直縫埋弧焊管預焊后“噘嘴”實時測量系統開發及應用

吳 娟， 徐 海， 褚 潔

（1. 渤海裝備巨龍鋼管有限公司， 河北 青縣 062658； 2. 渤海裝備鋼管銷售公司， 河北 青縣 062658）

0 前 言

“噘嘴” 是直縫埋弧焊鋼管成型工藝中的一個關鍵性指標， 鋼板在壓制成型過程中， 由于原材料或工藝原因， 鋼板邊緣成型曲率通常不太規則，焊接后形成焊縫附近向內或向外的幾何尺寸偏離，這將導致應力集中， 影響管道壽命。 因此通過預焊后“噘嘴” 數據的測量， 將測量數據實時反饋到鋼管預彎工序、 成型工序和擴徑工序， 對管型參數進行調整， 以確保最終產品的“噘嘴” 合格。

目前我國大直徑直縫埋弧焊鋼管生產線對預焊后“噘嘴” 數據的檢驗采集均采用人工靜態測量， 即由操作人員在停機狀態下使用百分表對預焊縫兩側5～10 mm 處進行抽點檢測。 這種測量方法存在耗時長、 精度低、 不能連續檢測及實時反饋等缺點。 本研究設計的測量系統能在預焊過程中對預焊后“噘嘴” 數據進行實時測量， 精度高且能夠自動保存， 便于后續的追溯、 統計、 分析、改進和處理。

1 系統設計原理

1.1 預焊后“噘嘴” 數據測量

預焊后“噘嘴” 形貌包括正常、 外噘、 內噘三種類型， 各類型示意圖如圖1 所示。 焊縫處曲率規整， 左坡點和右坡點都在鋼管正常輪廓上即為正常； 焊縫處曲率不規整， 左右坡點不同程度向上突起即為外噘； 焊縫處曲率不規整， 左右坡點不同程度向下突起即為內噘。

圖1 “噘嘴”形貌類型示意圖

預焊后“噘嘴” 的測量方法如圖2 所示， 采用50 mm 百分表安裝在寬150 mm 的支架上， 調零； 將百分表支架放置在鋼管焊縫兩側， 移動百分表， 使探頭移動至距焊縫邊緣5～10 mm 處， 測量并記錄“噘嘴” 處數值； 該數值與鋼管150 mm弦長內標準弦高之差即為“噘嘴” 值。 “噘嘴” 值為正即為外噘， “噘嘴” 值為負即為內噘。

圖2 “噘嘴”數據人工測量方法示意圖

1.2 設計原理

通過二維激光傳感器采集焊縫及其兩側輪廓數據， 將其與標準距離值進行對比， 得到的數值即為“噘嘴” 值， 具體檢測流程如圖3 所示。

圖3 “噘嘴”檢測流程圖

步驟1： 使用二維激光傳感器采集焊縫及其兩側輪廓， 激光傳感器置于鋼管預焊縫正上方， 垂直向下發出激光， 從而得到預焊縫兩側輪廓曲線數據， 傳感器采集鋼管輪廓數據方法如圖4 所示。

圖4 傳感器采集鋼管輪廓數據示意圖

圖5 “噘嘴”檢測參數示意圖

步驟3： 根據鋼管左坡口縱坐標By和左偏移點縱坐標Ay（與左坡口的偏移距離為m）， 計算左坡口“噘嘴” 值b3=H-By+Ay； 根據鋼管右坡口縱坐標Cy和右偏移點縱坐標Dy（與右坡口的偏移距離為m）， 計算右坡口“噘嘴” 值b4=H-Cy+Dy。 該方案能解決采用百分表對焊縫“噘嘴” 數據進行測量時測量基面偏斜導致結果準確度較低的問題。

步驟4： 在預設距離區間內， 更新偏移距離（優選50～100 mm）， 執行步驟2 和步驟3， 得到更新后的偏移距離對應的左坡口“噘嘴” 值和右坡口“噘嘴” 值。 以預設次數執行距離更新。

