常少文，呂育棟，曹華勇，田巖平，劉常慶，韓玉朝，孫志敏

（1.鞍山長風無損檢測設備有限公司，鞍山 114018；2.渤海裝備巨龍鋼管公司，青縣 062658；3.寶雞鋼管遼陽鋼管廠，遼陽 111000；4.渤海裝備華油鋼管公司，青縣 062658）

超聲波檢測是一項比較完善和成熟的技術，多年來一直是油氣輸送埋弧焊接鋼管生產企業(yè)生產檢測中的重點和主要檢測方法［1］，可以實時、快速、可靠地檢測出被檢油氣輸送埋弧焊接鋼管內部組織的缺陷，為生產工藝的調整提供依據(jù)。由于超聲波自動探傷檢測使用的不是連續(xù)波，而是有一定持續(xù)時間、一定頻率間隔發(fā)射的超聲脈沖，而且其回波信號是暫態(tài)信號，具有高頻特性，埋弧焊接鋼管探傷采用不同的超聲波探傷方法時探傷準確性相差比較大。另外由于探頭的不斷磨損、缺陷幾何形狀的差異及各種復合缺陷所形成波形的不確定性，埋弧焊接鋼管超聲波自動化探傷的技術難度較大，人為因素影響也很大。如何提高探傷結果的有效性、可靠性，并方便靈活地執(zhí)行各種不同的國內外探傷標準便成了自動化探傷的重點。

目前國內外的多通道油氣輸送埋弧焊接鋼管超聲波自動探傷設備均屬于定制產品，設備生產廠家根據(jù)埋弧焊接鋼管生產企業(yè)要求進行專門設計。埋弧焊接鋼管生產企業(yè)的要求千變萬化，如有要求探傷速度高的，有要求探傷通道數(shù)多的（多達8 N個通道），也有要求設備經濟實用的。下面介紹一種油氣輸送埋弧焊接鋼管超聲波自動探傷系統(tǒng)的研制與應用。

1 檢測對象、方法和檢測原理

1.1 檢測對象及方法

探傷系統(tǒng)檢測的油氣輸送埋弧焊接鋼管產品規(guī)格為：螺旋埋弧焊管直徑φ219～1899mm、壁厚6～25.4mm，產品標準 API spec 5L，ISO3183，GB／T 9711，SY／5037和5040等，長度8～12.4m，材質API spec 5L鋼級A～X120等。超聲頻率范圍2.5～20MHz、儀器重復頻率500Hz～4KHz、管材探傷速度（連續(xù)可調）v為3～12m／min、衰減量≥120dB、衰減器精度為每12dB≤±0.5dB、每個橫波探頭遠場（150mm）有效聲速（－3dB）寬度≥4mm，靈敏度余量為使用2.5MHz的φ20mm直探頭時在200mm處φ2mm平底孔的余量≥50dB。

探傷系統(tǒng)的檢測方法為水膜耦合式超聲波連續(xù)探傷，其可對鋼管進行水壓前管端焊縫及焊縫全長100%連續(xù)探傷和水壓后管端焊縫、焊縫全長及焊縫母材100%連續(xù)探傷。通道數(shù)56個（可選配至256個），每一個通道可帶2個探頭，采用雙晶探頭一發(fā)一收方式。采用5MHz的φ16mm雙晶水膜耦合式探頭檢測焊縫兩側熱影響區(qū)5mm范圍內的分層缺陷；采用2.5MHz的8mm×10mm橫波探頭及4mm×6mm耦合狀態(tài)監(jiān)視縱波探頭組成的復合探頭檢測焊縫內部缺陷；采用5MHz的6mm×25mm雙晶縱波探頭檢測管體母材分層缺陷。

1.2 檢測原理［2］

探傷系統(tǒng)某一通道的信號工作時序圖如圖1所示。系統(tǒng)在計算機給定的時鐘下同步工作，每n個周期為一個循環(huán)（n為探頭設置個數(shù)）。計算機時鐘信號即為系統(tǒng)的同步基準脈沖，它的一個周期就是一個通道的工作周期。當各通道開始產生發(fā)射脈沖時，觸發(fā)器經計算機時鐘信號的上升沿觸發(fā)置1，持續(xù)高電平。當有傷波和底波時，被觸發(fā)置0，高電平終止，這樣就形成一段時間的高電平。系統(tǒng)通過讀高電平時間即可得到傷波和底波時間并轉換成相應數(shù)字量Ft，Bt。如果此通道周期沒有傷波和底波返回，這樣高電平持續(xù)到計算機時鐘信號下降沿時被觸發(fā)變成低電平，從而形成T／2寬度的高電平。現(xiàn)場檢測的超聲反射回波一般都在T／4以內，因此≥T／2的高電平被系統(tǒng)確認為無效的Bt，F(xiàn)t信號，不作處理。

