用于鋼管的氣浮式電磁超聲測厚探頭

涂 君,陳 浩,宋小春,康宜華

(1.湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,武漢430068;2.武漢華宇一目檢測裝備有限公司,武漢430074)

用于鋼管的氣浮式電磁超聲測厚探頭

涂 君1,陳 浩1,宋小春1,康宜華2

(1.湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,武漢430068;2.武漢華宇一目檢測裝備有限公司,武漢430074)

為了對(duì)鋼管的電磁超聲測厚系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí),在前期設(shè)計(jì)的磁化器與線圈分離的電磁超聲測厚探頭的基礎(chǔ)上,提出了一種氣浮式電磁超聲測厚探頭的設(shè)計(jì)方法,其原理是利用在探靴和鋼管表面之間形成的氣膜消除接觸式摩擦,來實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管的全浮動(dòng)隨動(dòng)跟蹤。通過理論分析,得出了鋼管不同偏心率下氣浮探靴的最大承載力;并通過搭建8通道電磁超聲檢測設(shè)備對(duì)鋼管進(jìn)行測厚試驗(yàn),結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明,相比傳統(tǒng)的鋼管電磁超聲測厚方法,氣浮式鋼管測厚解決了探頭的磨損嚴(yán)重問題,延長了探頭的使用壽命,更好地滿足了鋼管在線檢測的需求。

電磁超聲探頭;鋼管;測厚;氣浮;探靴

由于各領(lǐng)域?qū)︿摴苄枨罅康呐c日俱增,生產(chǎn)鋼 管的企業(yè)必須不斷提高生產(chǎn)效率,并對(duì)鋼管檢測設(shè)備[1]進(jìn)行升級(jí),以保證鋼管出廠的合格率。電磁超聲檢測[2]具有非接觸、無需耦合劑、檢測速度快、檢測設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、檢測重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn),適用于鋼管的測厚,檢測速度最高可達(dá)40 m/min。然而,該技術(shù)要求電磁超聲探頭與鋼管之間保持一個(gè)較小的距離,較大的磁吸附力會(huì)加劇探頭的磨損量。為此,筆者前期設(shè)計(jì)了一種磁化器與線圈分離的電磁超聲測厚探頭[3],其只需要將線圈單獨(dú)安裝于探靴上即可。

氣浮技術(shù)是利用氣體反作用力使物體懸浮,從而避免物體間的相互磨損的技術(shù)。姚燕生[4]設(shè)計(jì)了一種新型無摩擦氣缸及帶徑向節(jié)流孔與軸向密封槽的氣浮活塞,從而延長了氣缸的使用壽命。尹韶輝[5]采用基于空氣靜壓軸承的氣浮測頭對(duì)非球面進(jìn)行接觸式測量。鄭永潔[6]將氣浮式仿真系統(tǒng)應(yīng)用于空間機(jī)器人中,減小了各種干擾,保證了仿真結(jié)果的可信度。張新宇[7]和高亮[8]等采用有限元法對(duì)氣膜流場進(jìn)行了有效的數(shù)值模擬計(jì)算,初步實(shí)現(xiàn)了根據(jù)外負(fù)載的要求來確定氣浮探頭裝置的性能參數(shù)。為了進(jìn)一步消除高速檢測下探靴的磨損,筆者提出將氣浮技術(shù)應(yīng)用到電磁超聲探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,繼而引入到鋼管在線電磁超聲測厚的應(yīng)用中,有望對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造。

1 氣浮式電磁超聲測厚探頭結(jié)構(gòu)

