離心球墨鑄鐵管全自動(dòng)在線全程壁厚檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

郝文源，陶群南，岳江峰，呂少峰，傅 駿

（1.蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司 蕪湖新興鑄管，安徽 蕪湖 241002；2.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系,四川 德陽(yáng) 618000 ）

0 引言

本公司鑒于離心球墨鑄鐵管壁厚檢測(cè)的重要性，組成了攻關(guān)小組，經(jīng)過(guò)十多年的攻關(guān)研究與創(chuàng)新實(shí)踐，自主研發(fā)出超大功率電磁超聲在線無(wú)耦合非接觸檢測(cè)球墨鑄鐵管壁厚技術(shù)。壁厚檢測(cè)速度快，精度高，無(wú)須耦合劑，性能提升空間大，居于行業(yè)和世界領(lǐng)先水平。

1 項(xiàng)目的意義

開(kāi)發(fā)高質(zhì)量的壁厚質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，是用水安全的必要保證。鑄鐵管壁質(zhì)量直接影響到廣大民眾的用水質(zhì)量和用水安全，管壁質(zhì)量問(wèn)題不但影響水輸送管道使用壽命，更可能引起水質(zhì)污染、水資源浪費(fèi)等重大問(wèn)題。

離心球墨鑄鐵管具有鐵的本質(zhì)、鋼的性能，它具有較高的抗內(nèi)壓、外壓能力，較好的耐腐蝕性和耐磨性，適應(yīng)現(xiàn)代城鎮(zhèn)供水、輸氣建設(shè)工程的需求。遇地基變化或地震現(xiàn)象，發(fā)生漏裂的比率最低，其震害率最小，具備管壁薄、韌性好、強(qiáng)度高、耐腐蝕、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)球墨離心鑄管行業(yè)發(fā)展迅速。因此，球墨鑄鐵管壁厚的測(cè)量在鑄鐵管的生產(chǎn)工藝中有非常重要的作用，其不但關(guān)系到直接的質(zhì)量控制，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)中鑄造參數(shù)的調(diào)整也具有十分重要的意義，是球墨鑄鐵管精細(xì)鑄造實(shí)現(xiàn)的前提之一[1]。

目前球墨鑄鐵管壁厚的測(cè)量主要方式是通過(guò)人工手持壓電超聲波設(shè)備，配合耦合劑對(duì)管身有限個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)量，僅能抽檢少量鑄管，這種測(cè)量壁厚的方法速度慢、勞動(dòng)量大，無(wú)法準(zhǔn)確反映生產(chǎn)線上全部產(chǎn)品的鑄造狀況,已經(jīng)嚴(yán)重落后于現(xiàn)代鑄鐵管的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)效率。對(duì)于動(dòng)輒幾十甚至幾百公里的供水管線來(lái)說(shuō)，未知的鑄造狀況存在巨大的質(zhì)量隱患。因此全自動(dòng)在線全程壁厚檢測(cè)就變得十分重要。

2 關(guān)鍵技術(shù)

目前在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中，電磁超聲檢測(cè)技術(shù)逐漸成熟并應(yīng)用廣泛，此項(xiàng)技術(shù)不使用耦合劑、檢測(cè)速度快、無(wú)污染、無(wú)輻射、可以適應(yīng)高溫環(huán)境，鑄鐵管、水泥層、漆層、鋅層均不影響檢測(cè)，此項(xiàng)技術(shù)的成熟使全自動(dòng)在線全程壁厚檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)成為可能[2]。

2.1 適用于球墨鑄鐵管的電磁超聲參數(shù)研究

該檢測(cè)技術(shù)不需要耦合劑，適應(yīng)于結(jié)晶粗大的球墨鑄鐵管材質(zhì)，探測(cè)無(wú)需對(duì)被測(cè)管表面進(jìn)行打磨或其他處理，可以克服管身表面工藝凸點(diǎn)的影響。

攻關(guān)小組通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算分析了球墨鑄鐵管中夾雜物的種類及各個(gè)夾雜物形成的難易程度，研究了夾雜物在球墨鑄鐵中的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)行為。熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)球墨鑄鐵中鈦含量為0.005%、0.015%和0.025%,冷卻速度為3℃/S時(shí),夾雜物的平均尺寸分別為2.14 μm、2.76 μm和3.04 μm,當(dāng)冷卻速度為1、3、6℃/S,Ti含量為0.015%時(shí),夾雜物的平均尺寸分別為4 μm、2.77 μm、1.5 μm。