圖1 Ft，Bt，F(xiàn)v，Bv 信號時序圖

底波峰值Bv和傷波峰值Fv信號在傷波和底波出現(xiàn)之前，保持為0V電壓；在傷波、底波產生的瞬間1μs之內，經峰值采樣保持電路快速充電形成對應高度的直流電壓信號。如100%波高量對應2V電壓，50%波高量即對應1V電壓。該直流電壓信號一直保持到計算機時鐘信號的下一個上升沿到來時止，被觸發(fā)后迅速放電到0V電壓。然后到下一個通道周期再被傷波、底波觸發(fā)充電形成一定幅值的電壓，供計算機作 A／D處理。Bt，F(xiàn)t，Bv，F(xiàn)v信號是探傷系統(tǒng)實現(xiàn)探傷靈敏度自動設定、報警閘門自動設置、靈敏度閉環(huán)控制、閘門實時跟蹤以及缺陷智能化識別的判斷處理依據(jù)，是計算機執(zhí)行智能判傷軟件的重要數(shù)據(jù)。

2 實施方案

2.1 系統(tǒng)組成結構

圖2 系統(tǒng)整體組成結構圖

系統(tǒng)整體組成結構采用由計算機總站（IPC主機）、探傷計算機（下位機）、超聲發(fā)射單元、超聲接收單元、高速數(shù)據(jù)處理單元（卡）、超聲探頭陣列、以太網(wǎng)、顯示器以及探傷控制系統(tǒng)軟件（探傷計算機軟件和計算機總站軟件）等組成。系統(tǒng)的硬件平臺采用集檢測、控制和管理為一體的主從式控制網(wǎng)絡形式，選用一臺高性能的工業(yè)控制計算機（IPC）作為計算機總站，對整個系統(tǒng)進行管理、高速數(shù)據(jù)采集和處理及用戶的可視化操作。以探傷計算機為主構成的下位機外圍硬件設備執(zhí)行分布式檢測與控制任務，并統(tǒng)一管理控制超聲發(fā)送單元、超聲接收單元、高速數(shù)據(jù)處理單元（卡）、超聲探頭陣列等。采用標準、高性能的工業(yè)控制計算機（IPC）作為計算機總站，吸收了虛擬儀器設計思想，以便實現(xiàn)多通道智能化管理［3］。其中每個計算機總站可以通過以太網(wǎng)連接N個探傷計算機，在每個探傷計算機內可以插入三個高速數(shù)據(jù)處理卡，每個高速數(shù)據(jù)處理卡可以連接8，4，2，1個發(fā)送和接收單元，使得系統(tǒng)的探傷通道數(shù)最少為1個通道，最多為8 N個通道。系統(tǒng)整體組成結構如圖2所示。

2.2 計算機總站（IPC主機）

計算機總站用于管理檢測系統(tǒng)的硬軟件資源，是整個檢測系統(tǒng)的核心。具有管理功能的計算機總站需要對探傷計算機發(fā)布命令，通過它運行缺陷判傷診斷程序、控制信號的采集和處理，并專門從事8×n路回波信號的高速數(shù)據(jù)采集與處理、缺陷波形圖像處理、編輯探傷報告等工作，設置系統(tǒng)探傷初始數(shù)據(jù)并內含功能豐富的用戶應用軟件。其中自動探傷程序實現(xiàn)增益及閘門自動設置、增益閉環(huán)自動控制和閘門實時跟蹤，另外執(zhí)行針對不同被檢對象所編制的缺陷判傷診斷程序，從而大大提高系統(tǒng)的抗干擾和免誤報能力。計算機總站與探傷計算機實時通訊，并將計算機總站、探傷計算機所有缺陷回波信息進行綜合處理，完成圖像處理及屏幕顯示、設定與修改探傷計算機參數(shù)、打印表格、報表并顯示聲光報警等功能。

