact of the probe wafer size to lamination detection firstly， and selected probe wafer of small sizes to detect the steel pipe lamination. With regard to the automatic ultrasonic steel pipe thickness measurement technology， spiral forward of steel pipe and array scanning of proper wafer were adopted to fully cover pipe for thickness and lamination detection. A device whose detection tank drives the probe for floating tracking was designed to improve the centering precision and stability of probe. Finally， an ultrasonic instrument calibration method based on least squares method was presented. By correcting the impact of steel pipe temperature and materials and other factors on acoustic velocity through slope and correcting system error through intercept， the pipe thickness error was controlled within 0.1 mm. The test has further validated the reliability of the calibration method.

Keywords： thickness measurement process； lamination detection； wafer size； least square method； calibration method

0 引 言

工業生產中厚度的測量是檢測的重要指標，API標準規定對N80Q以上鋼級需進行厚度檢測，產品規范等級PSL3的鋼管要求以100%覆蓋率自動測厚[1]。國外的TUBOSCOPE公司、DAPCO公司以及GE公司等均已成功研制較成熟的鋼管全長壁厚測量裝置，但進口設備存在不符合國內鋼管廠生產現狀的現象，如鋼管彎曲度較大容易損壞設備[2]。國內現有的超聲測厚系統主要采用探頭旋轉，鋼管直線前進的方式，然而由于機械加工精度、高品質電容或碳刷以及抗干擾技術等問題[3]，難以達到檢測穩定性和可靠性要求。對于鋼管分層缺陷，一般使用鋼管超聲自動化測厚設備進行檢測。超聲波遇到分層會產生反射，測厚探頭接收到回波信號，在超聲儀上顯示厚度值t，當厚度變化Δt超過設定值時，可以判定鋼管內壁出現分層。

本文首先探討探頭晶片尺寸對分層檢測的影響，同時為提高鋼管超聲測厚的精度和穩定性，采用鋼管螺旋前進、探頭主動跟蹤的運動工藝，超聲探頭陣列分布[4]，實施高速測厚。最后，提出一種基于最小二乘法的超聲測厚儀器校準方法[5]，實驗證實校準方法的有效性。

1 探頭晶片尺寸對分層缺陷信號的影響

根據GB 20490——2006《承壓無縫和焊接（埋弧焊除外）鋼管分層的超聲檢測》質量等級和記錄界限[6]，其最小記錄缺陷面積為165 mm2，鋼管厚度及分層超聲檢測系統中，不同的超聲探頭晶片的尺寸對分層缺陷的檢測精度不同。為探究壓電晶片尺寸的大小對分層檢測的影響，在壁厚t=10.5 mm樣管內壁加工出尺寸12.5 mm×12.5 mm、深1.2 mm的分層缺陷，分別選取晶片大小為？準6 mm，8 mm×4 mm，8 mm×8 mm和8 mm×15 mm的超聲探頭，編號分別為1、2、3、4，對鋼管進行測厚實驗，水中聲程為25 mm，如圖1所示。

實驗中，探頭位于分層正下方，分別將探頭從無分層處沿鋼管軸向逐漸移動到分層處，再逐漸移出，利用CTS-5021型號超聲儀器觀察回波信號變化。圖2（a）為探頭1（？準6 mm晶片）位于分層缺陷正下方時的回波信號，回波信號波形較窄，回波變化明顯，探頭2（8 mm×4 mm晶片）和探頭3（8 mm×8 mm晶片）的試驗回波信號與探頭1相似；而圖2（b）中探頭4（8 mm×15 mm晶片）回波信號較寬，峰值較小，測厚值存在較大誤差，在動態測量中測厚值波動劇烈，易形成誤判。

實驗發現，當晶片中心正對分層邊緣位置時，超聲回波幅值降低，波形展寬，同時測量厚度存在較大誤差。以探頭3（8 mm×8 mm晶片）為例，圖3為晶片中心位置正對分層邊緣時的回波信號。

由此可以判斷，當分層缺陷沿鋼管軸向長度小于探頭聲場長度一半時，分層缺陷信號幅值會降低，波形較寬，嚴重時會形成漏檢，因此分層缺陷沿鋼管軸向的長度δ至少應為探頭晶片長度l的一半，即：

為得到較好的分層檢測信號，同時保證探頭的聲束始終能掃到分層缺陷，探頭聲場不少于一半的長度在分層缺陷范圍內，否則檢測結果的精度和重復性較差。

2 鋼管超聲自動分層測厚工藝

2.1 陣列超聲探頭

在超聲厚度及分層自動化檢測系統中，為保證鋼管全覆蓋檢測，將超聲探頭均勻陣列布置。由于本系統采用鋼管螺旋前進方式，因此采用兩組超聲探頭沿鋼管軸向根據螺距p互補布置，假設選用8通道超聲測厚儀，如圖4所示，探頭1、2、3、4為第1組，探頭5、6、7、8為第2組。假設單個探頭晶片長度為l，探頭間距為a，探頭晶片間距為b，則：

a=l+b（2）

為使第2組探頭對第1組探頭間隙實現互補，則有兩組探頭間距為

L′=n·p-3.5l-2.5b（3）

式中n為正整數（根據實際結構確定）。

由式（1）可知分層缺陷沿鋼管軸向的長度δ至少應為探頭晶片長度l的一半，因此為保證探頭良好的重復檢測效果，每組陣列探頭之間間距b與分層缺陷檢測精度間的關系式為

b≤δ（4）

由上述探頭晶片尺寸對分層缺陷信號影響的實驗結論可知，為保證測厚系統檢測分層的效果良好，應選擇較小的探頭晶片。同時，為增大單個探頭覆蓋面積，從而增大螺距以及提高自動測厚的檢測速度、減少超聲儀器的通道數，晶片面積不宜過小，因此本系統中選擇8 mm×8 mm晶片，可實現鋼管測厚和分層的全覆蓋檢測，提高檢測的精度和重復性。