針對(duì)以上研究成果，對(duì)被檢查金屬材質(zhì)有了更具體的掌握，對(duì)與電磁超聲在被測(cè)材料內(nèi)部產(chǎn)生和傳播的過(guò)程有了充分依據(jù)。除內(nèi)部結(jié)構(gòu)外，被測(cè)件體積大、尺寸長(zhǎng)，外表面布滿工藝凸點(diǎn)和龜裂紋，高度約0.5 mm，對(duì)電磁超聲信號(hào)形成干擾，通過(guò)脈沖跟隨有效控制探測(cè)距離，實(shí)現(xiàn)干擾消除[3]。

2.2 發(fā)明了針對(duì)墨鑄鐵材質(zhì)的電磁超聲探頭

探頭具備多頻率轉(zhuǎn)換功能，信號(hào)處理器采用DPS高速信號(hào)處理系統(tǒng)，可有高效處理接收信號(hào)，過(guò)濾干擾信號(hào)。攻關(guān)小組通過(guò)定制接收裝置接收高速信號(hào)并進(jìn)行放大顯示（電磁超聲）。此時(shí)，換能器已經(jīng)不單單是通交變電流的渦流線圈以及外部固定磁場(chǎng)的組合體，金屬表面也是換能器的一個(gè)重要組成部分，電和聲的轉(zhuǎn)換是靠金屬表面來(lái)完成的。

電磁超聲檢測(cè)裝置主要由高頻線圈、外加磁場(chǎng)、試件本身三部分組成，高頻線圈通以高頻激勵(lì)電流時(shí)就會(huì)在試件表面形成感應(yīng)渦流，感應(yīng)渦流在外加磁場(chǎng)的作用下會(huì)受到洛倫茲力的作用產(chǎn)生電磁超聲；同樣，強(qiáng)大的脈沖電流會(huì)向外輻射一個(gè)脈沖磁場(chǎng)，脈沖磁場(chǎng)和外加磁場(chǎng)的復(fù)合作用會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，磁致伸縮力的作用也會(huì)產(chǎn)生不同波形的電磁超聲。電磁超聲接收信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，進(jìn)入處理器，通提過(guò)信號(hào)過(guò)濾，去除有害信號(hào)后，有效信號(hào)進(jìn)入主機(jī)通過(guò)預(yù)設(shè)算法進(jìn)行整合計(jì)算后由硬件端口輸出。

2.3 發(fā)明了針對(duì)墨鑄鐵材質(zhì)的電磁超聲激發(fā)和接收儀器

針對(duì)墨鑄鐵管電磁超聲測(cè)量需要實(shí)現(xiàn)高頻高功率儀器裝置，研發(fā)中通過(guò)直流電壓全橋逆變技術(shù)，高頻變壓器升壓技術(shù)，電磁超聲發(fā)射電路脈沖電壓可達(dá)3 000 V，瞬態(tài)電流可以達(dá)到10 A，最大可以在5 M頻率下達(dá)到30 kW發(fā)射功率。電磁超聲接收的信號(hào)非常微弱。研發(fā)中采用輸入限幅+高阻抗、高夸導(dǎo)的JFET前置放大器+模擬濾波器+可控增益放大器+模擬/數(shù)字采樣轉(zhuǎn)換等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了放大器的輸入阻抗高，噪聲小，靈敏度高的特征。研發(fā)中采用賽靈思的Spartan6工業(yè)級(jí)FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，濾波，自相關(guān)運(yùn)算，數(shù)據(jù)緩存等工作，通過(guò)過(guò)采樣、FIR濾波、自相運(yùn)算3個(gè)技術(shù)增加了信噪比25 dB以上。

2.4 基于多軸聯(lián)動(dòng)控制的結(jié)構(gòu)變形補(bǔ)償機(jī)構(gòu)

開(kāi)發(fā)的測(cè)量機(jī)構(gòu)是能夠自動(dòng)適應(yīng)與長(zhǎng)管形變、彎曲、位置偏差的定位裝置，可保證探頭在長(zhǎng)距離檢測(cè)過(guò)程中對(duì)長(zhǎng)管在空間內(nèi)產(chǎn)生的位置偏差進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，保證探頭和被測(cè)管件的相對(duì)位置滿足檢測(cè)需要。

2.5 全自動(dòng)控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)從根本上保證了適用于全自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)無(wú)人化全天候全管全長(zhǎng)在線壁厚檢測(cè)。發(fā)明了能夠高速采集處理壁厚檢測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，系統(tǒng)配備數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了人機(jī)交互終端軟件，可對(duì)檢測(cè)異常情況直接通過(guò)界面向人工進(jìn)行信息展示，并指導(dǎo)離心機(jī)澆注系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。系統(tǒng)控制系統(tǒng)采用西門子S7-300系列PLC系統(tǒng)，配置有CPU、數(shù)字量、模擬量、網(wǎng)絡(luò)通信、DP通信等模塊，上位機(jī)采用研華高性能工控機(jī)，集成了高速多種運(yùn)動(dòng)控制器、SQL數(shù)據(jù)庫(kù)、VC++集成開(kāi)發(fā)環(huán)境等。上位機(jī)工控機(jī)作為控制中心與PLC系統(tǒng)、電磁超聲系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，并組織各模塊之間的工作，完成壁厚檢測(cè)，并完成數(shù)據(jù)的處理和呈現(xiàn)[4]。

