直縫鋼管直度測(cè)量方法的探討

黃雄飛，張乾峰，張全寶，王 波，梁 剛

（中石化石油工程機(jī)械有限公司沙市鋼管廠技術(shù)中心，湖北 荊州434000）

直縫鋼管直度測(cè)量方法的探討

黃雄飛，張乾峰，張全寶，王 波，梁 剛

（中石化石油工程機(jī)械有限公司沙市鋼管廠技術(shù)中心，湖北 荊州434000）

為了準(zhǔn)確快速地測(cè)量直縫鋼管的直度，采用一種測(cè)量鋼管直度的新方法，該方法基于激光測(cè)距以及傳感器管端識(shí)別，單片機(jī)自動(dòng)控制，利用X光檢查小車回程，自動(dòng)完成直度的測(cè)量。測(cè)量過程中，針對(duì)鋼管質(zhì)量的不同、長(zhǎng)短不一以及彎曲方向的不確定設(shè)計(jì)了測(cè)量算法及相應(yīng)程序，用兩個(gè)管端識(shí)別傳感器組合出的兩位數(shù)二進(jìn)制編碼邏輯，自動(dòng)判斷出只有在小車返回時(shí)才進(jìn)行測(cè)量，并且同時(shí)測(cè)量出鋼管的長(zhǎng)度，單片機(jī)對(duì)管端識(shí)別傳感器進(jìn)行編碼，對(duì)激光測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、運(yùn)算，得出鋼管的直度值。應(yīng)用表明，該測(cè)量方法不需要增加作業(yè)環(huán)節(jié)，測(cè)量精度在1 mm左右。

直縫焊管；識(shí)別邏輯；激光測(cè)距；單片機(jī)；回程利用

Abstract:In order to accurately and rapidly detect the straight degree of longitudinal weld pipe,in this article,it introduced a new kind of measurement method.This method was based on laser ranging and sensor pipe end identification,single chip microcomputer automatic control,using X-ray to inspect carriage return,automatically finished straight degree measurement.During detection course,according to different quantity,different length of steel pipe,and the uncertaintity of bending direction,the measurement algorthm and corresponding program were designed.The two digit binary coding logic can be combinated of two sensors of pipe end identification,which can automatically judge to the measurement only when the car back and measure the length of steel pipe at the same time.Single chip microcomputer encoded pipe end identification sensor,which can carry out data acquisition,storage,computing.Finally,the pipe straightness was obtained.The application result indicated that this detection method did not need to increase operation link,the measurement accuracy was about 1 mm.

Key words:longitudinal welded pipe;recognition logic;laser ranging;single chip microcomputer;return utilization

鋼管的直度是鋼管質(zhì)量控制的指標(biāo)之一。受焊接應(yīng)力影響，直縫焊接鋼管特別是小直徑鋼管會(huì)沿焊接線方向產(chǎn)生彎曲。自動(dòng)準(zhǔn)確測(cè)量鋼管的直度是目前鋼管行業(yè)的難題之一。德國(guó)摩爾公司采用鋼管的管口投影，得出管端與管體彎曲部位的錯(cuò)開值；北京賽誠(chéng)工控公司采用二維激光條紋，沿著鋼管彎曲的側(cè)面進(jìn)行掃描，根據(jù)理想直度鋼管管體曲率與彎曲鋼管管體曲率的對(duì)比變化，得出鋼管的實(shí)測(cè)直度；西安某大學(xué)研究所采用3個(gè)激光測(cè)距傳感器置于轉(zhuǎn)胎上旋轉(zhuǎn)的鋼管上方，測(cè)量出轉(zhuǎn)胎間距段鋼管長(zhǎng)度的彎曲值，然后推算出全管長(zhǎng)度的直度。這些方法目前都停留在理論研討階段，還沒有研制出一套實(shí)用的測(cè)量裝置。以上介紹的第一和第三種方案，能做到對(duì)鋼管管體全方位的直度測(cè)量，第二種方案是要先找出彎曲鋼管的側(cè)面，然后對(duì)側(cè)面進(jìn)行掃描。上述方法從理論上講都存在明顯的誤差，且這些測(cè)量方案都需要安裝相應(yīng)的裝置，設(shè)置專門的崗位，增加了生產(chǎn)成本，延長(zhǎng)了作業(yè)生產(chǎn)線。