在實(shí)際檢測中,由于傳送線的安裝與制造誤差以及鋼管自身的直線度誤差,鋼管在直線推進(jìn)或螺旋推進(jìn)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生多個(gè)自由度的跳動(dòng)。鋼管直線或螺旋推進(jìn)運(yùn)動(dòng)下的自由度分析如圖1所示,鋼管直線推進(jìn)時(shí)在x,y,z方向均存在移動(dòng)自由度(以x,y,z三個(gè)方向的速度vx,vy,vz表示),而繞x軸和z軸同時(shí)存在兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(以繞x軸和z軸的角速度wx和wz表示),而鋼管螺旋推進(jìn)時(shí)還會(huì)多一個(gè)繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(以繞y軸的角速度wy表示)。因此筆者設(shè)計(jì)了一種具有六自由度隨動(dòng)跟蹤圓筒狀的探靴,用于消除鋼管擺動(dòng)和跳動(dòng)對(duì)檢測信號(hào)的影響。

圖1 鋼管直線或螺旋推進(jìn)運(yùn)動(dòng)下的自由度分析

鋼管電磁超聲測厚氣浮探靴結(jié)構(gòu)示意如圖2所示,整個(gè)探靴由兩個(gè)1/2圓的瓦狀結(jié)構(gòu)通過機(jī)械密封拼接而成。圓筒探靴內(nèi)徑要大于鋼管外徑,并通過兩排各4根拉簧懸掛。探靴上圓周方向也安裝有兩排各4個(gè)連接桿,在鋼管規(guī)格發(fā)生變化時(shí),只需調(diào)整連接桿的長度,而不需要更換拉簧。當(dāng)鋼管發(fā)生跳動(dòng)或擺動(dòng)時(shí),探靴能夠及時(shí)響應(yīng)。由于鋼管運(yùn)行中的跳動(dòng),僅通過探靴外側(cè)的彈簧難以保證其始終與鋼管同軸。同時(shí)探靴長時(shí)間與鋼管發(fā)生側(cè)磨,會(huì)大大縮短探靴的使用壽命,為此提出了一種氣浮式鋼管電磁超聲測厚探頭的設(shè)計(jì)方法,對(duì)鋼管實(shí)施非接觸主動(dòng)檢測。氣浮式電磁超聲探頭主要利用在探靴和鋼管表面之間形成的氣膜來消除接觸式摩擦的作用,并實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管的全浮動(dòng)隨動(dòng)跟蹤檢測。氣浮探靴在軸向方向均勻布置兩排各N個(gè)簡單孔式節(jié)流器,氣流通過節(jié)流孔后形成壓降,并在鋼管表面形成均勻?qū)ΨQ分布的壓力。

圖2 鋼管電磁超聲測厚氣浮探靴結(jié)構(gòu)示意

2 氣浮探靴工作原理分析

氣浮探靴在氣體浮力Fa、外側(cè)彈簧拉力Fs以及自身重力G的共同作用下保持平衡,并形成圓周方向上各處厚度均為h的氣膜。若鋼管發(fā)生中心偏移,導(dǎo)致鋼管與探靴之間的間隙發(fā)生變化,從而整個(gè)氣體作用力會(huì)隨著鋼管中心的偏移有不同程度的提高,使探靴在該作用的推動(dòng)下向間隙減小的一側(cè)偏移,最終達(dá)到新的平衡位置。這樣,氣膜厚度h被限制在能滿足檢測要求的微小范圍內(nèi)變化,從而實(shí)現(xiàn)了探靴對(duì)鋼管的非接觸式跟蹤。

考慮到鋼管外徑遠(yuǎn)大于氣膜厚度h,因此略去圓柱表面曲率的影響,將鋼管表面氣膜展開成平面[9]。將展開的氣膜按節(jié)流孔數(shù)目在圓周方向上分為N等分,每一等分的寬度為:

式中:D為鋼管外徑。

假設(shè)氣膜厚度在每一等分中為常數(shù),其值等于該節(jié)流孔處的氣膜厚度值hk(k＝1,2,…,N)。在兩個(gè)節(jié)流孔間無氣體流動(dòng),氣體自小孔流出后,立即充滿等分的全寬度,使氣體在每個(gè)等分內(nèi)呈一維流動(dòng),每等分內(nèi)兩節(jié)流孔間壓力相等,其值為該等分節(jié)流孔后的出口壓力pdk;氣體無周向流動(dòng),只是沿鋼管軸向流向端面,其壓力由孔后出口壓力pdk降至環(huán)境壓力p0,氣浮探靴內(nèi)高壓空氣流動(dòng)方向示意如圖3所示。