控制系統(tǒng)操作臺(tái)設(shè)置有手動(dòng)和自動(dòng)轉(zhuǎn)換按鈕，當(dāng)設(shè)備需要維護(hù)或檢修時(shí)將按鈕打到手動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)各軸手動(dòng)運(yùn)行，此時(shí)各軸可單獨(dú)控制運(yùn)行。當(dāng)需要自動(dòng)檢測(cè)時(shí)，打到自動(dòng)檢測(cè)。即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。

2.6 系統(tǒng)總成

圖1是本系統(tǒng)總成結(jié)構(gòu)圖。

系統(tǒng)被測(cè)件由運(yùn)管輸送裝置運(yùn)送到檢測(cè)工位，立即進(jìn)行管徑識(shí)別，判斷管型后系統(tǒng)自動(dòng)完成相應(yīng)參數(shù)配置，并對(duì)電磁超聲和PLC系統(tǒng)通信情況進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)誤后自動(dòng)發(fā)出檢測(cè)開(kāi)始信號(hào)。PLC系統(tǒng)接到檢測(cè)信號(hào)后控制各機(jī)械軸運(yùn)動(dòng)，電磁超聲探頭接觸被測(cè)鑄管后電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始工作，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)運(yùn)算后得出壁厚數(shù)據(jù)并上傳給工控機(jī)，工控機(jī)整個(gè)位置和壁厚信息形成數(shù)據(jù)并繪制壁厚曲線，完成全管檢測(cè)后，工控機(jī)將所有數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警處理。然后進(jìn)入下一個(gè)檢測(cè)循環(huán)。

檢測(cè)長(zhǎng)度5.6 m，有效檢測(cè)點(diǎn)位120個(gè)左右，檢測(cè)時(shí)間30s，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線全管全長(zhǎng)檢測(cè)。檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接傳遞給離心機(jī)澆注系統(tǒng)，針對(duì)壁厚異常，進(jìn)行澆注參數(shù)調(diào)整。

3 結(jié)語(yǔ)

球墨鑄管在線厚度檢測(cè)儀，采用全新的電磁超聲檢測(cè)技術(shù)，無(wú)須耦合劑，非接觸快速測(cè)量，可對(duì)大多數(shù)金屬或磁性材料進(jìn)行檢測(cè)。與常規(guī)超聲測(cè)厚儀器相比，EMAT技術(shù)對(duì)檢測(cè)表面不敏感，適合粗糙的表面，允許通過(guò)覆層（油漆層或鐵銹層）或空氣層測(cè)量，免去除表面油污或鐵銹。對(duì)球墨鑄鐵材料進(jìn)行在線測(cè)厚，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。厚度測(cè)量結(jié)果不受角度影響，不受鑄管表面凸起，龜裂等因素影響，測(cè)量精度高（精確到0.01 mm）測(cè)量速度快。

通過(guò)蕪湖新興鑄管近幾年對(duì)在線壁厚檢測(cè)技術(shù)的攻關(guān)研究與創(chuàng)新實(shí)踐，目前形成了每年對(duì)20萬(wàn)噸球墨鑄鐵管壁厚進(jìn)行全長(zhǎng)壁厚檢測(cè)的能力,取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)和行業(yè)的發(fā)展,下一步計(jì)劃推廣到每年60萬(wàn)噸球墨鑄鐵管壁厚全檢。該壁厚檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)速度快，檢測(cè)準(zhǔn)確，無(wú)損，無(wú)須耦合劑，性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并已大量應(yīng)用對(duì)離心機(jī)澆注的參數(shù)調(diào)整，促進(jìn)壁厚均勻性提高和鐵耗的減少，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

目前電磁超聲測(cè)厚還不適應(yīng)于高溫情況下檢測(cè)，檢測(cè)位置離鑄造機(jī)較遠(yuǎn)，壁厚數(shù)據(jù)反饋存在一定滯后性。今后研究方向是針對(duì)鑄造機(jī)高溫鑄管壁厚檢測(cè)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，電磁超聲具備高溫檢測(cè)條件，但在部件耐受性需進(jìn)一步設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。