鉆桿焊縫自動超聲波探傷機的研制與應用

楊勇平，李 真，黃勝偉

（中國石油渤海裝備鉆井裝備公司，河北滄州 062658）

1 超聲波檢測原理及國內鉆桿行業的應用現狀

超聲波探傷作為無損檢測是在不損壞工件或原材料工作狀態的前提下，對被檢驗部件的表面和內部質量進行檢查的一種檢測手段。超聲波探傷是利用材料及其缺陷的聲學性能差異，對超聲波傳播波形反射情況和穿透時間的能量變化來檢驗材料內部缺陷的無損檢測方法。

（1）脈沖反射法在垂直探傷時用縱波，在斜射探傷時用橫波。脈沖反射法有縱波探傷和橫波探傷。在超聲波儀器示波屏上，以橫坐標代表聲波的傳播時間，以縱坐標表示回波信號幅度。對于同一均勻介質，脈沖波的傳播時間與聲程成正比。因此可由缺陷回波信號的出現判斷缺陷的存在；又可由回波信號出現的位置來確定缺陷距探測面的距離，實現缺陷定位；通過回波幅度來判斷缺陷的當量大小。

（2）鉆桿是鉆井時用于傳遞動力、輸送泥漿的主要工具，需要承受各種復雜交變的載荷，因此要求鉆桿具有良好的力學性能。目前國內鉆桿廠家多采用摩擦焊接的方式完成鉆具接頭與管體的對焊，通過磁粉探傷及超聲波探傷完成鉆桿焊縫的質量檢驗，其中超聲波探傷更是焊區內部焊接質量的重要檢測手段，對整個鉆桿的生產加工具有重要意義，需要通過100%超聲波探傷來檢驗焊接處內部是否存在夾雜物、裂紋等缺陷。目前國內鉆桿生產廠家大多采用人工進行超聲波探傷作業。手動檢測的缺點：一是由于人為移動探頭的力度和距離有誤差，可能造成檢測結果不一致，容易出現誤判和漏檢；二是生產效率較低，勞動強度大。因此，提高鉆桿焊縫超聲波探傷生產效率，降低操作人員勞動強度，成為自動超聲波探傷機研制要完成的主要目標。

2 研制原則和重點問題的處理

（1）整體設計為了和鉆桿自動化生產線相配合，故采用懸臂桁架吊裝結構，將探測裝置置于鉆桿焊縫上部。

（2）采用3 組電機，分別實現了在X 軸和Z 軸的上的運動，其中X 軸上的運動還分解為2 個功能：管端定位（即尋找檢測的起始點）和沿管軸線往復檢測運動的動力。

（3）根據實現功能的不同將整個設備分為：機架模塊；水平移動和升降模塊；管徑變化調節機構模塊；檢測機構模塊；檢測模塊。

（4）由于在檢測中圓管轉動所產生的徑向跳動，會使檢測機構產生擺動，這樣如果采用剛性機構就會使檢測的耦合部分脫開，造成檢測失真，因此必須在X-Y 平面內在一定的角度空間能夠自由運動，以保證結合面的耦合（圖1）。

（5）整體平衡中心匹配策略：由于檢測機構位于被吊裝的一個框體內，由于空間布置的原因，電機必須偏置，這樣就造成了框體的中心軸線和升降氣缸的軸線不同軸，因此必然要有X-Y軸向偏距的產生，使重心重合。

圖1 鉆桿焊縫自動探傷機構總體布置

3 機架模塊

為了保證整個設備在運行過程中的安全性和可靠性，即在自身重量足夠輕的情況下，具有足夠高的剛度，減小運行過程中由于載荷的變化所引起變形導致檢測的不準確性發生，為此設計中采用了桁架結構，整體的機架為“T”字造型，減小了對立柱的彎矩。

4 水平移動和升降模塊

（1）設計目標。①保證探測裝置能夠自由進入和退出檢測空間；②保證每次檢測切入檢測空間的初始檢測位置統一。

（2）設計方案。根據檢測的工藝安排，被檢測管是自動流入檢測所在平面X-Z 內的，因此只在該平面內設計運動。通過電機帶動絲杠，使滑塊在鋼管軸線的平行線方向的軌道上運行，整個的檢測機構、升降機構和調整機構都懸掛在該組滑塊上。

負責升降的是一個長行程帶導向的柱形氣缸，該氣缸下端用鉸連接和檢測機構相連，便于檢測機構可以在X-Z 平面內有一定的擺動，為了使擺動在去除外力后能迅速恢復，在鉸接兩端加了2 個恢復彈簧（圖2）。

圖2 升降氣缸的鉸接結構和恢復彈簧裝置

（3）運動流程。當一個新的循環開始時，電機運行，驅使檢測機構進入檢測空間，當負責定位的光電傳感器感知管端信號時，電機停止運行；升降氣缸輸出，整個檢測機構一起下降，接觸管壁氣缸同時輸出到終點，檢測開始。完成檢測1 根管后，沿前面的逆路徑退出。