1 直縫鋼管直度產(chǎn)生的原因

直縫焊接鋼管的彎曲，是由于金屬部件不同部位受熱不均勻而產(chǎn)生的熱應(yīng)力塑性變形導(dǎo)致的，該塑性變形屬于一般金屬的物理特性。直縫焊接鋼管的加工工藝是將一張長(zhǎng)方形的鋼板通過機(jī)械方法彎曲成一個(gè)圓筒形狀，形成一條未閉合的直縫，然后將這條縫隙焊接起來，焊接應(yīng)力會(huì)沿著管體產(chǎn)生變形，使鋼管變成香蕉狀，直徑越小的鋼管變形越嚴(yán)重，特別是Φ406 mm以下的鋼管變形尤為突出。采用機(jī)械擴(kuò)徑可以使變形彎曲的鋼管再一次發(fā)生塑性變形，從而很大程度修正彎曲。

鋼管彎曲通常是沿著焊縫的方向，本研究所論述的直度測(cè)量方法就是沿著焊縫的方向展開的。

2 直度測(cè)量方法

直度測(cè)量過程如圖1所示。圖1中，激光測(cè)距傳感器、1號(hào)和2號(hào)管端識(shí)別傳感器懸空固定于鋼管正上方，小車帶動(dòng)鋼管在軌道上行走，激光測(cè)距傳感器沿著焊縫彎曲線不斷采集長(zhǎng)度距離，最后經(jīng)過運(yùn)算得出直縫鋼管的直度。

圖1 激光直度測(cè)量過程示意圖

圖1中，兩個(gè)管端識(shí)別傳感器可組合成兩位數(shù)的二進(jìn)制編碼00、01、10、11，由11變?yōu)?0時(shí)給激光測(cè)距傳感器通電，又由00變?yōu)?1時(shí)啟動(dòng)管頭端激光測(cè)距，隨著小車不斷行走，當(dāng)激光測(cè)距傳感器位于鋼管末端時(shí)，編碼由11變?yōu)?1，結(jié)束測(cè)量，關(guān)閉激光測(cè)距傳感器，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至檢查室的終端顯示屏上。之所以要用2個(gè)管端識(shí)別傳感器組合出兩位數(shù)的二進(jìn)制編碼來控制測(cè)量與否，是由于在X光對(duì)鋼管進(jìn)行檢查的過程中，特別是在2個(gè)管端部位要對(duì)管端進(jìn)行來來回回的檢查，如果沒有識(shí)別功能，激光測(cè)量將會(huì)頻繁地啟動(dòng)檢測(cè)。

3 測(cè)量算法

直縫鋼管直度測(cè)量利用X光檢查小車，在X光檢查結(jié)束后小車高速返回時(shí)進(jìn)行直度測(cè)量。鋼管直度值是用鋼管長(zhǎng)度的X‰來確定的，所以必須要知道鋼管的長(zhǎng)度，另外運(yùn)送到小車上的鋼管質(zhì)量不同，長(zhǎng)短不一，沿焊縫彎曲的方向不定，有時(shí)是凹形的，有時(shí)是凸形的，放置在小車上的鋼管有時(shí)是斜翹的，即管頭管尾不在一個(gè)水平線上，這些隨機(jī)因素都會(huì)影響測(cè)量的精度，甚至無法測(cè)量。要應(yīng)對(duì)這些隨機(jī)的因素，就要有相應(yīng)的算法來解決。

3.1 長(zhǎng)度的確定

利用小車運(yùn)送鋼管高速返回時(shí)，根據(jù)路程、速度、時(shí)間公式S=vt，用1號(hào)管端識(shí)別傳感器檢測(cè)到的管頭管尾信號(hào)的上升沿和下降沿，在編碼由11變?yōu)?1時(shí)提取此次的時(shí)間，計(jì)算鋼管的長(zhǎng)度，各個(gè)生產(chǎn)批次的鋼管由于直徑、壁厚的不同，質(zhì)量是不同的，有時(shí)差異會(huì)很大，小車運(yùn)送差異很大的鋼管時(shí)，速度會(huì)有較大的不同，這樣就會(huì)影響長(zhǎng)度計(jì)算的精度，為此設(shè)計(jì)了學(xué)習(xí)算法，即對(duì)每一個(gè)排產(chǎn)批次的首根鋼管進(jìn)行一次人工長(zhǎng)度測(cè)量，并將這根已知長(zhǎng)度的鋼管放在小車上進(jìn)行一次高速返回時(shí)的時(shí)間測(cè)量，得出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，即將速度v設(shè)為常量，這樣同一批次的不同長(zhǎng)度的鋼管，測(cè)得的時(shí)間就不同，因而得出了對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度。

