WT-4500 型超聲波鋼板自動探傷系統*

陶愛蓮， 汪 超， 馮 雪， 魏克同， 王 俊

（1. 中國石油渤海裝備江蘇鋼管有限公司， 南京210061；2. 南京鋼鐵股份有限公司， 南京 210061；3. 武漢中科創新技術股份有限公司， 武漢430070）

0 前 言

WT－4500 型超聲波鋼板自動探傷設備， 是根據石油輸送管行業質量檢驗需求開發的較成熟產品， 能滿足石油管行業超聲波檢驗標準的要求，適用于連續不斷地檢測鋼管管體、 鋼板分層以及鋼板板邊非分層的缺陷[1-3]。 該探傷系統可依照ASTM A435 或等效標準選擇掃查方式[4-6]， 且探傷準確度高， 檢測速度快， 最高探傷速度可達30 m/min， 誤報率低， 板端盲區≤15 mm。 南京巨龍鋼管有限公司現用的WT－4500 型超聲波探傷設備， 在結構設計上結合了現有直縫焊管生產線的布局， 最大限度利用現有設施、 場地等條件， 且總體設計方案及性能指標均符合相關國家標準的要求， 設備結構合理、 性能安全可靠且操作方便。

1 探頭布置

WT－4500 型超聲波鋼板自動探傷設備可全方位檢驗鋼板寬度為1 500～4 500 mm， 鋼板厚度為8.0～60.0 mm， 鋼板名義長度為8 000～12 500 mm （不包括引熄弧板長度）。 WT－4500型探傷設備探頭總體布局如圖1 所示。 探傷系統共232 個通道 （包括2 個備用通道）， 其中邊探2 組， 每組5 個通道， 共10 個通道， 滿足鋼板兩側邊各100 mm 范圍內100%縱波探傷且至少15%的重疊； 中部196 組縱波探頭， 每組1 個通道， 進行鋼板中部分層探傷， 保障鋼板中部縱波探傷覆蓋率達100%[7-8]， 并至少15%的重疊； 邊部12 組斜探頭， 每組斜探頭由雙晶片組成， 每個晶片反向發射和接收， 互不干擾， 共24 個通道， 每邊由6 組斜探頭 （12 個通道） 對板邊非分層橫向和縱向進行檢測， 對兩邊各50 mm 范圍100%橫波探傷。

圖1 WT-4500 型探傷設備探頭總體布局

2 結構及系統設計

WT－4500 型超聲波鋼板自動探傷設備的機械掃查機構為龍門結構， 鋼板通過輸送輥道時進行探傷， 實現了物料輸送和檢驗過程的全自動化， 并跟蹤鋼板邊緣， 對鋼板邊緣和中間部位進行超聲波探傷。 在檢測過程中， 檢測設備能實時顯示整個鋼板的C 掃描圖并實時報警， 然后擠除鋼板表面積水， 風干處理并噴涂標記， 輸出記錄、 檢測報告等[7-8]。

2.1 主要機械結構

該鋼板自動探傷設備主體由前后龍門橫梁、立柱與升降機構、 左右邊探探頭小車機構、 中間陣列探頭架、 預濕機構、 擠水機構、 噴標機構等組成。 探傷設備的總體機械結構如圖2 所示。

圖2 探傷設備的總體機械結構示意圖

2.1.1 橫梁立柱與升降機構

前后橫梁采用矩形梁， 通過橫梁兩側2 條直線導軌和中部的齒條， 通過伺服驅動移動邊探小車和中間探頭陣列， 能精確控制邊探小車和中間探頭陣列機構移動到鋼板對應的位置進行探傷。 探傷設備為龍門架構， 其中橫梁通過升降機沿立柱側面直線導軌上下移動， 以調節探頭的上下位置， 便于安裝更換和調試等， 上下調節范圍根據使用情況和現場設備布局進行設計。

2.1.2 主機升降架機構

主機升降架機構主要包括頂部橫梁走臺和升降機構， 橫梁上鋪設格柵板， 在立柱的一側安裝帶護籠的直護梯， 便于安裝和維護升降機和電機， 同時也保障操作和維修人員的安全。立柱兩側升降機通過減速機和聯軸器連接， 保證兩側升降機能保持同步升降， 為橫梁的起落提供動力。

2.1.3 邊探機構和探頭小車機構

在前橫梁的直線導軌兩端各有一臺伺服電機， 通過齒輪齒條驅動探頭小車在橫梁上移動。 當邊緣跟蹤啟動時， 小車向邊緣行走， 直到探傷小車傳感器檢測到鋼板邊緣， 邊探氣缸動作， 探臂和探頭落下。

