中厚鋼板自動超聲波探傷系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用

張 衛(wèi)

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司不銹熱軋廠，山西 太原 030003）

隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，社會生產(chǎn)生活水平的提高，客戶對鋼板內(nèi)部質(zhì)量的要求也越來越嚴(yán)格，使得中厚鋼板在各行各業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。超聲波探傷作為一種重要的無損檢測技術(shù)，是目前對中厚鋼板內(nèi)部質(zhì)量進行檢測判定的主要手段，它也是代表中厚鋼板廠技術(shù)裝備水平先進程度的重要標(biāo)志之一。

超聲波探傷分為手動和自動探傷兩種。國內(nèi)中厚鋼板廠多采用手動探傷方法，手動探傷具有投資低、使用靈活等優(yōu)點，但手動探傷存在著探傷時間長、生產(chǎn)效率低、勞動強度大、占用生產(chǎn)場地多，易造成漏探和誤探、探傷速度慢等缺點，難以適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)大生產(chǎn)的要求。而自動探傷具有速度快、效率高、占用生產(chǎn)場地少等明顯優(yōu)點，與手動探傷相比能提供更好的重復(fù)性和結(jié)果一致性，能完善檢測程序，減少隨機誤差和人為誤差的概率，實現(xiàn)復(fù)雜而全面的檢測，并能迅速完成數(shù)據(jù)處理。

目前太鋼中厚鋼板采用手動探傷方法，已不能完全滿足生產(chǎn)的發(fā)展和市場對產(chǎn)品質(zhì)量的苛刻要求。經(jīng)廣泛調(diào)研，結(jié)合太鋼中厚鋼板生產(chǎn)的實際情況，2009年下半年實施探傷設(shè)備改造，建設(shè)了一條中厚鋼板離線超聲波自動探傷線系統(tǒng)，以進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭能力。

1 中厚板自動超聲波探傷技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

國外自20世紀(jì)60年代末期便開始了自動超聲波探傷技術(shù)的研發(fā)，20世紀(jì)70年代中后期開始廣泛應(yīng)用。1999年10月德國NUKEM公司為曼內(nèi)斯曼鋼板廠設(shè)計制作了一套在線自動超聲波探傷系統(tǒng)，完全實現(xiàn)了鋼板的在線全自動探傷。目前，在國內(nèi)外中厚板生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)已投入運行的自動超聲波探傷裝置中，應(yīng)用最廣、數(shù)量最多的是以脈沖反射式為主的壓電式自動探傷裝置。2002年國內(nèi)自寶鋼5 m厚板廠引進在線自動超聲波探傷裝置以來，近年來新建改造的中厚板廠紛紛仿效，濟鋼、重鋼、舞鋼、沙鋼等厚板廠都投資建設(shè)了在線自動超聲波探傷線。

2 太鋼中厚鋼板自動超聲波探傷線系統(tǒng)

太鋼中厚鋼板自動超聲波探傷系統(tǒng)涉及無損檢測、電子、計算機、機械、自動控制等技術(shù)。它具有效率高、準(zhǔn)確率高、標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行一致性好、占用生產(chǎn)場地小和自動判傷、自動缺陷定量分級、自動缺陷定位、實時測厚等明顯優(yōu)點，能準(zhǔn)確探明鋼板內(nèi)部夾雜、分層、縮孔、孔洞、白點、氣泡、內(nèi)裂、疏松等細(xì)小缺陷的位置、大小與形態(tài)。

2.1 系統(tǒng)布置簡介

圖1 探傷設(shè)備布置圖

2.2 探傷工作原理

超聲波在被檢測材料中傳播時，材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化對超聲波的傳播產(chǎn)生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)稱為超聲檢測。

超聲檢測方法通常有穿透法、脈沖反射法、串列法等。運用超聲檢測的方法來檢測的儀器稱之為超聲波探傷儀。探傷儀發(fā)射出電脈沖，通過屏蔽傳輸線給探頭上的壓電晶片（換能器）兩個面上加電壓，當(dāng)超聲波遇到不連續(xù)性時，即會產(chǎn)生反射，反射的超聲波使壓電晶片振動，繼而在壓電晶片兩端產(chǎn)生電壓。將電脈沖轉(zhuǎn)化為探傷儀屏幕上的波形，經(jīng)過算法處理波形，就可以判定檢測結(jié)果。