5 管徑變化調節機構模塊

（1）設計目標。使該檢測裝置能夠適應不同直徑管體的工況檢測。

（2）設計方案。為了不使該調節機構的出現對每次的檢測循環的升降產生影響，特將該機構加到升降氣缸的上層，即處于電機和升降氣缸中間的位置，也采用伺服電機+絲杠導軌滑塊裝置。升降氣缸安裝在滑塊上，隨其上下運動（圖3）。一批管只需調節一次參數即可。

圖3 管徑變化調節裝置

（3）運動流程。通過觸摸屏輸入的參數來調節伺服電機的正反轉帶動絲杠，使滑塊帶動檢測和升降機構上下運動，最后調節到新的管徑位置。然后不再更改，直至管徑再次發生變化。

6 檢測機構模塊

6.1 設計目標

為了保證超聲波探頭在每次耦合時，不會產生強烈的機械沖擊，必須有兩對剛性連接的支撐；為了保證檢測的準確性必須保證兩對剛性支撐和檢測耦合面所在的圓同心；為了保證橫紋和縱紋都能被檢測到以及檢測的可靠性，探頭要往復一次，即探頭單邊到頭后要抬起然后旋轉180°，然后下降進行逆向檢測。

6.2 設計方案

為了實現在滾動著的鋼管上達到剛性支撐，必須安裝滾動軸承14（圖4）。

圖4 檢測機構

（1）當檢測管徑是均勻但支撐軸承所騎管徑不同時，通過調節旋鈕帶動螺桿旋轉，螺桿頂端有一個錐齒輪，該齒輪通過與其嚙合成90°的另外一個錐齒輪，將動力變成垂直運動，將固定2 個軸承的小框體升或降，實現上下調整。當管徑變化時，為了使檢測機構穩定，支撐軸承的間距跨度就要適當的通過手柄12 帶動正反螺紋13 進行調整。同心的調整以中間檢測處為基礎。

（2）檢測機構的往復運動采用的依然是伺服電機+絲杠、直線導軌等機構實現的。通過以一塊豎直支撐板將帶法蘭直線軸承和絲杠螺母連接在一起，一個帶導向的扁氣缸固定在該板上，作為探頭單邊到位抬起換向180°折返的支撐機構，與換向抬起氣缸相連的是1 個180°旋轉氣缸，用于探頭的轉向。旋轉氣缸下面有1 個花鍵連接的軸，軸外有彈簧，這樣能有效壓緊耦合面又能使遇到沖擊時有緩沖作用。

6.3 運動流程

當升降氣缸輸出到終點，軸承與鋼管接觸并產生相對滾動時，并有耦合液時，抬起氣缸縮回，探頭與鉆桿管體耦合，伺服電機旋轉，抬起氣缸、旋轉氣缸和探頭隨之一起運動。當到達檢測終點時，抬起氣缸輸出，當其終點磁性開關亮時，旋轉氣缸輸出，180°完成后抬起氣缸縮回，當退回起點磁性開關亮時，伺服電機輸出，探頭往回運動，到達起點時，升降氣缸退回到起點。

7 檢測模塊

檢測模塊不作為此次設計的重點，將超聲波探傷儀的探頭安裝在探頭套中，然后安置在檢測機構模塊內，耦合劑的選擇考慮到黏度、流動性、附著力、對工件表面無腐蝕、成本低，選用普通的機油。在探頭處連接1 個耦合劑噴淋管，噴淋管內的機油采用自動噴淋，當探頭在檢測前的10 s 前機油開始噴淋，檢測結束后自動停止，耦合劑自動噴淋系統由油箱和吸油泵組成，實現機油自動噴淋和循環使用。

8 控制系統

本檢測系統采用以PLC 為控制系統的核心，采用觸摸屏作為人機交互的界面。采用RS485 串行通信協議作為PLC 和觸摸屏的通信紐帶。傳感器作為PLC 的輸入包括：磁性開關、接近開關、光電開關等，執行機構作為PLC 的輸出包括伺服電機和氣缸?？刂葡到y簡圖如圖5 所示。

在觸屏中設置了如下區域：

（1）系統參數設置區。在該區可以設置一些關鍵參數，如伺服電機的電機參數，延遲時間等

（2）系統運行區。在該區顯示當前正常運行的各執行元件和傳感器信號狀態，產品數等。

（3）單動調試區。用于安裝調試和更換元器件后的調試，一般為單個執行元件的強制運動，干涉運動應加入限制條件。

（4）報警瀏覽區。當設備故障發生時，能自動跳轉到該區，并顯示產生問題的部位及其可能的原因，在該區還能夠查詢每個關鍵設定部位的報警頻次。

圖5 控制原理

9 應用效果

經過1 年多的生產實踐，自動超聲波探傷機在使用中探傷過程穩定、可靠、高效，實現了自動化檢測，避免了人為因素引起的誤判和漏檢，提高了自動化程度和工作效率，降低了現場操作人員的勞動強度。