2.3 探傷計算機（下位機）

探傷計算機產生使整個系統(tǒng)協(xié)調工作的同步脈沖信號并向計算機總站發(fā)送通道標志信號，使計算機總站確定系統(tǒng)循環(huán)于哪個通道；若發(fā)出一窄脈沖中斷請求信號，使計算機總站響應中斷，處理每通道的回波信息并判傷報警；受計算機總站控制，發(fā)出相應的二進制編碼來控制超聲系統(tǒng)的衰減量、抑制電平等；發(fā)出同步脈沖信號作為時基標準，循環(huán)發(fā)出各通道的傷波閘門Fg和底波閘門Bg。底波閘門時間內采集的回波波形被系統(tǒng)確認為底波，同理在傷波閘門時間內采集的回波波形被系統(tǒng)確認為傷波。初始工作時，計算機總站送來命令控制字，設定各通道閘門的起始位置和寬度，接收從超聲系統(tǒng)送來的Bt，F(xiàn)t信號并分析處理，然后傳送給計算機總站，并在下一次循環(huán)工作到本通道時，將重新調整的閘門起始位置和寬度發(fā)送給超聲系統(tǒng)，并接收計算機總站發(fā)送出的通道判傷時序報警信號、耦合監(jiān)視報警信號，繼而發(fā)出報警信號以及在被檢測的石油專用管材表面噴涂缺陷標識?？蓪⒊曄到y(tǒng)送來的底波、傷波的波高保持，電壓值的直流電壓信號Bv，F(xiàn)v直接轉換為數(shù)字量并測量傷波時間Ft和底波時間Bt，然后將轉換結果傳送給計算機總站，實時調整超聲系統(tǒng)中相應通道的衰減量，實現(xiàn)增益閉環(huán)自動控制及控制通道的增益等調節(jié)量。

2.4 超聲發(fā)送單元

超聲發(fā)送單元的主要功能是把高速數(shù)據(jù)處理單元（卡）發(fā)出的同步信號，經脈沖整形驅動，通過多路開關到制定的驅動電路，對該通道的超聲波探頭發(fā)出寬度可調的超聲波高電壓脈沖信號。將單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、驅動器、多路開關、可編程門陣列（CPLD）以及八個驅動電路依次連接組成，可做成8，4，2，1四種通道發(fā)送單元模塊。從高速數(shù)據(jù)處理單元（卡）發(fā)出的同步信號進入超聲發(fā)送單元的可編程門陣列（CPLD），通過可編程門陣列（CPLD）內部程序的編寫，輸出信號A和B，去控制多路開關的通斷；從高速數(shù)據(jù)處理單元（卡）發(fā)出的同步信號通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、驅動器、多路開關進入相應的八個驅動電路，驅動連接到超聲探頭的發(fā)射端晶片。其中有八個功能相同的驅動電路，通過四個驅動器并聯(lián)驅動后的信號，經過電阻的上拉，進入場效應管放大后，在400V高電壓的作用下，再經過電阻和二極管，產生激發(fā)超聲探頭晶片的高電壓脈沖，使得超聲探頭發(fā)射超聲波，通過耦合劑進入到被檢測的石油專用管材組織內部。

2.5 超聲接收單元

超聲接收單元可做成8，4，2，1四種通道的接收方式，其主要功能是選用新型的優(yōu)質放大器，低噪聲、高保真地把超聲波探頭回波信號放大到一定水平，使其抗干擾性能大大增強，在工業(yè)現(xiàn)場進行100m以內寬帶傳輸，能保證整體設備性能指標。超聲探頭發(fā)射超聲波，通過耦合劑傳到被檢測的焊管組織內部，遇到缺陷后，因缺陷的聲阻抗與焊管的聲阻抗相差很大，會產生反射波返回到超聲探頭。經過超聲探頭的接收端晶片接收到超聲回波信號后，轉換成回波電信號。經超聲接收單元放大器放大和高速模／數(shù)轉換器轉換后，送給高速數(shù)據(jù)處理單元進行石油專用管材的超聲波自動探傷。

接收單元線路是由4個驅動電路、多路開關、低噪聲放大器和可編程門陣列（CPLD）依次連接組成，每個驅動電路由電阻連接二極管和穩(wěn)壓管，并連接三極管，再與濾波電阻連接到多路開關的相應管腳上，其中電源的＋5V和－5V通過電感連接到三極管的集電極和發(fā)射極電阻的另一端。從高速數(shù)據(jù)處理卡發(fā)出的同步信號進入發(fā)送單元的可編程門陣列（CPLD），通過可編程門陣列（CPLD）內部程序的編寫，輸出信號A和信號B去控制多路開關的通斷。