2.3 系統(tǒng)工藝流程

鋼板上料完成后，鋼板靠緊輥道參考邊側(cè)的擋板，見圖2。

圖2 工藝流程平面布置圖

開始探傷，鋼板行走。鋼板依次經(jīng)過高度限位裝置、預(yù)噴淋和刮板，鋼板到達(dá)導(dǎo)向輪位置時，導(dǎo)向輪工作，確定出鋼板參考邊的確切坐標(biāo)作為調(diào)整內(nèi)探工作位置的基準(zhǔn)。內(nèi)探1和內(nèi)探2根據(jù)此基準(zhǔn)橫向移動到相應(yīng)位置，以保證內(nèi)探1和內(nèi)探2的最外側(cè)探頭盒能對齊鋼板參考邊和非參考邊。當(dāng)鋼板到達(dá)編碼器1位置時，編碼器1機構(gòu)啟動開始工作；當(dāng)鋼板到達(dá)內(nèi)探1和內(nèi)探2工作位置后，控制系統(tǒng)根據(jù)鋼板寬度決定相應(yīng)的探頭落下，開始內(nèi)探；當(dāng)鋼板頭部到達(dá)周邊探傷區(qū)后，鋼板停止，非參考邊探1首先執(zhí)行頭探；頭探完成后，非參考邊探小車轉(zhuǎn)90°，非參考邊探小車和參考邊邊探小車準(zhǔn)備就緒后，鋼板再次走行，非參考邊探小車和參考邊探小車同時執(zhí)行兩側(cè)邊探傷。鋼板經(jīng)過編碼器2位置時，編碼器2機構(gòu)啟動開始工作；鋼板經(jīng)過編碼器3位置時，編碼器3機構(gòu)啟動開始工作；鋼板經(jīng)過刮水和烘干位置時，裝置啟動開始工作；鋼板尾部到達(dá)周邊探區(qū)后，鋼板停止，非參考邊探小車執(zhí)行尾部探傷；鋼板尾部依次經(jīng)過預(yù)噴淋、刮板、導(dǎo)向輪、編碼器1、內(nèi)探1、內(nèi)探2、編碼器2、編碼器3刮水和烘干時，相應(yīng)裝置停止工作，恢復(fù)原始位置；在鋼板尾部經(jīng)過刮水和烘干區(qū)后，整塊鋼板探傷完成。

2.4 探傷系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由機械系統(tǒng)、電氣與自控系統(tǒng)、超聲電子儀器、探傷軟件、水系統(tǒng)、氣系統(tǒng)、ERP數(shù)據(jù)接口組成。

2.4.1 機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)是超聲波自動探傷系統(tǒng)的執(zhí)行基礎(chǔ)，主要完成將超聲波探頭附著于鋼板上進行檢測的功能。主要構(gòu)成是用于系統(tǒng)保護的高度限位裝置；用于鋼板表面清掃及預(yù)潤濕的預(yù)噴淋與刮板裝置；用于鋼板自動探傷起落單元的探傷裝置；用于鋼板X軸和Y軸定位，包括3個編碼器裝置和1個導(dǎo)向輪裝置的測長定位裝置；用于鋼板表面干燥的烘干吹掃裝置。通過對鋼板的預(yù)處理，使符合系統(tǒng)要求的鋼板通過探傷裝置，滿足超聲波自動檢測的要求。

如圖3所示，LPS刺激能顯著造成Caco-2細(xì)胞中MLCK 的轉(zhuǎn)錄水平升高(p＜0.05)。而辣木多肽能夠抑制模型細(xì)胞中MLCK的轉(zhuǎn)錄水平。與模型組相比，高濃度(100 μg/mL和150 μg/mL)的辣木多肽可顯著抑制MLCK的 mRNA轉(zhuǎn)錄水平(抑制率分別為 28.0%和31.3%)。肌球蛋白輕鏈激酶(MLCK)能夠通過促肌球蛋白輕鏈(MLC)的磷酸化使其參與肌動蛋白收縮，引發(fā)細(xì)胞骨架重排，破壞細(xì)胞TJ結(jié)構(gòu)，最終造成細(xì)胞間通透性增高[21]。抑制腸上皮細(xì)胞中MLCK的過度活化，對于維持腸上皮細(xì)胞屏障和細(xì)胞間緊密連接的重要作用[22]。