邊探機構采用氣控水閥控制探頭供水， 當電磁閥通電、 氣缸向下伸出時， 與氣缸氣管連接的氣控水閥打開， 氣控水閥通過探頭架水路提供持續探傷耦合水， 探頭開始探傷。

探頭小車機構采用氣缸和彈簧組合實現升降， 當探傷開始時， 電磁閥打開， 控制氣缸伸出， 彈簧被拉伸； 當電磁閥關閉， 氣缸在彈簧力作用下縮回， 邊探機構縮回， 可以實現氣壓不足時主動保護探頭的作用。 邊探機構如圖3所示。

圖3 邊探機構示意圖

2.1.4 中部探頭陣列機構

設備主體中部探頭陣列夾持分別安裝在前橫梁和后橫梁的一側， 前橫梁有24 組、 后橫梁有25 組， 共49 組以滿足不同規格鋼板寬度的要求， 探頭夾持架采用不銹鋼和耐磨條制作[9-10]。 通過移動橫梁一側直線導軌中間的齒輪齒條來驅動探頭陣列， 中部探頭陣列機構如圖4 所示。

圖4 中部探頭陣列機構示意圖

2.1.5 中間探頭陣列升降機構

陣列升降機構采用探頭一體式集成夾持在探頭架上， 就探頭與鋼板而言， 探頭具有3 個空間自由度和3 個旋轉自由度。 探頭夾持可上下起落， 當探頭架落下后， 因探頭架各旋轉軸可偏轉一定的角度， 可以很好的控制探頭夾持， 使其能夠隨鋼板表面的起伏而隨動， 同時利用自身的鎖緊力也能充分保證探頭夾持的可靠性及穩定性。探頭機構能自適應調節探頭與鋼板的相對位置，確保探傷過程中有足夠的自由度來滿足鋼板凸起、 不平、 偏擺等各種狀態， 完全滿足探傷的需要[11-12]。 陣列升降機構如圖5 所示。

圖5 陣列升降機構示意圖

2.1.6 預濕機構

預濕機構采用對鋼板先期預濕， 當光電開關檢測到鋼板進入預濕架端頭時， 自動打開預濕管路水閥， 在鋼板表面均勻噴水。

在進入預濕輥之前， 該機構裝有一個編碼器， 當鋼板與編碼器輪接觸， 編碼器開始實時記錄設備在鋼板上的移動距離。 當探傷發現鋼板缺陷時， 記錄缺陷位置， 當記錄的缺陷到達噴標器位置時， 噴標器動作， 在鋼板缺陷位置噴上標記。 預濕機構如圖6 所示。

圖6 預濕機構示意圖

2.1.7 擠水吹干機構

在原有探傷工位后方增加的擠水吹干機構如圖7 所示。 擠水吹干時， 先用壓輥將鋼板上的明水擠壓除去， 然后通過高壓空氣吹干鋼板。

圖7 擠水吹干機構示意圖

2.1.8 測長機構

測長機構如圖8 所示。 測長機構安裝在預濕噴淋機構之后， 擠水吹干噴標前， 可以獨立起落， 實時監測鋼板在探傷時的實際位置信息。

圖8 測長機構示意圖

2.1.9 噴標機構

相對于很多超聲波自動探傷設備噴標定位時存在定位不準、 鋼板積水不容易干、 噴點偏大等問題， WT－4500 超聲波鋼板自動探傷設備設計了擠水吹干機構， 對鋼板表面的水進行清理， 同時引進德國進口的SIGNIER 一套噴標機構， 該噴標系統配有專業防水漆和自動防堵噴嘴， 可以調節壓力， 使得噴出去的顏料在鋼板上附著力增強， 效果清晰。 噴標機構如圖9 所示。

圖9 噴標機構示意圖

2.2 探傷設備軟件主要功能描述

WT－4500 型超聲波鋼板自動探傷設備控制軟件系統儀器采用模塊化集成， 儀器電源模塊內部包含一臺工業交換機， 儀器內每個模塊均通過工業級網線相連， 工控機作為服務器， 為上層探傷軟件提供操作平臺， 與工業交換機互聯互通。控制軟件系統總體框圖如圖10 所示。

圖10 控制軟件系統總體框圖

2.2.1 探傷參數設置

探傷參數設置主要包括“檢測參數設置” 和“通道參數設置” 兩個子菜單選項[2-3]。

“檢測參數設置” 是用于設置探傷系統各種功能的窗口， 檢測參數設置界面如圖11 所示。

圖11 檢測參數設置界面

“通道參數設置” 主要由基本參數區與高級區組成， 點擊框圖右下角的 “高級” 選項進行切換， 可以實現掃查基線調節、 檢測范圍設定、 儀器零偏、 檢測聲速、 探傷增益、 工作方式、 檢波方式、 重復頻率、 閘門設置及探頭選用等參數的設置[2-4]。 通道參數設置界面如圖12所示。

