WT-4500 型超聲波鋼板自動(dòng)探傷系統(tǒng)*

陶愛蓮， 汪 超， 馮 雪， 魏克同， 王 俊

（1. 中國石油渤海裝備江蘇鋼管有限公司， 南京210061；2. 南京鋼鐵股份有限公司， 南京 210061；3. 武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份有限公司， 武漢430070）

0 前 言

WT－4500 型超聲波鋼板自動(dòng)探傷設(shè)備， 是根據(jù)石油輸送管行業(yè)質(zhì)量檢驗(yàn)需求開發(fā)的較成熟產(chǎn)品， 能滿足石油管行業(yè)超聲波檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，適用于連續(xù)不斷地檢測鋼管管體、 鋼板分層以及鋼板板邊非分層的缺陷[1-3]。 該探傷系統(tǒng)可依照ASTM A435 或等效標(biāo)準(zhǔn)選擇掃查方式[4-6]， 且探傷準(zhǔn)確度高， 檢測速度快， 最高探傷速度可達(dá)30 m/min， 誤報(bào)率低， 板端盲區(qū)≤15 mm。 南京巨龍鋼管有限公司現(xiàn)用的WT－4500 型超聲波探傷設(shè)備， 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上結(jié)合了現(xiàn)有直縫焊管生產(chǎn)線的布局， 最大限度利用現(xiàn)有設(shè)施、 場地等條件， 且總體設(shè)計(jì)方案及性能指標(biāo)均符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求， 設(shè)備結(jié)構(gòu)合理、 性能安全可靠且操作方便。

1 探頭布置

WT－4500 型超聲波鋼板自動(dòng)探傷設(shè)備可全方位檢驗(yàn)鋼板寬度為1 500～4 500 mm， 鋼板厚度為8.0～60.0 mm， 鋼板名義長度為8 000～12 500 mm （不包括引熄弧板長度）。 WT－4500型探傷設(shè)備探頭總體布局如圖1 所示。 探傷系統(tǒng)共232 個(gè)通道 （包括2 個(gè)備用通道）， 其中邊探2 組， 每組5 個(gè)通道， 共10 個(gè)通道， 滿足鋼板兩側(cè)邊各100 mm 范圍內(nèi)100%縱波探傷且至少15%的重疊； 中部196 組縱波探頭， 每組1 個(gè)通道， 進(jìn)行鋼板中部分層探傷， 保障鋼板中部縱波探傷覆蓋率達(dá)100%[7-8]， 并至少15%的重疊； 邊部12 組斜探頭， 每組斜探頭由雙晶片組成， 每個(gè)晶片反向發(fā)射和接收， 互不干擾， 共24 個(gè)通道， 每邊由6 組斜探頭 （12 個(gè)通道） 對(duì)板邊非分層橫向和縱向進(jìn)行檢測， 對(duì)兩邊各50 mm 范圍100%橫波探傷。

圖1 WT-4500 型探傷設(shè)備探頭總體布局

2 結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

WT－4500 型超聲波鋼板自動(dòng)探傷設(shè)備的機(jī)械掃查機(jī)構(gòu)為龍門結(jié)構(gòu)， 鋼板通過輸送輥道時(shí)進(jìn)行探傷， 實(shí)現(xiàn)了物料輸送和檢驗(yàn)過程的全自動(dòng)化， 并跟蹤鋼板邊緣， 對(duì)鋼板邊緣和中間部位進(jìn)行超聲波探傷。 在檢測過程中， 檢測設(shè)備能實(shí)時(shí)顯示整個(gè)鋼板的C 掃描圖并實(shí)時(shí)報(bào)警， 然后擠除鋼板表面積水， 風(fēng)干處理并噴涂標(biāo)記， 輸出記錄、 檢測報(bào)告等[7-8]。

2.1 主要機(jī)械結(jié)構(gòu)