2.6 高速數(shù)據(jù)處理單元

高速數(shù)據(jù)處理單元的核心是以高速數(shù)據(jù)處理器為核心的數(shù)據(jù)處理卡，其結構如圖3所示，由兩級可編程放大器單元、高速數(shù)據(jù)處理單元、計算機接口單元三部分組成。接收單元處理后的回波信號進入第一級數(shù)字可編程放大器，第一級數(shù)字可編程放大器是由DSP的數(shù)據(jù)線經過驅動器驅動后的三個輸出端控制，依次可以控制不同的分貝數(shù)（dB），通過多路開關把不同衰減的回波送到低噪聲放大器后，進入第二級數(shù)字可編程放大器。第二級數(shù)字可編程放大器是由增益可編程線型放大器通過高速數(shù)據(jù)處理器的串行口控制，增益范圍可在0～53dB變化。信號經過增益放大后，再送到低噪聲放大器再次放大，經二極管檢波放大器放大后的信號送到高速數(shù)據(jù)處理單元。

圖3 高速數(shù)據(jù)處理卡的結構圖

高速數(shù)據(jù)處理卡的作用就是對小信號進行放大，對大信號進行衰減，以保證足夠的動態(tài)范圍，并對一定范圍內的回波信號進行實時波形采集以及將高速采樣波形在IPC主機的顯示器上顯示。接收IPC主機發(fā)出的命令，確定波形采集的起始時間和寬度，以此選擇采集有效的回波區(qū)域。

高速模／數(shù)轉換器完成電信號的模擬／數(shù)字轉換。信號首先通過兩級可編程增益運算放大單元放大，然后進入高速模／數(shù)轉換器的輸入端，把模擬信號轉換為8位的數(shù)字信號。通過8位進16位出的高速先進先出緩沖器，把轉換的數(shù)字信號送到高速數(shù)據(jù)處理器。高速數(shù)據(jù)處理器可達100MHz的速度，其存儲器為16k，還具有DMA的功能，因此處理數(shù)據(jù)的速度非常快。高速數(shù)據(jù)處理器處理后的數(shù)據(jù)經過它本身的并行口HPI把數(shù)據(jù)快速傳送到計算機接口單元的可編程門陣列器件（CPLD）的管腳上。運算放大器的增益通過一個數(shù)／模轉換器由復雜可編程門陣列器件（CPLD）控制，CPLD把所有信號通過PCI總線接口送入IPC主機進行數(shù)據(jù)處理和分析，并對采集的數(shù)據(jù)進行處理后實現(xiàn)波形再現(xiàn)。

2.7 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的應用軟件程序由計算機總站軟件和探傷計算機（下位機）軟件、兩層次軟件組成，采用VC＋＋編寫。計算機總站軟件在計算機總站的計算機中的程序主要完成實時網(wǎng)絡接收數(shù)據(jù)、處理綜合數(shù)據(jù)、形成探傷報告、自動報警、波形回放、存檔和打印等功能。自動報警通過比較回波波高的幅值，當回波波高的幅值超過設定的缺陷靈敏度幅值時，自動報警功能就會發(fā)出報警信息；存檔功能模塊記錄探傷參數(shù)和探傷結果；波形回放功能模塊可以回放出傷波圖形、位置、時間。探傷計算機（下位機）軟件是指在嵌入式系統(tǒng)（或工業(yè)控制計算機）中的程序，它主要完成綜合數(shù)據(jù)的采集、實時顯示、實時網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)、實時改變采樣參數(shù)和改變回波的衰減等功能。

系統(tǒng)首先構建了虛擬儀器面板并采用窗口切分技術對操作人員進行指導和提示。進入檢測時，虛擬儀器面板生成的可視化儀器參數(shù)設定窗口首先呈現(xiàn)給操作人員，操作人員可從虛擬儀器面板的參數(shù)設定窗口上選擇項目，完成系統(tǒng)的設置及鋼管的檢測。由于該軟件所要檢測的內容較多，程序設計龐大復雜，所以按照程序模塊化的設計思想，設計了數(shù)據(jù)采集、探傷檢測、判傷報警、缺陷圖像處理、缺陷波形回放等相對獨立的模塊。由于軟件的模塊化、開放性和靈活性的特點，當用戶的檢測需求發(fā)生變化時，可以方便地由用戶自己來增減硬軟件模塊或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的檢測要求。程序中可以靈活多樣地設置采樣頻率、通道和采樣點數(shù)，方便了采樣過程并實時顯示檢測過程和結果，可以將檢測波形和數(shù)值的形式顯示在顯示器上。實現(xiàn)了8×N通道波形的實時顯示，波形間可任意切換。

作為一種數(shù)字化多通道自動探傷系統(tǒng)，在VC＋＋的平臺上構建一個通用探傷的數(shù)據(jù)庫，用戶不但可以根據(jù)實際需求選擇相應的探傷標準和探傷設備的技術指標，而且在軟件平臺的支持下，因具有開放性的構成方式，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件和軟件的重構［4］。例如，根據(jù)回波信號的特點和探傷檢測現(xiàn)場的干擾狀況，選擇不同的濾波器結構、參數(shù)和不同的實時報警策略，可調用多種用戶應用軟件，并方便靈活地執(zhí)行各種不同的國內外探傷標準，充分體現(xiàn)了虛擬儀器的靈活特點。

