無縫鋼管自動測厚的調節裝置設計

姚年春 蔣道霞 程永

摘 要：針對無縫鋼管壁厚測量問題，選擇了電磁檢測方法，分析了壁厚測試原理，并對鋼管在線壁厚測試系統進行了設計，該設計方案提高了同一條運輸線上不同規格鋼管檢測的靈活性，檢測過程控制簡潔，同時也方便后期維護。

關鍵詞：無縫鋼管;測厚;電磁檢測

0 ? ?引言

在無縫鋼管的生產中，鋼管壁厚的精度是衡量鋼管質量的重要參數，根據美國石油學會最新的《套管和油管規范》（API SPECIFICATION 5CT）規定[1]，鋼管的壁厚應控制在標稱壁厚-12.5%～+12.5%范圍內，然而在實際的生產實踐中，壁厚與廠家關系密切。鑒于此，本文在分析鋼管壁厚測量原理的基礎上，設計了自動測厚的調節裝置。

1 ? ?測厚方式選擇

目前，測厚的主要方法有激光測厚、渦流測厚、電磁檢測、射線測厚和超聲波檢測5種。國外采用的是全長全覆蓋測厚工藝[2-3]，主要有兩種裝置：一種為探頭做旋轉運動，被測鋼管做直線運動;另一種為探頭靜止不動，鋼管做螺旋狀前行。這兩種方法都不適合淮鋼無縫鋼管大規格和多品種的測厚要求。鑒于此，本文提出了一種便于調節的無縫鋼管自動測厚裝置設計方案，該方案采用電磁檢測方式，可用于淮鋼無縫鋼管的在線測厚。

2 ? ?測厚原理

采用電磁檢測方法對鋼管壁厚進行檢測時，通過穿過鋼管的線圈進行積分，得到鋼管主磁通的值以及與磁通量相關的電壓值，測試原理如圖1所示。穿過線圈的總磁通量Φt等于鋼管內磁通量Φp與線圈內部空氣的磁通量Φa之和，如式（1）所示：

Φt=Φp+Φa ? ? ? ? ? ? ?（1）

線圈兩側電壓為式（2）：

e=-d（NΦt）/dt ? ? ? （2）

式中：N為測厚線圈的匝數。

為了避免感應線圈直接測量給主磁通帶來的不利影響，設計時通過測量磁感應強度來反映磁通量的變化，已知某特定截面的磁通量Φ與該截面面積S和截面內磁感應強度B的關系如式（3）所示：

Φ=BS ? ? ? ?（3）

由式（3）可知，當截面內的磁感應強度B處于非飽和狀態時，磁通量的變化可以通過監測磁路中磁感應強度的變化來判斷。由于需檢測的鋼管規格多，管徑變化范圍大，故檢測系統安裝了配有聚磁板的軸向磁化器，磁化器的線圈匝數、內徑/外徑大小、額定電流大小都會影響磁化器的性能。本設計中，對磁路導致的磁通量變化與壁厚之間的線性關系設定了準確的基準值，這樣便可以將對磁通量的測量轉變成對磁感應強度的測量，這種轉換可使測量更方便，同時保證了高測量精度。

在實際的壁厚測量過程中，壁厚基本為局部變化，霍爾元件靈敏度高、安裝方便，同時受磁路中磁感應強度的影響，霍爾元件極易處于非線性工作狀態，所以往往采用間接方法來測量主磁路中的磁感應強度。

3 ? ?鋼管在線壁厚檢測系統設計

無縫鋼管在線壁厚檢測系統需要達到智能檢測效果，從而保證檢測效率和檢測過程中的穩定性。因此，針對淮鋼無縫鋼管在線檢測需求，根據被檢鋼管的不同規格設計了測厚系統，具體設計有以下幾個方面：