該鋼板自動(dòng)探傷設(shè)備主體由前后龍門橫梁、立柱與升降機(jī)構(gòu)、 左右邊探探頭小車機(jī)構(gòu)、 中間陣列探頭架、 預(yù)濕機(jī)構(gòu)、 擠水機(jī)構(gòu)、 噴標(biāo)機(jī)構(gòu)等組成。 探傷設(shè)備的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 探傷設(shè)備的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.1 橫梁立柱與升降機(jī)構(gòu)

前后橫梁采用矩形梁， 通過橫梁兩側(cè)2 條直線導(dǎo)軌和中部的齒條， 通過伺服驅(qū)動(dòng)移動(dòng)邊探小車和中間探頭陣列， 能精確控制邊探小車和中間探頭陣列機(jī)構(gòu)移動(dòng)到鋼板對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行探傷。 探傷設(shè)備為龍門架構(gòu)， 其中橫梁通過升降機(jī)沿立柱側(cè)面直線導(dǎo)軌上下移動(dòng)， 以調(diào)節(jié)探頭的上下位置， 便于安裝更換和調(diào)試等， 上下調(diào)節(jié)范圍根據(jù)使用情況和現(xiàn)場設(shè)備布局進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1.2 主機(jī)升降架機(jī)構(gòu)

主機(jī)升降架機(jī)構(gòu)主要包括頂部橫梁走臺(tái)和升降機(jī)構(gòu)， 橫梁上鋪設(shè)格柵板， 在立柱的一側(cè)安裝帶護(hù)籠的直護(hù)梯， 便于安裝和維護(hù)升降機(jī)和電機(jī)， 同時(shí)也保障操作和維修人員的安全。立柱兩側(cè)升降機(jī)通過減速機(jī)和聯(lián)軸器連接， 保證兩側(cè)升降機(jī)能保持同步升降， 為橫梁的起落提供動(dòng)力。

2.1.3 邊探機(jī)構(gòu)和探頭小車機(jī)構(gòu)

在前橫梁的直線導(dǎo)軌兩端各有一臺(tái)伺服電機(jī)， 通過齒輪齒條驅(qū)動(dòng)探頭小車在橫梁上移動(dòng)。 當(dāng)邊緣跟蹤啟動(dòng)時(shí)， 小車向邊緣行走， 直到探傷小車傳感器檢測到鋼板邊緣， 邊探氣缸動(dòng)作， 探臂和探頭落下。

邊探機(jī)構(gòu)采用氣控水閥控制探頭供水， 當(dāng)電磁閥通電、 氣缸向下伸出時(shí)， 與氣缸氣管連接的氣控水閥打開， 氣控水閥通過探頭架水路提供持續(xù)探傷耦合水， 探頭開始探傷。

探頭小車機(jī)構(gòu)采用氣缸和彈簧組合實(shí)現(xiàn)升降， 當(dāng)探傷開始時(shí)， 電磁閥打開， 控制氣缸伸出， 彈簧被拉伸； 當(dāng)電磁閥關(guān)閉， 氣缸在彈簧力作用下縮回， 邊探機(jī)構(gòu)縮回， 可以實(shí)現(xiàn)氣壓不足時(shí)主動(dòng)保護(hù)探頭的作用。 邊探機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 邊探機(jī)構(gòu)示意圖

2.1.4 中部探頭陣列機(jī)構(gòu)

設(shè)備主體中部探頭陣列夾持分別安裝在前橫梁和后橫梁的一側(cè)， 前橫梁有24 組、 后橫梁有25 組， 共49 組以滿足不同規(guī)格鋼板寬度的要求， 探頭夾持架采用不銹鋼和耐磨條制作[9-10]。 通過移動(dòng)橫梁一側(cè)直線導(dǎo)軌中間的齒輪齒條來驅(qū)動(dòng)探頭陣列， 中部探頭陣列機(jī)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 中部探頭陣列機(jī)構(gòu)示意圖

2.1.5 中間探頭陣列升降機(jī)構(gòu)