2.8 系統(tǒng)檢測圖像化輸出和缺陷波形回放［5］

檢測系統(tǒng)通過計算機控制的陣列式超聲探頭對被檢測對象進行掃描，并將被檢測對象內的缺陷響應送入計算機。計算機對這些缺陷采樣數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析、判斷、處理、計算后，給出被檢測對象內部缺陷的各個斷面或截面的圖像及計算機三維圖像重構的平面展開圖，以便做進一步的分析和確認，最終完成對被檢測對象內部缺陷的形狀、尺寸、位置、數(shù)量、密集度、合格與判廢等資料的圖文報告及其貯存、打印或網(wǎng)上傳送。

現(xiàn)場超聲波自動化探傷檢測是單向、單程的，一般不允許往復檢測，因此需要有一次通過的檢測準確率。但是在現(xiàn)場動態(tài)生產條件下，在線傷一過即逝，一旦漏檢誤判便無法追回和驗證。為此系統(tǒng)采用PCI總線的高速采樣和高速數(shù)據(jù)處理技術，檢測過程中一旦有缺陷信號響應，缺陷圖像處理模塊立即備份并全部存儲，然后操作人員可根據(jù)需要進行動態(tài)波形和缺陷圖像的顯示回放，以便做進一步的分析和確認，有效地克服了超聲波自動化探傷檢測中的缺陷種類難以識別的不足，提高了探傷檢測的準確性和可靠性。

3 系統(tǒng)檢測應用

該型超聲波自動探傷系統(tǒng)經過四年多的現(xiàn)場使用和完善，效果良好，誤判率＜2%，漏檢率為0，已向國內外各油田用戶交付使用。經過該系統(tǒng)檢測的各種直徑規(guī)格鋼管，累計達42萬t，探傷質量穩(wěn)定可靠。自2008年12月起，連續(xù)4年通過遼寧省計量科學研究院每年一次的周期檢定，2011年12月遼寧省計量科學研究院對該系統(tǒng)的年度周期檢定結果如下：

（1）管材規(guī)格 外徑φ1219mm、壁厚18mm。

（2）檢定參數(shù) 探傷速度（連續(xù)可調）3≤v≤12m／min；儀器重復頻率500Hz～4kHz；分層探頭工作頻率5.0MHz；縱、橫向缺陷探頭工作頻率2.5MHz。

（3）儀器性能 水平線性≤1.0%；垂直線性≤5.0%；動態(tài)范圍≥30dB。

（4）綜合性能 檢測重復性≤1dB；檢測穩(wěn)定性≤1dB；信噪比＞18dB；漏檢率＝0；誤判率≤2%；管端檢測盲區(qū)≤100mm。

由上可見，系統(tǒng)的各項技術參數(shù)指標均滿足API spec 5L標準中的探傷檢測要求。

4 結論

綜上所述，研制的超聲波自動探傷系統(tǒng)不但客觀上保證了油氣輸送埋弧焊接鋼管檢測的準確性和高效率，而且降低了探傷檢測的生產成本，克服了探傷檢測中許多人為因素的影響。同時系統(tǒng)設計具有兼容性、通用性，能滿足不同生產的要求，其缺陷波形動態(tài)回放有效地克服了超聲波自動化檢測中的缺陷種類難以識別的不足。但該系統(tǒng)與國外先進的檢測設備相比仍存在一定差距，后續(xù)應以超聲波傳感器部分和信號處理部分的性能提高為重點和主要研究方向，帶動電子線路的研究開發(fā)，以進一步提高自動化探傷的檢測效率、檢測精度和檢測穩(wěn)定性，減小缺陷的誤判率。

［1］張鴻博.油氣輸送埋弧焊鋼管生產中的無損檢測技術［J］.無損檢測，2006，28（3）：113－116.

［2］常少文.智能化多通道鋼管超聲波自動探傷系統(tǒng)的開發(fā)與應用［J］.計算機測量與應用，2002，10（6）：358－359，365.

［3］周明光，馬海潮.計算機測試系統(tǒng)原理與應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［4］趙雅興.FPGA原理、設計與應用［M］.天津：天津大學出版社，1999.

［5］常少文.基于虛擬儀器技術的焊管超聲波自動探傷系統(tǒng)［J］.無損檢測，2007，29（3）：117－120.