管道自動(dòng)X射線檢測(cè)裝置研發(fā)方法

周軍 ，雍漫江 ，賀能，譚湘 ， 喻穎，王頌

（1.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院湘潭分院，湖南 湘潭 411204；2.湘潭市匯豐設(shè)備制造有限公司，湖南 湘潭 411101）

目前，國(guó)內(nèi)壓力管道對(duì)接焊縫的無(wú)損檢測(cè)以X射線檢測(cè)為主，長(zhǎng)輸管線可采用爬行器在管內(nèi)進(jìn)行中心曝光的方式進(jìn)行檢測(cè)，但連頭口、彎頭口等部位，爬行器無(wú)法有效使用，基本上采用定向X射線機(jī)在管外進(jìn)行雙壁單影透照，而化工及電力等系統(tǒng)的工業(yè)管道架空口、固定口采用X射線機(jī)進(jìn)行雙壁單影透照，因?yàn)闄z測(cè)設(shè)備體積大、重量大，在生產(chǎn)和檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)操作起來(lái)比較麻煩，工作強(qiáng)度大，效率低，而且還存在射線機(jī)放置位置無(wú)法準(zhǔn)確定位導(dǎo)致拍片質(zhì)量無(wú)法保證的現(xiàn)象。針對(duì)這種現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種用于檢測(cè)管道對(duì)接焊縫的X射線自動(dòng)檢測(cè)裝置。

1 設(shè)計(jì)思路

因?yàn)閄射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)相比，傳統(tǒng)的膠片檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)速度快、可電子存檔、可遠(yuǎn)程評(píng)判、分辨率高、圖像清晰、曝光劑量小等特點(diǎn)，同時(shí)，不用在被檢工件上貼膠片，可更好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此，本裝置選擇采用數(shù)字探測(cè)器作為成像裝置。首先，將X射線機(jī)和數(shù)字探測(cè)器等安裝在設(shè)計(jì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)上，然后，通過(guò)固定鎖緊機(jī)構(gòu)將檢測(cè)機(jī)構(gòu)固定在管道上，檢測(cè)機(jī)構(gòu)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)管道周向進(jìn)行透照和成像，由行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置沿管道軸向平移，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)裝置對(duì)管道進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。

圖1 裝置整體構(gòu)造

2 裝置組成及設(shè)計(jì)

2.1 裝置組成

射線自動(dòng)檢測(cè)裝置由固定鎖緊裝置、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)構(gòu)成（圖1、2）。

2.2 固定鎖緊裝置設(shè)計(jì)

固定鎖緊裝置由固定安裝板、鎖緊裝置、連接框架等組成。

圖2 裝置整體構(gòu)造截面圖

圖3 固定安裝板

固定安裝板（圖3）為有一定開(kāi)孔的圓形弧板，開(kāi)口的設(shè)計(jì)是為了安裝方便，大量圓孔的設(shè)計(jì)一是為了減輕整體裝置的重量，二是為了對(duì)不同規(guī)格管道檢測(cè)時(shí)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的末端裝入不同的通孔內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)匹配不同直徑的管道檢測(cè)。固定安裝板1和2上通過(guò)連接框架分別裝設(shè)鎖緊機(jī)構(gòu)。鎖緊機(jī)構(gòu)包括鎖緊電機(jī)和與鎖緊電機(jī)連接的鎖緊塊，鎖緊塊具有正對(duì)管道外壁的鎖緊面，鎖緊塊在鎖緊電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下朝向或者遠(yuǎn)離管道以鎖定或者解鎖?，F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)將裝置放置于管道的下方，使固定安裝板1、2上的開(kāi)口均對(duì)準(zhǔn)管道；利用提升機(jī)構(gòu)例如提升電機(jī)對(duì)裝置進(jìn)行提升，當(dāng)裝置快到管道時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)啟動(dòng)，使之驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)齒輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整旋轉(zhuǎn)齒輪開(kāi)口的角度，使旋轉(zhuǎn)齒輪開(kāi)口對(duì)準(zhǔn)管道，再次上升到位；控制鎖緊機(jī)構(gòu)中的鎖緊電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以帶動(dòng)鎖緊塊向壓緊方向運(yùn)轉(zhuǎn)，固定在管道上。鎖緊機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)力矩模式加位置雙模式控制，保證對(duì)管道的鎖緊力矩和精確定位。