陣列升降機(jī)構(gòu)采用探頭一體式集成夾持在探頭架上， 就探頭與鋼板而言， 探頭具有3 個(gè)空間自由度和3 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。 探頭夾持可上下起落， 當(dāng)探頭架落下后， 因探頭架各旋轉(zhuǎn)軸可偏轉(zhuǎn)一定的角度， 可以很好的控制探頭夾持， 使其能夠隨鋼板表面的起伏而隨動(dòng)， 同時(shí)利用自身的鎖緊力也能充分保證探頭夾持的可靠性及穩(wěn)定性。探頭機(jī)構(gòu)能自適應(yīng)調(diào)節(jié)探頭與鋼板的相對(duì)位置，確保探傷過程中有足夠的自由度來滿足鋼板凸起、 不平、 偏擺等各種狀態(tài)， 完全滿足探傷的需要[11-12]。 陣列升降機(jī)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 陣列升降機(jī)構(gòu)示意圖

2.1.6 預(yù)濕機(jī)構(gòu)

預(yù)濕機(jī)構(gòu)采用對(duì)鋼板先期預(yù)濕， 當(dāng)光電開關(guān)檢測到鋼板進(jìn)入預(yù)濕架端頭時(shí)， 自動(dòng)打開預(yù)濕管路水閥， 在鋼板表面均勻噴水。

在進(jìn)入預(yù)濕輥之前， 該機(jī)構(gòu)裝有一個(gè)編碼器， 當(dāng)鋼板與編碼器輪接觸， 編碼器開始實(shí)時(shí)記錄設(shè)備在鋼板上的移動(dòng)距離。 當(dāng)探傷發(fā)現(xiàn)鋼板缺陷時(shí)， 記錄缺陷位置， 當(dāng)記錄的缺陷到達(dá)噴標(biāo)器位置時(shí)， 噴標(biāo)器動(dòng)作， 在鋼板缺陷位置噴上標(biāo)記。 預(yù)濕機(jī)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 預(yù)濕機(jī)構(gòu)示意圖

2.1.7 擠水吹干機(jī)構(gòu)

在原有探傷工位后方增加的擠水吹干機(jī)構(gòu)如圖7 所示。 擠水吹干時(shí)， 先用壓輥將鋼板上的明水?dāng)D壓除去， 然后通過高壓空氣吹干鋼板。

圖7 擠水吹干機(jī)構(gòu)示意圖

2.1.8 測長機(jī)構(gòu)

測長機(jī)構(gòu)如圖8 所示。 測長機(jī)構(gòu)安裝在預(yù)濕噴淋機(jī)構(gòu)之后， 擠水吹干噴標(biāo)前， 可以獨(dú)立起落， 實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼板在探傷時(shí)的實(shí)際位置信息。

圖8 測長機(jī)構(gòu)示意圖

2.1.9 噴標(biāo)機(jī)構(gòu)

相對(duì)于很多超聲波自動(dòng)探傷設(shè)備噴標(biāo)定位時(shí)存在定位不準(zhǔn)、 鋼板積水不容易干、 噴點(diǎn)偏大等問題， WT－4500 超聲波鋼板自動(dòng)探傷設(shè)備設(shè)計(jì)了擠水吹干機(jī)構(gòu)， 對(duì)鋼板表面的水進(jìn)行清理， 同時(shí)引進(jìn)德國進(jìn)口的SIGNIER 一套噴標(biāo)機(jī)構(gòu)， 該噴標(biāo)系統(tǒng)配有專業(yè)防水漆和自動(dòng)防堵噴嘴， 可以調(diào)節(jié)壓力， 使得噴出去的顏料在鋼板上附著力增強(qiáng)， 效果清晰。 噴標(biāo)機(jī)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 噴標(biāo)機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 探傷設(shè)備軟件主要功能描述

