无缝钢管在线高速无损超声探伤仪的研究与开发

2022-09-11

我国已经连续1 2年保持世界第一粗钢生产大国的地位, 随着产量的不断扩大, 无缝钢管的性能和质量问题也越来越多的得到国家和各研究所的重视。在无缝钢管的无损检测方面, 超声检测是国内外无缝钢管检测方面应用最广泛、使用频率最高、目前发展较快的一种无损检测技术, 是无缝钢管质量保证的关键和必备的设备。由于现场工况复杂、技术门槛高, 开发一套具有自主知识产权的无缝钢管在线高速无损超声探伤系统, 对我国的冶金自动化技术发展具有较大的现实意义。通过对机械传输、水循环、电气控制以及超声检测等相关子系统研究和开发, 设计一套可用于在线高速无损检测无缝钢管缺陷的系统, 满足高效生产的需求, 系统整体框图如图1所示。

无缝钢管在线高速无损超声探伤系统主要由三部分组成:机械部分、电气部分、信号处理部分。其中机械部分主要包含高速转子系统、水循环系统、密封系统、探头运动和扫描机构等;电气部分主要包含工件检测与控制系统、转子驱动与控制系统、工控机系统等;信号处理部分:超声波脉冲发射器、超声波信号接收器、高速数据采集系统、数据处理和分析软件包、千兆以太网、以及传感器等。

1 机械部分

机械部分结构如图2所示。包含信号耦合器、定子和转子部分、工件运动机构、水循环系统、密封系统等。其中传动链为电机通过楔形带—平键带动转子部分高速旋转;水循环为水介质从入管方向由入水口通过转轴与转子之间的通道进入探头腔, 随转子部分与探头一起旋转, 当待测无缝钢管尾端到达出料口, 水介质由出水口进入水箱, 完成水循环。由于本系统采用水浸法, 超声探头与被检测件之间的耦合介质为水溶液。转子部分主要由信号耦合器和探头两部分构成, 信号耦合器由耦合电容构成, 耦合电容旋转极与探头同步高速旋转, 脉冲信号由探头传至耦合电容旋转极。耦合电容固定极作为定子部分, 输出信号由同轴电缆传输至信号处理部分的前置放大单元。通过这种方式解决了高速旋转的超声探头信号传输问题。

本系统中测厚和叠层缺陷的检测采用直探头的纵波检测方式;横向和纵向缺陷采用斜探头横波检测方式。斜探头对缺陷的方向比较敏感, 因此对于横向和纵向缺陷分别在正反两个方向协同检测。+L、-L是检测正反两个方向轴向缺陷的探头;-T, +T是检测正反两个方向径向缺陷的探头;WT是测厚探头;若干个探头组成一个综合检测单元。在旋转支架上安装了若干组对称的检测单元。采用多组检测单元并行扫描时, 探头在钢管表面上的轨迹相当于多头的螺旋线。

2 电气部分

无缝钢管在线高速无损超声探伤系统牵涉到工件的自动运输、定芯, 超声换能器阵列定位和多通道的协调, 以及超声信号的发射、获取、处理分析和输出等过程, 功能部件众多, 动作协调复杂。因此, 应从系统体系结构、功能部件的组织形式以及各部件之间的协调策略等方面开展研究, 以期实现机电一体化技术与多通道超声无损检测技术的有机融合, 达到高效和鲁棒的超声自动检测的目的。本系统采用西门子S7-400PLC作为全系统的动作控制器, 工控机与现场触摸屏作为人机接口可以直观实时的观测到检测结果并可进行工作模式切换。各个分布控制器与主控制器及人机接口通过ProfiBus现场总线连接起来, 通讯速率为1.5Mbps, 足以满足控制信息交互的需要。

3 信号处理部分

信号处理部分的总体结构如下图3所示。

信号处理部分主要解决以下几个重点问题。

3.1超声波换能器驱动和接收模块设计

信号处理部分驱动电路的作用是要产生出一个具有一定功率, —定脉冲宽度和一定频率的超声电脉冲去激励发射换能器, 由换能器转换为超声波向外发射。超声波接收电路的作用就是将接收换能器输出的微弱信号, 进行滤波、放大、检波、整形, 来得到足够大的电信号, 然后送给数据处理部分, 得到所要测量的参数。

2.2超声波检测数据的传输总线选择

由于自动化系统采集速率较高, 因此对于本系统信号处理部分的传输速率要求相对也比较高。传统的总线技术如ISA总线、PCI总线无法满足多达40路的并行采样需求, 因此本系统采用VXI总线技术进行信号和数据的传输, 可以保证640M实时数据的并行传输, 为高速探伤奠定了数据传输的基础。

3 采样频率的确定

系统中, 超声波的探测频率为5MHZ, 对返回的波形的进行识别时, 为了提高分辨各种不同缺陷的能力, 在超声波的一个周期上采样20次, 因此确定信号的采样频率为100MHZ。本系统经过实验室搭建模型验证, 总体设计思路合理可行, 避免了以往国内同类设备的检测速度慢、漏检率高的缺陷, 现正处于实用开发阶段。

摘要：无缝钢管在线高速无损超声探伤系统是当前冶金自动化设备研发的热点。本文对国内外超声检测技术的发展现状和趋势进行综合分析的基础上, 进行了总体设计并将之付之实现, 同时详细说明了系统设计的原理和一些关键技术。

关键词：无缝钢管,超声缺陷检测