圖12 通道參數設置界面

2.2.2 參數管理

參數管理包含“通道參數復制”、 “配制參數讀取” 和“配制參數另存” 三個選項。

“通道參數復制” 的作用是將當前通道的參數復制到其他指定通道上， 方便用戶調節。 用戶可手動設置一個通道的參數， 然后將其參數通過該功能復制到其他功能相同的通道上。 但由于每個探頭的差異導致各通道之間也會有一定的差異， 因此在復制參數后， 必須針對每個通道對參數進行微調。 通道參數復制界面如圖13 所示。

“通道參數讀取” 的作用是將原來保存的探傷參數匹配到當前時刻， “通道參數另存” 的作用是將當前探傷參數進行保存。 用戶可在調試了某樣板后， 通過“通道參數另存” 菜單保存當前參數， 以后遇到相同的鋼板探傷時， 可直接通過該菜單讀取保存的參數， 然后在此基礎上進行微調即可[4,13]。

圖13 通道參數復制界面

3 檢測結果顯示

3.1 檢測波形顯示

采用WT－4500 型超聲波鋼板自動探傷設備觀察檢測波形時， 儀器可同時觀察單個通道、2 個通道、 4 個通道、 8 個通道等所有通道所有回波的波形情況， 通道波形顯示界面由熱鍵選擇啟動切換。 行進檢測時， 觀察所有通道的顯示界面； 分析或判定傷損時， 切換單個通道的顯示界面， 被放大的單個通道的回波圖形， 有助于對傷損情況進行準確的分析與判定。 通過編碼器定位系統， 任何通道只要發現傷損回波， 通過展開圖窗口均可查找到傷損所在鋼板的定位位置[2-4]。通道波形顯示界面如圖14 所示， 傷損回波展開圖界面如圖15 所示。

圖14 通道波形顯示界面

圖15 傷損回波展開圖界面

3.2 檢測報告顯示

“檢測報告” 選項提供探傷結果分析界面，可使用該菜單查看歷史探傷記錄并顯示相關波形。 檢測報告顯示界面如圖16 所示， 圖16 中界面右側為探傷記錄選擇區， 用戶可以單擊選擇欲查看的記錄， 程序會在下部繪出該鋼板的帶狀圖， 并在上面波形顯示區顯示對應通道的A 掃波形[13]， 用戶可以通過鼠標左右移動來查看記錄波形。

圖16 檢測報告顯示界面

4 性能指標測試結果

南京市計量監督檢測院對該系統的每個通道進行了指標測試， 測試執行超聲波標準JISZ－2352 和計量檢定規程JIG 746—2004 標準[14-15]。測試結果為： 該系統的水平線性誤差均在0.1%～0.3%之間， 優于標準要求的≤2%； 垂直線性誤差均在1.2%～2.2%之間， 優于標準要求的≤6%；動態范圍均在≥30 dB， 優于標準要求的≥26 dB；衰減器誤差為≤±0.2 dB/2 dB， ≤±0.4 dB/6 dB，≤±0.5 dB/12 dB， 優于標準要求的≤±1 dB/12 dB；電噪聲電平均在4%～10%之間， 且剩余增益在65～70 dB 之間， 優于標準要求的電噪聲電平≤20%， 且剩余增益為60 dB； 靈敏度余量均在50～65 dB 之間， 優于標準要求的≥42 dB； 分辨率均在32～36 dB 之間， 優于標準要求的≥26 dB。

5 結束語

采用超聲波標準JIS－Z－2352 和計量檢定規程JJG 746—2004 對WT－4500 型超聲波鋼板自動探傷設備的性能進行了測定， 測定結果表明，該系統的水平線性、 垂直線性、 動態范圍、 遠距離和近距離分辨率、 靈敏度余量等技術指標均達到標準要求， 性能穩定。

該套檢測系統能夠準確跟蹤鋼板并與鋼板表面耦合良好， 避免漏探和誤探。 檢測系統可靠性高， 操作簡便， 探傷檢測能力和效果明顯高于國內外同類產品， 尤其是鋼板邊部12 組斜探頭，每組斜探頭由雙晶片組成， 每個晶片反方發射和接收， 互不干擾， 共24 個通道， 每邊由6 組斜探頭 （12 個通道） 對板邊非分層橫向和縱向進行檢測， 對兩邊各50 mm 范圍100%橫波探傷屬于國內外首創。 另外， 該設備中部196 組縱波探頭， 每個探頭保障了有效區域均至少有15%重疊覆蓋， 確保鋼板中部覆蓋率100%的縱波探傷檢驗， 實現了全板面100%超聲波探傷自動化檢測， 強化了鋼板表面和內部缺陷的質量控制， 保證了鋼管的母材質量， 同時對鋼廠鋼板軋制質量的分析也具有較好的實用價值。