圖3 氣浮探靴內(nèi)高壓空氣流動(dòng)方向示意

由此,在求解每一等分內(nèi)壓力分布時(shí)只取從節(jié)流孔到軸端的一段即可。第k等分氣膜壓力分布如圖4所示,取第k等分,以節(jié)流孔中心處為原點(diǎn),垂直氣膜方向?yàn)閤軸,沿氣流方向?yàn)閥軸。

圖4 第k等分氣膜壓力分布

由于氣體流動(dòng)時(shí)間很短,可認(rèn)為整個(gè)流動(dòng)過程為絕熱且無黏性的流動(dòng)過程,可得到第k個(gè)等分氣體質(zhì)量流量為:

式中:A＝πd2/4,為節(jié)流孔面積;ρ0為空氣密度;φ為流量系數(shù),一般可取0.8。

設(shè)

當(dāng)βk≤βλ時(shí):

當(dāng)βk≥βλ時(shí):

對(duì)于空氣,λ＝1.41,則βλ＝0.528。

根據(jù)氣體流動(dòng)狀態(tài)方程,可得到第k段氣膜壓力為:

式中:η為空氣的黏性系數(shù),對(duì)于空氣而言,常溫下的η為18.4×10－6N·s·m－2。

對(duì)于兩排各N個(gè)孔的氣浮探靴,其中心截面可視為受N個(gè)方向的力。每個(gè)方向的力均可看作是高壓氣體作用在弦長為L＝Dsin(π/n)上的徑向力。其中,第k個(gè)方向上的油膜力大小為:

由于鋼管運(yùn)動(dòng)仍然屬于低速運(yùn)轉(zhuǎn),其動(dòng)壓效應(yīng)并不明顯,故仍可將鋼管運(yùn)動(dòng)視為簡單的靜壓狀態(tài)。當(dāng)鋼管發(fā)生偏移時(shí),各個(gè)等分內(nèi)的平均間隙也隨之發(fā)生變化。氣浮探靴與發(fā)生中心偏移的鋼管結(jié)構(gòu)如圖5所示,第k個(gè)等分的平均間隙為:

式中:ε為偏心率;θ為位姿角。

圖5 氣浮探靴與發(fā)生中心偏移的鋼管結(jié)構(gòu)示意

將式(8)代入式(6)中,可得到第k個(gè)節(jié)流口處的壓力為:

由此可得到氣浮探靴所受到的氣體浮力為:

由于彈簧長度變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大,因此通過氣體浮力來消除探靴重力,將式(10)進(jìn)行矢量分解,可得到氣體浮力在與重力方向相反的豎直方向的合力為:

針對(duì)鋼管的不同偏心率,計(jì)算氣浮探靴最大承載力,可得到氣浮探靴承載力與偏心率的關(guān)系曲線如圖6所示。由圖可以看出承載力隨偏心率增大而增大,這主要是由于隨著偏心率的增大,各節(jié)流孔平均間隙減小,壓力差降低,孔口壓力增大,從而使得承載力增大。

圖6 氣浮探靴承載力與偏心率的關(guān)系曲線

3 檢測系統(tǒng)與信號(hào)顯示

鋼管的質(zhì)量檢測結(jié)果是鋼管出廠的唯一認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn),對(duì)鋼管缺陷的漏檢將會(huì)帶來較大的安全隱患。為此,必須對(duì)所有生產(chǎn)鋼管進(jìn)行包括無損檢測和測厚在內(nèi)的綜合測試,并達(dá)到相應(yīng)指標(biāo)后才能投產(chǎn)使用。圖7為針對(duì)鋼管漏磁檢測電磁超聲測厚需求設(shè)計(jì)的一套在線檢測系統(tǒng)(1為壓緊輪1＃,2為橫向漏磁檢測主機(jī),3為壓緊輪2＃,4為縱向漏磁檢測主機(jī),5為壓緊輪3＃,6為電磁超聲測厚主機(jī),7為壓緊輪4＃),檢測鋼管直徑范圍為140～340 mm,壁厚范圍為7.2～20 mm,最高檢測速度為1.2 m·s－1。