2.4.2 電氣自控系統(tǒng)

電氣與自動控制系統(tǒng)采用西門子S7-300 PLC，負(fù)責(zé)接收和處理探傷系統(tǒng)的各種位檢開關(guān)和傳感器的輸入信號，根據(jù)探傷工藝流程的要求控制整個系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，包括各類執(zhí)行電機、電磁閥等，同時處理異常情況，為系統(tǒng)提供保護。其功能是控制設(shè)備的機械系統(tǒng)、水系統(tǒng)、控制輥道的速度和啟停，與超聲電子儀器進行通訊、手動控制設(shè)備、維護和診斷設(shè)備。探傷系統(tǒng)的電控網(wǎng)絡(luò)圖，見圖3。

圖3 探傷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.4.3 檢測系統(tǒng)

超聲波檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是數(shù)組陣列的超聲波探頭，從鋼板的上表面檢測鋼板。通過水作為耦合劑，使超聲波進入鋼板并能從鋼板中反射，此時探頭與鋼板無接觸靠近，實現(xiàn)無損檢測。探頭采用雙晶T/R直探頭，標(biāo)稱頻率為5 MHz，有效掃查寬度為20 mm，內(nèi)部探傷單元和周邊探傷單元可橫向移動定位，探頭模塊板體探傷30個，每個模塊4個探頭，周邊探傷兩個，每個模塊6個探頭，形成內(nèi)部探傷探頭120個，邊部探傷探頭12個的多通道、全覆蓋探傷系統(tǒng)。

探頭安裝在探頭模塊中，探頭模塊靠氣缸推向鋼板，這種布置可使探頭與被測鋼板有較好的彈性接觸。探頭模塊有它自己獨立的帶有閥和過濾器的調(diào)節(jié)水裝置，并有由高耐腐蝕性、高耐磨的材料制成的靴子保護探頭。探頭模塊被安裝在內(nèi)探小車的內(nèi)探架上，一個內(nèi)探架內(nèi)共15組結(jié)構(gòu)相同探頭模塊。探頭模塊通過螺栓固定在內(nèi)探架上，可做豎直方向的運動，在非工作狀態(tài)抬起，工作狀態(tài)壓下，是探傷機核心部件之一。通過伺服電機的驅(qū)動內(nèi)探小車可在龍門架上來回移動，通過鎖緊裝置，內(nèi)探小車可以固定在任何位置，進行探傷。檢測位置由鋼板寬度及邊部位置的檢測來確定。

2.4.4 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

此系統(tǒng)依據(jù)缺陷回波法原理，設(shè)計了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計采用了PXI總線與IP總線混合組網(wǎng)的方式，在實時性要求較高的部分（自動超聲探傷部分），采用了兼顧實時性和可靠性的PXI總線,數(shù)據(jù)采集處理部分采用了開放式的TCP/IP總線，見圖4。

圖4 探傷系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸單線圖

數(shù)據(jù)采集與處理，由PXI探傷工作站的SYN機箱MFC卡產(chǎn)生系統(tǒng)同步時序信號，傳輸給各前置機箱，觸發(fā)各探傷模塊雙晶直探頭產(chǎn)生超聲波脈沖并接收回波信號；微弱的超聲回波信號經(jīng)前置機箱進行前置放大，傳回PXI探傷工作站的AEC卡進行再放大、檢波、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換及判傷等處理。處理信息通過交換機存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，由數(shù)據(jù)庫與自動評估軟件進行處理，實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的存儲與管理，檢測工藝的設(shè)定與修改，鋼板質(zhì)量自動評估與系統(tǒng)報表的生成。

2.4.5 鋼板的自動評估系統(tǒng)