步驟5： 根據步驟4 得到的多個左坡口 “噘嘴” 值和右坡口“噘嘴” 值， 計算鋼管焊縫最終“噘嘴” 值。 最終“噘嘴” 值可將多個左坡口“噘嘴” 值和右坡口“噘嘴” 值求和后取平均值。 通過平均“噘嘴” 值計算能夠比通過單獨一側坡口的“噘嘴” 值計算更加準確。

步驟6： 根據計算的平均“噘嘴” 值確定鋼管焊縫是內噘還是外噘。 當最終“噘嘴” 值為正時，鋼管焊縫為外噘， 數值為負時鋼管焊縫為內噘。

生產過程中隨著鋼管運動， 該系統能實現對預焊縫“噘嘴” 數據實時測量， 將測量數據顯示在預彎工序、 成型工序的輸出界面上， 對不合格數據突出顯示提醒， 實現測量評定的自動化、 一體化。

2 系統組成

2.1 機械結構

測量系統機械結構主要包括固定支架、 固定底座和升降絲杠。 固定支架安裝在預焊機出口，固定底座水平安裝在固定支架上； 升降絲杠垂直安裝在固定底座上， 二維激光傳感器固定在絲杠下端， 使其位于預焊縫正上方， 保證光源垂直向下發射， 絲杠能通過伺服電機帶動激光傳感器上下移動， 滿足不同規格直縫埋弧焊管的生產要求。 測量系統機械結構如圖6 所示。

圖6 測量系統機械結構示意圖

2.2 傳感器選擇

測量系統使用的主要硬件是二維激光傳感器。Φ508 mm～Φ1 422 mm 直縫埋弧焊管生產過程中，鋼管直徑范圍較大， 生產工況惡劣， 綜合考慮測量范圍、 測量距離和分辨率等因素， 傳感器選擇美國LMI 公司生產的Gocator 2350 一體式3D 百萬像素智能傳感器。 該傳感器具有預先校準過掃描微米級的細節、 高速低延遲、 通過網頁瀏覽器設置和控制、 內置測量工具、 支持用戶編程、 必要的開源SDK、 百萬像素分辨率等優點。

2.3 軟件系統

測量系統軟件模塊劃分如圖7 所示， 通過輪廓掃描模塊、 距離計算模塊和左右“噘嘴” 檢測模塊實現“噘嘴” 檢測的過程； 通過距離更新模塊、 最終“噘嘴” 值計算模塊得出最終焊縫的平均“噘嘴” 值。 該軟件主要具有數據分析、 結果顯示、 保存、 查詢及參數設置等功能。

圖7 測量系統軟件模塊示意圖

3 應用效果

該實時測量系統安裝完成后， 對Φ508 mm×8 mm、 Φ914 mm×17.5 mm、 Φ1 219 mm×22 mm、Φ1 422 mm×30.8 mm 四種規格的直縫埋弧焊管預焊后“噘嘴” 數據進行了測量， 與生產過程中每小時人工測量1 根鋼管的數據比對， 表1 為不同測量方式下每種規格2 根鋼管的測量數據。

由表1 可以看出， 同1 根預焊后鋼管“噘嘴”值系統測量數據和人工測量數據基本一致， 經長時間運行， 能滿足預焊后“噘嘴” 工藝測量要求， 具有較高測量精度。 在運行過程中， 測量系統還多次對不符合工藝情況發出報警， 提醒相關崗位及時調整工藝參數， 確保成品鋼管“噘嘴” 值符合要求。

表1 鋼管預焊后“噘嘴”值系統測量和人工測量對比

4 結束語

采用激光測量技術設計的預焊后“噘嘴” 數據實時測量系統， 能夠實時測量預焊后的“噘嘴”值， 并及時反饋至相關生產工序實現快速調整，可以有效降低工人勞動強度、 提高生產效率、 提高測量數據準確性、 降低經濟損失， 對直縫埋弧焊管生產有重要意義。