圖7 鋼管高速綜合檢測系統(tǒng)外觀

為了測試電磁超聲測厚系統(tǒng)的有效性,以一根直徑為φ180 mm,壁厚為9.2 mm,長10 m的鋼管,通過自主研制的8通道EMAT測厚系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行檢測。圖8為采用周向磁化器提供磁場,氣源壓力調(diào)為0.4 MPa,探靴承載力為200 N時(shí)得到的一組數(shù)據(jù)。其中每一欄代表其中一個(gè)通道的測厚數(shù)據(jù),橫坐標(biāo)與鋼管的長度對(duì)應(yīng),縱坐標(biāo)每格代表10 mm。可以看出,8個(gè)通道的厚度曲線基本上與鋼管的實(shí)際厚度相符。不過,信號(hào)均有較小波動(dòng),這主要是由于鋼管在滾輪上的輕微甩動(dòng)導(dǎo)致測厚回波產(chǎn)生波動(dòng);另外,檢測過程中探頭外殼與鋼管接地良好對(duì)信號(hào)也有一定影響。通過連續(xù)測量25次,壁厚平均值為9.18 mm,最大最小值有較小波動(dòng),且波動(dòng)均在0.3 mm范圍內(nèi)。

圖8 鋼管8通道EMAT測厚數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

用于鋼管的氣浮式電磁超聲測厚探頭具有很高的使用價(jià)值,有利于提高檢測效率,降低勞動(dòng)強(qiáng)度,解決了長時(shí)間與鋼管的接觸性摩損嚴(yán)重的問題,延長了鋼管的使用壽命,達(dá)到了快速檢測和高品質(zhì)的要求。

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Gas Floating Electromagnetic Acoustic Thickness Measuring Transducer for Steel Tube

TU Jun1,CHEN Hao1,SONG Xiao-chun1,KANG Yi-hua2
(1.School of Mechanical Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China; 2.Wuhan Huayu-M Testing Equipment Co.,Ltd.,Wuhan 430074,China)

In order to adapt to the increasing production efficiency,the existing electromagnetic acoustic thickness measurement system for steel tube needs to be upgraded.On the basis of the preliminary designed transducer with the magnetizer and the testing coils separated,a gas floating designing method for the electromagnetic acoustic thickness measuring transducer is proposed.The gas film formed between the steel tube surface and the agent shoes is used to eliminate the contact friction,so as to realize the full floating servo tracking for the steel pipe.The maximum bearing capacity of the air floatation agent shoes under different eccentricity of the steel tube is obtained through the theoretical calculation.And the electromagnetic acoustic testing equipment with 8 channels was set up to measure the thickness of the steel tube.The accuracy of the measurement results shows that the method is effective.Theoretical analysis and experimental results show that,compared with the traditional method of electromagnetic acoustic thickness measurement for steel pipe,the gas floating designing method can solve the seriously wear problems of a long time contacting with the steel tube,and largely extend the service life of the probe,so as to meet the needs of the steel tube on-line detection preferably.

Electromagnetic acoustic transducer;Steel tube;Thickness measurement;Gas floating;Agent shoe

TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0075-04

10.11973/wsjc201701019

2016-05-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575165);湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014CKB506,2015CFB601);湖北工業(yè)大學(xué)高層次人才基金資助項(xiàng)目(BSQD14025)

涂 君(1983－),男,講師,博士,主要從事電磁超聲無損檢測方法與應(yīng)用研究工作。

涂 君,E-mail:tjezhou5196＠163.com。