WT－4500 型超聲波鋼板自動(dòng)探傷設(shè)備控制軟件系統(tǒng)儀器采用模塊化集成， 儀器電源模塊內(nèi)部包含一臺(tái)工業(yè)交換機(jī)， 儀器內(nèi)每個(gè)模塊均通過工業(yè)級(jí)網(wǎng)線相連， 工控機(jī)作為服務(wù)器， 為上層探傷軟件提供操作平臺(tái)， 與工業(yè)交換機(jī)互聯(lián)互通。控制軟件系統(tǒng)總體框圖如圖10 所示。

圖10 控制軟件系統(tǒng)總體框圖

2.2.1 探傷參數(shù)設(shè)置

探傷參數(shù)設(shè)置主要包括“檢測參數(shù)設(shè)置” 和“通道參數(shù)設(shè)置” 兩個(gè)子菜單選項(xiàng)[2-3]。

“檢測參數(shù)設(shè)置” 是用于設(shè)置探傷系統(tǒng)各種功能的窗口， 檢測參數(shù)設(shè)置界面如圖11 所示。

圖11 檢測參數(shù)設(shè)置界面

“通道參數(shù)設(shè)置” 主要由基本參數(shù)區(qū)與高級(jí)區(qū)組成， 點(diǎn)擊框圖右下角的 “高級(jí)” 選項(xiàng)進(jìn)行切換， 可以實(shí)現(xiàn)掃查基線調(diào)節(jié)、 檢測范圍設(shè)定、 儀器零偏、 檢測聲速、 探傷增益、 工作方式、 檢波方式、 重復(fù)頻率、 閘門設(shè)置及探頭選用等參數(shù)的設(shè)置[2-4]。 通道參數(shù)設(shè)置界面如圖12所示。

圖12 通道參數(shù)設(shè)置界面

2.2.2 參數(shù)管理

參數(shù)管理包含“通道參數(shù)復(fù)制”、 “配制參數(shù)讀取” 和“配制參數(shù)另存” 三個(gè)選項(xiàng)。

“通道參數(shù)復(fù)制” 的作用是將當(dāng)前通道的參數(shù)復(fù)制到其他指定通道上， 方便用戶調(diào)節(jié)。 用戶可手動(dòng)設(shè)置一個(gè)通道的參數(shù)， 然后將其參數(shù)通過該功能復(fù)制到其他功能相同的通道上。 但由于每個(gè)探頭的差異導(dǎo)致各通道之間也會(huì)有一定的差異， 因此在復(fù)制參數(shù)后， 必須針對(duì)每個(gè)通道對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。 通道參數(shù)復(fù)制界面如圖13 所示。

“通道參數(shù)讀取” 的作用是將原來保存的探傷參數(shù)匹配到當(dāng)前時(shí)刻， “通道參數(shù)另存” 的作用是將當(dāng)前探傷參數(shù)進(jìn)行保存。 用戶可在調(diào)試了某樣板后， 通過“通道參數(shù)另存” 菜單保存當(dāng)前參數(shù)， 以后遇到相同的鋼板探傷時(shí)， 可直接通過該菜單讀取保存的參數(shù)， 然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)即可[4,13]。

圖13 通道參數(shù)復(fù)制界面

3 檢測結(jié)果顯示

3.1 檢測波形顯示

采用WT－4500 型超聲波鋼板自動(dòng)探傷設(shè)備觀察檢測波形時(shí)， 儀器可同時(shí)觀察單個(gè)通道、2 個(gè)通道、 4 個(gè)通道、 8 個(gè)通道等所有通道所有回波的波形情況， 通道波形顯示界面由熱鍵選擇啟動(dòng)切換。 行進(jìn)檢測時(shí)， 觀察所有通道的顯示界面； 分析或判定傷損時(shí)， 切換單個(gè)通道的顯示界面， 被放大的單個(gè)通道的回波圖形， 有助于對(duì)傷損情況進(jìn)行準(zhǔn)確的分析與判定。 通過編碼器定位系統(tǒng)， 任何通道只要發(fā)現(xiàn)傷損回波， 通過展開圖窗口均可查找到傷損所在鋼板的定位位置[2-4]。通道波形顯示界面如圖14 所示， 傷損回波展開圖界面如圖15 所示。