2.3 檢測(cè)機(jī)構(gòu)功能設(shè)計(jì)

圖4 旋轉(zhuǎn)齒輪

檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)齒輪、射線機(jī)裝置、數(shù)字探測(cè)器裝置、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。旋轉(zhuǎn)齒輪（圖4）安裝于固定安裝板1上。旋轉(zhuǎn)齒輪加工成有一定的開(kāi)口，齒狀邊的兩個(gè)末端之間的距離不大于相鄰兩個(gè)齒輪之間的距離，從而可以保證不論旋轉(zhuǎn)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)至哪個(gè)角度，齒狀邊均有至少三個(gè)齒輪支撐驅(qū)動(dòng)，不會(huì)從固定安裝板1上脫出，保證其旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)X射線機(jī)和探測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)管道全周的檢測(cè)。內(nèi)壁面位置沿周向設(shè)置有三個(gè)凸輪，三個(gè)凸輪分別通過(guò)軸連接至固定板1上，可便于旋轉(zhuǎn)齒輪順暢地轉(zhuǎn)動(dòng)。四個(gè)齒輪支撐在旋轉(zhuǎn)齒輪的外圓周上，四個(gè)齒輪的連線呈正方形，而位于對(duì)角線上的兩個(gè)齒輪的連線則穿過(guò)旋轉(zhuǎn)齒輪的圓心，可使得齒輪對(duì)旋轉(zhuǎn)齒輪的支撐更加穩(wěn)定可靠。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括至少四個(gè)齒輪以及驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用高精度伺服電機(jī)，伺服電機(jī)帶電機(jī)軸鎖緊裝置(斷電制動(dòng)離合器)有效的保證了斷電時(shí)電機(jī)軸是鎖死的。每個(gè)伺服電機(jī)有一個(gè)正限位、一個(gè)負(fù)限位和一個(gè)原點(diǎn)開(kāi)關(guān)，伺服電機(jī)控制采用閉環(huán)控制方式，以保證精確的定位。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方式簡(jiǎn)便且可靠。通過(guò)旋轉(zhuǎn)齒輪的傳動(dòng)作用，驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)齒輪，即可實(shí)現(xiàn)其他齒輪的同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

射線機(jī)裝置固定連接于旋轉(zhuǎn)齒輪自由側(cè)表面的一側(cè)，用于從管道的外側(cè)提供穿透管道的射線。射線機(jī)裝置包括固定連接于旋轉(zhuǎn)齒輪自由側(cè)表面的機(jī)座，機(jī)座上安裝有X射線機(jī)，其大致呈L型，射線機(jī)與管道的夾角已提前預(yù)設(shè)好。同時(shí)，射線機(jī)頭可升降變化，實(shí)現(xiàn)焦距的精確控制。機(jī)座的末端還連接有朝向管道所在方向延伸的支座，支座的末端安裝有用于滾動(dòng)支撐于管道外壁的萬(wàn)向輪。通過(guò)在L型機(jī)座支座末端設(shè)置萬(wàn)向輪，增加了機(jī)座的支撐點(diǎn)，使其更穩(wěn)固，便于檢測(cè)工作的進(jìn)行。