3.2 對(duì)凹凸形彎曲和斜翹鋼管的算法

直逢鋼管的香蕉樣變形在各道加工工序后，沿著焊縫面的彎曲有時(shí)是凹形的，有時(shí)是凸形的。通常情況彎曲的最大點(diǎn)在鋼管的中點(diǎn)，隨機(jī)運(yùn)送到小車上的鋼管兩端不一定在一條水平線上，即有的時(shí)候管頭上翹，有的時(shí)候管尾上翹，針對(duì)這些情況設(shè)計(jì)了相應(yīng)的算法程序，如圖2所示。已知 a、b、c求g，做輔助線，如圖中虛線，其中c-a=d，d/2=e，a-b=f，f+e=g，整理簡(jiǎn)化后得

不論是凹形還是凸形鋼管，都是同一個(gè)計(jì)算公式，不論是放平還是斜翹都不影響測(cè)量計(jì)算，軌道即便是略有不平，對(duì)測(cè)量精度的影響也是有限的，這是由于激光測(cè)距傳感器是懸在空中靜止的，軌道的起伏，對(duì)鋼管（如圖2（b）中的a、b、c三點(diǎn)的起伏是近似同步的，所以在這個(gè)公式中g(shù)=（a+c）/2-b的計(jì)算對(duì)精度的影響就不像軌道起伏值那么大。

圖2 斜翹鋼管示意圖

3.3 算法程序

用2個(gè)管端識(shí)別傳感器組合出的兩位數(shù)二進(jìn)制編碼邏輯，自動(dòng)判斷出只有在小車返回時(shí)才進(jìn)行測(cè)量，并且同時(shí)測(cè)量出鋼管的長(zhǎng)度，單片機(jī)對(duì)管端識(shí)別傳感器進(jìn)行編碼，對(duì)激光測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、運(yùn)算，得出鋼管的直度值。部分算法程序如下：

4 結(jié)束語

鋼管行業(yè)在沒有一個(gè)實(shí)用的自動(dòng)直度測(cè)量裝置使用前，一直采用人工的方法測(cè)量直度，即繃緊一根繩索靠在管體上，然后用板尺測(cè)量繩索與管壁之間的距離，測(cè)量一根鋼管要3個(gè)人協(xié)作才能完成。本研究介紹的直度測(cè)量方案是將X光檢查小車的平直軌道作為一條直線基準(zhǔn)，利用X檢查結(jié)束后小車必然返回的行程自動(dòng)地測(cè)量出鋼管的直度來，這樣在流水作業(yè)線上不增加作業(yè)環(huán)節(jié)，不需設(shè)置專門的崗位，即達(dá)到測(cè)量的目的。測(cè)量精度受軌道直度和小車勻速性的影響，模擬試驗(yàn)測(cè)量精度在1 mm左右。直縫鋼管在擴(kuò)徑后有時(shí)彎曲會(huì)沿焊縫線方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)，本方案未考慮該情況，測(cè)量就無法完成，需進(jìn)一步開發(fā)。以焊縫方向?yàn)榱愣龋?0°角加一路或在45°角和90°角加兩路同時(shí)測(cè)量，就基本上能判斷整管的直度狀況。由于本系統(tǒng)采用無線傳輸方式，可方便地將直度信息傳送給制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)，即MES系統(tǒng)。

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Straight Degree Measurement Method Discussion of Longitudinal Weld Pipe

HUANG Xiongfei,ZHANG Qianfeng,ZHANG Quanbao,WANG Bo,LIANG Gang
（Shashi Steel Pipe Works Technology Centre,Sinopec Oilfield Equipment Corporation,Jingzhou 434000,Hubei）

TG445

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.05.008

2016-12-26

編輯：羅 剛

黃雄飛（1961—），男，電工高級(jí)技師，長(zhǎng)期從事鋼管制造設(shè)備的技術(shù)改造、應(yīng)用研究與開發(fā)工作。