圖14 通道波形顯示界面

圖15 傷損回波展開圖界面

3.2 檢測報(bào)告顯示

“檢測報(bào)告” 選項(xiàng)提供探傷結(jié)果分析界面，可使用該菜單查看歷史探傷記錄并顯示相關(guān)波形。 檢測報(bào)告顯示界面如圖16 所示， 圖16 中界面右側(cè)為探傷記錄選擇區(qū)， 用戶可以單擊選擇欲查看的記錄， 程序會(huì)在下部繪出該鋼板的帶狀圖， 并在上面波形顯示區(qū)顯示對(duì)應(yīng)通道的A 掃波形[13]， 用戶可以通過鼠標(biāo)左右移動(dòng)來查看記錄波形。

圖16 檢測報(bào)告顯示界面

4 性能指標(biāo)測試結(jié)果

南京市計(jì)量監(jiān)督檢測院對(duì)該系統(tǒng)的每個(gè)通道進(jìn)行了指標(biāo)測試， 測試執(zhí)行超聲波標(biāo)準(zhǔn)JISZ－2352 和計(jì)量檢定規(guī)程JIG 746—2004 標(biāo)準(zhǔn)[14-15]。測試結(jié)果為： 該系統(tǒng)的水平線性誤差均在0.1%～0.3%之間， 優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求的≤2%； 垂直線性誤差均在1.2%～2.2%之間， 優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求的≤6%；動(dòng)態(tài)范圍均在≥30 dB， 優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求的≥26 dB；衰減器誤差為≤±0.2 dB/2 dB， ≤±0.4 dB/6 dB，≤±0.5 dB/12 dB， 優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求的≤±1 dB/12 dB；電噪聲電平均在4%～10%之間， 且剩余增益在65～70 dB 之間， 優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求的電噪聲電平≤20%， 且剩余增益為60 dB； 靈敏度余量均在50～65 dB 之間， 優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求的≥42 dB； 分辨率均在32～36 dB 之間， 優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求的≥26 dB。

5 結(jié)束語

采用超聲波標(biāo)準(zhǔn)JIS－Z－2352 和計(jì)量檢定規(guī)程JJG 746—2004 對(duì)WT－4500 型超聲波鋼板自動(dòng)探傷設(shè)備的性能進(jìn)行了測定， 測定結(jié)果表明，該系統(tǒng)的水平線性、 垂直線性、 動(dòng)態(tài)范圍、 遠(yuǎn)距離和近距離分辨率、 靈敏度余量等技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求， 性能穩(wěn)定。

該套檢測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確跟蹤鋼板并與鋼板表面耦合良好， 避免漏探和誤探。 檢測系統(tǒng)可靠性高， 操作簡便， 探傷檢測能力和效果明顯高于國內(nèi)外同類產(chǎn)品， 尤其是鋼板邊部12 組斜探頭，每組斜探頭由雙晶片組成， 每個(gè)晶片反方發(fā)射和接收， 互不干擾， 共24 個(gè)通道， 每邊由6 組斜探頭 （12 個(gè)通道） 對(duì)板邊非分層橫向和縱向進(jìn)行檢測， 對(duì)兩邊各50 mm 范圍100%橫波探傷屬于國內(nèi)外首創(chuàng)。 另外， 該設(shè)備中部196 組縱波探頭， 每個(gè)探頭保障了有效區(qū)域均至少有15%重疊覆蓋， 確保鋼板中部覆蓋率100%的縱波探傷檢驗(yàn)， 實(shí)現(xiàn)了全板面100%超聲波探傷自動(dòng)化檢測， 強(qiáng)化了鋼板表面和內(nèi)部缺陷的質(zhì)量控制， 保證了鋼管的母材質(zhì)量， 同時(shí)對(duì)鋼廠鋼板軋制質(zhì)量的分析也具有較好的實(shí)用價(jià)值。