探測(cè)器裝置固定連接于旋轉(zhuǎn)齒輪上，與射線機(jī)裝置相對(duì)布設(shè)，用于接收穿透管道后的射線并成像。探測(cè)器裝置包括固定連接于旋轉(zhuǎn)齒輪的配重安裝座，配重安裝座可以平衡旋轉(zhuǎn)齒輪兩端的受力，保證其旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定。配重安裝座的末端設(shè)置有用于安裝攝像頭的探測(cè)器，以及用于驅(qū)動(dòng)探測(cè)器沿管道徑向靠攏或者遠(yuǎn)離管道的移位電機(jī)。移位電機(jī)的輸出軸通過(guò)渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與探測(cè)器的連接，并以此結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)成像安裝座的移動(dòng)。通過(guò)移位電機(jī)驅(qū)動(dòng)成像安裝板遠(yuǎn)離管道，可便于行走機(jī)構(gòu)帶動(dòng)整個(gè)裝置沿管道行走以及旋轉(zhuǎn)齒輪繞管道周向旋轉(zhuǎn)；通過(guò)移位電機(jī)驅(qū)動(dòng)成像安裝板靠攏管道外壁，可使得其上安裝的攝像頭貼近管道外壁對(duì)透照的焊縫進(jìn)行成像。探測(cè)器上安裝有多個(gè)攝像頭，攝像頭以無(wú)線方式發(fā)送圖像數(shù)據(jù)給遠(yuǎn)程的控制系統(tǒng)。

2.4 行走機(jī)構(gòu)功能設(shè)計(jì)

裝置雖然采用鋁合金進(jìn)行了輕量化處理，但所搭載常規(guī)X射線機(jī)等較重，加上本身的重量可重達(dá)70kg，為了讓檢測(cè)裝置能平穩(wěn)的行走，行走采用類(lèi)似于爬行機(jī)構(gòu)，爬行動(dòng)作類(lèi)似于人的雙腳爬桿動(dòng)作，固定安裝板1、2相當(dāng)于雙腳，一只腳固定，另一只腳向前移動(dòng)，行走到限位后，停止并鎖緊，換只腳移動(dòng)，如此循環(huán)，即可實(shí)現(xiàn)行走功能。在2塊固定安裝板的四周布置4個(gè)導(dǎo)向裝置（圖5），導(dǎo)向裝置由同步輪，軸承座、鋁座、導(dǎo)管、絲桿、鋼座組成。

圖5 導(dǎo)向裝置

導(dǎo)向裝置兩端分別固定在固定安裝板1和2上。同步輪安裝在固定安裝板1上，鋼座安裝在固定安裝板2上，同步輪側(cè)配置有行走電機(jī)。當(dāng)需要在管道上進(jìn)行行走時(shí)，首先松開(kāi)固定安裝板2上的鎖緊裝置，然后，通過(guò)固定安裝板1上的行走電機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)同步輪使得絲桿向前方伸長(zhǎng)從而帶動(dòng)固定安裝板1上的檢測(cè)裝置和探測(cè)器向前行走，當(dāng)固定安裝板1到達(dá)指定位置時(shí)，通過(guò)鎖緊電機(jī)固定安裝板1，再松開(kāi)固定安裝板2的鎖緊裝置，通過(guò)行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步輪反轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲桿向固定安裝板1方向移動(dòng)，使得固定卡板1也向前行走。如此可實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)并帶動(dòng)檢測(cè)裝置在管道外壁的爬行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道方向上不同位置處的焊縫的檢測(cè)。兩個(gè)固定安裝板上都裝有沿著圓周均分分布可徑向移動(dòng)的三個(gè)滾輪，在整個(gè)裝置行走時(shí)，可起到一定的支撐作用。裝置行走速度可通過(guò)行走電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)，目前，可實(shí)現(xiàn)5m/min的行走速度，行走距離可調(diào)，行走停止位精度可達(dá)±10mm。