鋼板自動評估系統(tǒng)是中厚板無損檢測系統(tǒng)的專業(yè)自動評估軟件，可實現(xiàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)參數(shù)的構(gòu)建和維護，檢測數(shù)據(jù)的存儲與管理，鋼板質(zhì)量自動評估與系統(tǒng)報表的生成，用戶管理及權(quán)限管理。通過安裝在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的鋼板自動評估系統(tǒng)，可以進行如下設(shè)置和功能實現(xiàn)：①人員班次設(shè)置：系統(tǒng)的操作人員和管理人員、探傷資格、班次的添加及相關(guān)信息維護。②儀器參數(shù)設(shè)置：設(shè)置超聲波探傷儀器的相關(guān)參數(shù)，包括基本參數(shù)、通道參數(shù)、機械電氣參數(shù)、所使用的超聲波探頭的參數(shù)及配置、參考的探傷試塊及探傷靈敏度的設(shè)置。③鋼板參數(shù)設(shè)置：設(shè)置鋼板的尺寸等規(guī)格參數(shù)和母板號等基本信息。④工藝參數(shù)設(shè)置：設(shè)置某種檢測工藝定制參數(shù)，如鋼板規(guī)格、探頭型號、對比試塊、檢測盲區(qū)、檢測通道號設(shè)置、波形相關(guān)參數(shù)等。⑤鋼板自動評估與統(tǒng)計報表：自動評估鋼板的質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計和打印每張鋼板的檢測數(shù)據(jù)，每個班的班組統(tǒng)計報表、日報表，用戶還可以根據(jù)需要自定義報表。⑥系統(tǒng)管理：數(shù)據(jù)庫的備份和恢復(fù)，還可以為第三方用戶建立賬號，以便于第三方用戶查詢和瀏覽鋼板的出廠無損檢測情況。

2.4.6 耦合水系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括預(yù)噴淋水系統(tǒng)和探頭耦合水系統(tǒng)。預(yù)噴淋水主要潤濕并清潔鋼板表面，耦合水起到超聲波耦合劑的作用，把有效地超聲波導(dǎo)入鋼板內(nèi)部。水系統(tǒng)由循環(huán)水過濾、磁分離器、控制閥和泵組成，它為系統(tǒng)提高潔凈、無氣泡、不間斷的耦合水。

2.4.7 壓縮空氣系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括烘干吹掃氣系統(tǒng)和氣缸工作氣系統(tǒng)，烘干吹掃氣主要吹去鋼板表面水膜，以便于烘干。氣缸工作氣系統(tǒng)主要為探頭起落機構(gòu)提供動力，探頭隨鋼板表面凸凹不平情況而自動調(diào)整，從而保證探頭以一定壓力壓在鋼板表面。

2.4.8 ERP數(shù)據(jù)接口

探傷設(shè)備留對外數(shù)據(jù)接口，可與廠方的ERP/MIS系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的通訊，具備在線探傷信息查詢功能。主要交互數(shù)據(jù)包括:①鋼板的規(guī)格數(shù)據(jù)；②探傷工藝參數(shù)與探傷標(biāo)準(zhǔn)；③探傷結(jié)果與探傷報告。

3 現(xiàn)場調(diào)試及運行

太鋼中厚鋼板自動超聲波探傷系統(tǒng)于2009年下半年開始項目施工，年底安裝完畢開始調(diào)試，經(jīng)2010年上半年試運行，現(xiàn)已基本達(dá)到設(shè)計要求，滿足鋼板自動探傷要求。

在調(diào)試運行過程中發(fā)現(xiàn)，鋼板表面應(yīng)最大可能保持潔凈，不應(yīng)存有影響探傷的金屬顆粒、銹蝕及油污等物質(zhì)。對水、氣等公輔介質(zhì)也要求保持潔凈，不應(yīng)有懸濁顆粒存在，這些物質(zhì)極易吸附在耐磨靴上，造成鋼板表面劃傷，耐磨靴應(yīng)定期清理更換。另外，探傷鋼板應(yīng)有良好板形，不平度小于30 mm/m。

4 結(jié)束語

太鋼中厚鋼板自動超聲波探傷系統(tǒng)能100%覆蓋鋼板表面，探頭能準(zhǔn)確跟蹤鋼板并與鋼板表面良好耦合，減少漏探和誤探，功能強大的探傷軟件與自動評估系統(tǒng)，對鋼板質(zhì)量的分析具有較好的實用價值。

自動超聲波探傷技術(shù)在中厚板生產(chǎn)上的應(yīng)用和發(fā)展，實現(xiàn)了由手動操作到自動化的飛躍，從而進一步提高了探傷效率、產(chǎn)品質(zhì)量，增強企業(yè)的市場競爭能力。