大直徑無縫鋼管的超聲檢測系統

（浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313012）

無縫鋼管在生產過程中，可能會產生各種缺陷，影響到鋼管的質量。為確保產品的安全性，國家有關部門要求生產企業必須按照產品標準對無縫鋼管進行檢測。無損檢測主要包括五種方法：超聲波檢測、射線檢測、渦流檢測、磁粉檢測和滲透檢測，在無縫鋼管的檢測領域中，超聲檢測作為一種有效的檢測手段，已經得到了廣泛的應用。與其它無損檢測方法相比，超聲波檢測具有被測對象范圍廣、檢測深度大、缺陷定位準確、檢測靈敏度高、成本低、超作性能好、速度快、對人體無害等優點[1]。

可見，超聲波無損檢測是無損檢測領域中的一種非常重要的方法，它對于保證無縫鋼管產品的質量和可靠性有著重要的意義。

1 檢測原理及方式

1.1 檢測原理

在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料的不連續。這種不連續往往又造成聲阻抗的不一致。超聲波在兩種不同聲阻抗的介質的交界面上將會發生反射，反射回來的能的大小與交界面兩邊介質聲阻抗的差異和交界面的量取向、大小有關。這就是超聲波探傷的原理[4]。

1.2 探傷方式

根據被探鋼管和超聲波探頭運動方式，國內無縫鋼管自動超聲波探傷設備主要有兩種類型：一種是鋼管螺旋前進、探頭不移動的裝置：另一種是鋼管直線前進、探頭高速旋轉的裝置。無論是哪種運動方式，都必須確保被探鋼管的整個截面積被全部掃查到[5]。

本系統采用水浸法檢測，鋼管自轉、探頭直線前進的超聲波水浸聚焦掃查方式，對Φ168-Φ730 mm不銹無縫鋼管進行內外壁縱橫向缺陷、壁厚及分層缺陷進行全管體自動化檢測，并對探測到的缺陷進行自動打標。

探頭組件通過耐磨觸靴與鋼管接觸。旋轉對鋼管進行全覆蓋掃查，這種方式需要一個旋轉頭固定各個探頭，并通過電刷或電容耦合方式將探頭信號傳回儀器處理。

傳統作法是采用龍門馬鞍式將探頭組安放在12點鐘位置上，本系統則將探頭組安裝在下部6點鐘位置上，根據對稱滾輪對最小管徑形成100-110°夾角支承轉動時，2個Φ250 mm對稱滾輪之間還有最小90~110 mm輪對輪間距，此間距完全可安放探頭小水箱在底部，用冒水法進行穩定檢測。由于考慮到不銹鋼管外弧面相對干凈一些，不會掉下大量銹塊和氧化皮影響探傷，設計將探頭小水箱放在下部6點鐘位置對于操作人員調試和更換探頭、減小水流環境污染、減小管端盲區、提高系統運行穩定性都具有無可比擬的優點。

2 系統主要組成

超聲檢測系統的主要組成如圖1所示，包括上料臺架、上料機構、鋼管定位旋轉機構、運動小車檢測裝置、下料機構和下料臺架等。檢測裝置是該檢測線的核心部分，包括超聲探傷儀、探頭、控制臺、檢測頭(安裝探頭的機械裝置、根據檢測方式有的則包括水槽)、機電控制部分等。

鋼管通過上料機構輸送到鋼管定位旋轉機構上，由電機帶動鋼管放置旋轉機構的主動滾輪運動，從而帶動鋼管作旋轉運動，鋼管下面的檢測小車沿著導軌直線進給。超聲波信號通過超聲波數據采集卡進入PC進行探傷，將判斷的結果通過指令發送到PLC控制器，由PLC控制缺陷標記器在鋼管上標記小缺陷的位置。

圖1系統結構示意圖

2.1 上、下料機構

上、下料各采用1套裝置。在第一根鋼管被檢測完后下料的同時，第二根鋼管上料。上下料裝置由液壓缸驅動，工作平穩可靠，無撞擊噪聲。在底板與鋼管接觸處設置有耐磨塊，由此大大延長了底板的使用壽命。

2.2 鋼管定位旋轉機構

鋼管由數套滾輪架定位，滾輪采用組合式，鋼輪外包橡膠，傳動平穩，摩擦力大。

滾輪架的同心度、直線度、速度、穩定性以及振動的強弱都會影響探傷的靈敏度和可靠性。因此，旋轉機構是圍繞探傷靈敏度和可靠性等要求來設計和加工的。

由于被檢管材規格變化很大，為使每種規格的鋼管放置在滾輪上都形成100~110°夾角支承，旋轉時與滾輪接觸的狀態一致，數組滾輪的中心距可通過移動被動滾輪架調節，以滿足不同規格管材的探傷要求。