2.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)界面包括有控制操作屏、圖像監(jiān)控屏、緊急急停按鈕、控制按鈕等?？刂撇僮髌良{(diào)整按鈕、電機(jī)狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置、故障報(bào)警于一體。裝置安裝了多個(gè)距離傳感器，設(shè)置在行走機(jī)構(gòu)上的距離傳感器用于檢測(cè)外部的障礙，前方有障礙物及時(shí)停止并發(fā)出報(bào)警信息；設(shè)置在射線機(jī)上的距離傳感器用于在檢測(cè)前實(shí)現(xiàn)射線機(jī)位置的準(zhǔn)確定位，以保障檢測(cè)工藝的有效實(shí)施和檢測(cè)質(zhì)量。裝置中設(shè)置了多個(gè)攝像頭以及方便遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看裝置的運(yùn)行情況和及時(shí)調(diào)整。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、成像機(jī)構(gòu)以及行走機(jī)構(gòu)中的電機(jī)均采用高精度伺服電機(jī)，伺服電機(jī)帶電機(jī)軸鎖緊裝置(斷電制動(dòng)離合器)，有效地保證了斷電時(shí)電機(jī)軸是鎖死的。還采用了專(zhuān)用的運(yùn)動(dòng)控制器與伺服電機(jī)連接，為伺服電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，伺服電機(jī)反饋位置信息到運(yùn)動(dòng)控制器，進(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)，外部的限位信號(hào)、原點(diǎn)信號(hào)、超聲波距離傳感器的信號(hào)進(jìn)入運(yùn)動(dòng)控制器，使用控制更精確、更合理。

3 實(shí)際應(yīng)用

圖6 裝置實(shí)物圖

整體裝置裝配后，各緊固部件牢固可靠，各連接部位吻合較好，行走機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，運(yùn)行平穩(wěn)，控制部分指令可靠，無(wú)錯(cuò)誤動(dòng)作，同時(shí)，通過(guò)了最大爬坡度、行進(jìn)速度、停止位精度、爬行運(yùn)行可靠性、爬行遇障礙自動(dòng)停止等相關(guān)性能測(cè)試試驗(yàn)，并有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）實(shí)現(xiàn)了沿管外徑360°自動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)整圈焊縫的自動(dòng)檢測(cè)。傳統(tǒng)探傷方法需人工手動(dòng)固定機(jī)頭的位置，拍完一張后再將機(jī)頭換一個(gè)位置，幾十公斤重的機(jī)頭需沿管道焊縫周向移動(dòng)多次，射線機(jī)放置時(shí)間長(zhǎng)，采用本裝置后，檢測(cè)裝置只需現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后可一次性連續(xù)完成整圈焊縫的檢測(cè)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，探傷人員往返時(shí)間和調(diào)整射線機(jī)位置時(shí)間大大縮短，提高了工作效率。（2）可覆蓋不同管徑（φ219～426）的管道和彎頭、變徑口、管道固定口等管道對(duì)接焊縫的X射線檢測(cè)。（3）使用鋁合金材料制造，自動(dòng)檢測(cè)裝置重量輕，便于攜帶安裝。（4）保證了檢測(cè)質(zhì)量?，F(xiàn)場(chǎng)射線機(jī)放置位置都是靠經(jīng)驗(yàn)、臨時(shí)裝置固定，導(dǎo)致成像質(zhì)量得不到保證，不合格片增加，需要重拍。尤其是高空中對(duì)管道進(jìn)行射線檢測(cè)時(shí)，射線機(jī)定位非常重要，位置稍有偏差，可能導(dǎo)致照偏，通過(guò)本裝置可精確地確定好射線機(jī)和探測(cè)裝置的位置，杜絕了白頭片、照偏等現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)合格率100%。同時(shí)，工藝參數(shù)由機(jī)械自動(dòng)控制，消除了人為因素，降低了操作難度，使得一般檢測(cè)人員僅需簡(jiǎn)單培訓(xùn)后即可拍出合格底片。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)管道自動(dòng)X射線檢測(cè)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、操作方便、自動(dòng)化程度高、可遠(yuǎn)程遙控等特點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)射線檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、檢測(cè)質(zhì)量無(wú)法得到保障的問(wèn)題，滿足了壓力管道定期檢驗(yàn)和安裝檢驗(yàn)過(guò)程的一些特殊情況的射線檢測(cè)的相關(guān)要求，有著良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，極具推廣價(jià)值。