3.1 ? ?信號處理系統

壁厚在線檢測信號處理系統布局如圖2所示。自動采集得到的厚度信號，通過放大器放大后濾波，再使用AD轉換方式進行轉換，后經測厚程序進行信號處理，顯示出測厚的波形和相關數據，如果測厚不符合要求，則會發出信號向PLC報警，由PLC控制報警打標器。待檢測鋼管進入探頭范圍后，信號自動采集動作，由PLC以及光電開關相互配合完成自動采集。

3.2 ? ?PLC單元

根據測厚系統的工藝需求，PLC單元的設計如圖3所示。出入口處都設有檢測光電開關，用來檢測鋼管是否在線，以控制輥道的啟停;水箱進出口處的光電檢測開關，用來檢測鋼管進出水箱時的端部位置。光電開關與各自相對應的編碼器安裝在同一垂直面上，便于控制編碼計數。

3.3 ? ?探頭分布

本設計主要是根據鋼管斷面的幾何形狀、鋼管直徑變化范圍以及回波信號的要求，來對鋼管測試探頭的頻率、型式和晶片大小等參數進行選擇。測量探頭的分布方式如圖4所示。

在測試過程中，試塊和探頭是重要的組成零件，試塊在測試過程中可以確定尺寸等方面的靈敏度和探頭的性能，通過調整掃描速度來對尺寸進行評判。為保證系統穩定性好，同時保證最大管徑在圓周方向上測量覆蓋達到100%，共設計了4組探頭，每組16個，4組探頭安裝在同一個探頭箱中，設計保證了鋼管測試過程中最大和最小管徑的耦合距離。

無縫鋼管測厚時，采用的是探頭固定、探頭箱調整參數的方法，當鋼管規格變化時，只需要調整探頭箱的高度，使探頭中心線和鋼管的中軸線保持一致，同時調整不同規格鋼管的參數設置，保證同一個探頭箱能夠適應所有不同規格的鋼管的在線測厚要求。在配套的測量軟件中，采用了動態跟蹤技術對管壁的跳動進行跟蹤測量，當鋼管管壁發生跳動時，水層的厚度也跟著變化，保證了測量的精度。

通過生產反復測試，本設計選擇的鋼管探頭為縱波直探頭，頻率為5 MHz，晶片的直徑為25 mm。

3.4 ? ?鋼管壁測厚線結構

測厚總成是在線測厚裝置的核心部分，鋼管壁測厚線的總體結構主要包括傳輸線、磁懸浮壓緊、計算機控制系統和打標器，如圖5所示?？偝稍O計部分，在垂直方向上的中心高度可以調節，當待檢測鋼管進入總成時，鋼管被壓緊，對于不同管徑規格的鋼管，通過電機來調整探頭中心高度以保證測試的順利進行。

3.5 ? ?總體結構圖

測量裝置的總體結構如圖6所示，測量裝置底座上安裝的測量箱體和右半箱體通過箱體下連接桿連接可以緊固連接穩定裝置，光電編碼器和數據顯示表可以顯示待測量無縫鋼管的厚度，螺旋式絲桿、絲桿聯軸器和測量推進油缸的配合可以改變測量箱體和右半箱體的距離，可以測量不同直徑的鋼管，可解決鋼管工業中測量的方法不成熟、測量的數據不準確，或者無法測量厚度等技術問題。

4 ? ?結語

本設計采用電磁檢測方法，實現了無縫鋼管自動測厚功能，設計過程中，選擇霍爾元件實現磁場信號的無漏檢測，保證了探測信號的穩定性和全面性;針對不同規格的鋼管，通過更換檢測探頭，提高了同一條運輸線上檢測方式的靈活性，并能分類記錄相關檢測結果。

[參考文獻]

[1] 套管和油管規范：API SPECIFICATION 5CT[S].

[2] SMS米爾股份有限公司.在管材軋機中測量管壁厚的裝置：CN200310027838.1[P].2006-03-29.

[3] 谷立功.中國鋼管行業2019年回顧及2020年展望[J].鋼管，2020，49（3）：1-5.

收稿日期：2021-09-02

作者簡介：姚年春（1975—），男，山東青島人，碩士研究生，副教授，研究方向：控制理論與控制工程。