2.2 檢測主機結構

鋼管厚度及分層超聲檢測系統采用鋼管螺旋前進、探頭主動跟蹤的工藝[7]。當鋼管軸線與傳輸對輥輪成一定夾角時，鋼管沿傳輸輥道螺旋前進，由于鋼管本身具有直線度和圓度誤差，且鋼管傳輸輥道存在安裝誤差，所以鋼管螺旋前進過程中存在擺動和跳動，導致鋼管軸線相對測厚探頭中心軸線偏移，嚴重影響測厚信號的穩定性和測厚精度[8]。

本文設計了一種檢測水箱帶動探頭主動氣浮跟蹤鋼管的檢測主機機構，如圖5所示。超聲測厚探頭陣列布置在跟蹤水箱中，壓緊機構在水箱正上方，可壓緊鋼管以降低跳動幅度。跟蹤水箱與直線導軌連接，在氣缸的推動下斜向上下運動。當待檢鋼管螺旋前進經過跟蹤水箱和壓緊機構時，跟蹤水箱氣缸工作，推動跟蹤水箱貼緊鋼管下母線，同時壓緊機構氣缸動作，壓緊鋼管，實現了跟蹤水箱中超聲探頭主動氣浮跟蹤鋼管下母線，提高了鋼管測厚和探分層檢測的穩定性，同時該探頭主動氣浮跟蹤機構可適應多種不同直管徑規格鋼管。

3 鋼管超聲自動測厚校準方法

通過超聲波測厚原理可以發現，鋼管超聲波檢測設備、鋼管的材質、溫度、壁厚以及鋼管表面銹蝕等都會對測厚系統精度產生一定的影響，也會對分層缺陷的識別產生干擾，所以測厚儀器的校準至關重要[9]。

3.1 測厚儀器校準方法

多數超聲波測厚儀器未配置自動校準功能，只能通過已知壁厚的標準樣塊測量實際聲速，改變聲速的設置實現測厚校準[10]，此方法操作簡單，容易實現。然而由于生產鋼管規格品種繁多，壁厚相差較大時，測量誤差也較大；同時頻繁更換規格時，此法也多有不便。

為此，本文提出一種基于最小二乘法的超聲測厚儀器校準方法，通過最小化誤差的平方和尋找數據的最佳線性函數匹配[11]，即通過對階梯厚度標準樣塊進行測厚。

階梯標準樣塊厚度基本涵蓋生產的所有壁厚規格，厚度分別為d1、d2、d3、d4、d5，將測厚探頭放置在涂有耦合劑的樣塊上，合理調整閘門和增益，可以分別得到5個厚度值對應的回波峰值時間差值，對應每一個壁厚值，經過10次測量，求得對應的回波峰值差值時間的平均值t1、t2、t3、t4、t5，壁厚聲時曲線。

將實際測得的階梯樣塊的5個厚度值d1、d2、d3、d4、d5和對應的回波峰值時間差t1、t2、t3、t4、t5，代入最小二乘即線性回歸方程式（5）和式（6）中：

通過式（5）和式（6）可以得到階梯樣板厚度值得線性回歸方程：d=KCt+m，其中斜率K為聲速C的修正因子，斜率一般在0.49～0.51之間較為合理。同時截距m可修正測厚過程中的系統誤差，包括時間測量精度、表面銹蝕等造成的誤差，提高測厚精度。

3.2 實驗驗證

實驗中采用標準階梯樣板，材質為Q235A，超聲測厚探頭直徑為 6 mm，在常溫下分別測試階梯樣板5個標稱厚度值d，得到回波峰值時間差t，如表1所示。

實驗測得數據代入式（5）和式（6）中得到，校準后的線性回歸方程為

d=2.932 8t+0.157 7（7）

對超聲儀器使用經過最小二乘法得到的線性回歸方程（7）進行校準，實驗中分別對5個已知不同壁厚的鋼管進行測厚，對比校準前的超聲儀器測量壁厚值d1，如表2所示，d2是校準后經過線性回歸方程計算得到的厚度值。

由表可發現，超聲儀器校準前，部分壁厚測量值與實際壁厚值誤差超過0.1 mm，這是由于聲速、鋼管表面質量等因素變化造成，而超聲儀器校準后，可減小這些因素造成的測量誤差，測量值與實際厚度值誤差明顯減小，測量值與實際厚度值誤差均不超過0.1 mm，提高了超聲測厚精度。

4 結束語

1）探討了探頭晶片尺寸對分層超聲檢測的影響，闡明了小尺寸探頭晶片有利于鋼管分層的識別；分層缺陷沿鋼管軸向尺寸不小于探頭晶片長度的一半能實現穩定可靠的檢測。

2）針對鋼管厚度和分層超聲檢測工藝，鋼管螺旋前進時采用合適的超聲探頭陣列方式，保證了管體全覆蓋掃查；檢測水箱帶動探頭主動氣浮跟蹤，提高了探頭對中精度和檢測穩定性。

3）提出一種基于最小二乘法的超聲測厚儀器校準方法，采用最小二乘法擬合直線，通過斜率修正鋼管的溫度、材質等因數對聲速的影響，通過截距修正系統誤差；校準后的超聲測厚精度有較大提高。

參考文獻

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（編輯：李妮）