2.3 運動小車檢測裝置

探頭旋轉帶來的超聲探傷儀與探頭之間的電氣耦合對探傷的可靠性會產生很大影響，對此采用固定探頭旋轉鋼管的方法進行避免[5]。但由于鋼管彎曲，前進的探頭與旋轉的鋼管之間相對位置的變動會引起入射角的改變，為此，專門設計了探頭隨動裝置，使探頭與鋼管的相對位置保持不變。

機頭由輪式組合探頭、浮動跟蹤裝置及支座組成。探頭內設有探測厚度／分層、橫向順反時針、縱向、前后等5個方向的探測振子。每個探測方向有兩個通道，采用脈沖反射法，探傷頻率2～6MHz。探頭安裝在由氣動控制升降的浮動跟蹤裝置上。

3 控制系統

根據系統的總體設計要求，電氣控制系統應滿足的技術要求是：

（1）滾輪架中的主動滾輪傳動的拖動為直流電機，采用無級調速，便于調試。

（2）探傷過程為簡單的開環式程序控制系統，從上料、探傷、打標、下料整個過程均由控制臺自動控制。

（3）傳動系統采用變頻調速和可編程控制器控制。

4 多通道超聲探傷儀

系統使用UD-MC8Y型八通道A型超聲脈沖反射式探傷儀。其抗干擾能力強，穩定性好，探傷靈敏度高，主要特點有：

（1）八個獨立通道的工作時序可以隨意編輯。

（2）每個通道設A，B和C三個閘門，且C具有閘門跟蹤功能。

（3）每個通道均設有一收一發和雙收雙發兩種工作方式。

儀器的主要技術指標為，單個通道最高重復頻率可達6 kHz；工作頻率為2.5，5和10MHz；示波管顯示器(CRT)的有效面積為100 mm×80 mm，液晶屏顯示器(LCD)的有效面積為103mm×79mm；掃描范圍分10，50和250mm三擋，最大可設計成1 000mm；水平線性誤差≤1%；垂直線性誤差≤5%；衰減器的總衰減量為100dB，最小分辨力為l dB；動態范圍~28 dB。

5 對鋼管的要求

（1）探傷時鋼管表面溫度≤80℃。

（2）鋼管彎曲度≤2mm/m，管端彎曲度≤3.18mm/1.5m。

（3）由于探頭組件通過耐磨觸靴與鋼管接觸，因此鋼管表面不得有突出表面超過10 mm的尖銳突起，如大外折、管子表面的大裂VI等。否則，將會在高速旋轉的旋轉體內造成嚴重的破壞。

（4）外徑偏差：±1.0%。

（5）鋼管表面粗糙度Ra不大于3.2。

6 實驗

根據GB5777—1996和 YB4082-1992標準，在生產現場進行了試驗，試驗條件如下，試件為304不銹鋼焊管。

按GB5777—1996中規定的C8級靈敏度進行測試，該設備的綜合性能指標達到B4082-1992標準規定，可探范圍為φ168~730mm，靈敏度等級為GB5777—1996的C8級。

實驗結果表明：該系統可以滿足實際檢測的需要。

7 結束語

本文提出的大直徑無縫鋼管自動超聲探傷機，離線安裝單獨成為一條探傷生產線，能夠承擔Ф160*2*4 000-Ф730*14*18 000 mm且壁厚與外徑之比不大于0.22的無縫鋼管的橫向內外壁缺陷、測厚及分層缺陷的超聲波檢測任務，一次完成鋼管縱、橫向內部和表面缺陷的探傷作業（包括上、下料輸送、打標、檢驗記錄和報告的形成等）。具有靈敏度高、穩定性好等優點。

實驗證明，所研制的大直徑無縫鋼管自動超聲探傷機，能滿足實際生產中無縫鋼管超聲波檢測的需要。

[1]況雪軍，國內無縫鋼管渦流及超聲波自動探傷的現狀及其發展[J].鋼管，2007，36(5):54-56.

[2]左建國.組合無損檢測技術及其在無縫鋼管在線自動檢驗中的應用[J].鋼鐵，1999，34(6):60-64.

[3]國家技術監督局，無縫鋼管超聲波探傷檢驗方法（GB／T 5777）[S]，2008.

[4]劉軍華.URP系列自動超聲波探傷機在無縫鋼管生產中的應用[J].鋼管，2010，39(3):60-64.

[5]張恒，吳揚寶，鄒正烈，φ60~245mm無縫鋼管超聲波自動檢測系統[J].無損檢測，2003，25(6):291-293.

[6]白仁昭，無縫鋼管超聲波自動檢測系統研制[J]，機電工程，2006，23(5):56-58.