（浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313012）

無(wú)縫鋼管在生產(chǎn)過程中，可能會(huì)產(chǎn)生各種缺陷，影響到鋼管的質(zhì)量。為確保產(chǎn)品的安全性，國(guó)家有關(guān)部門要求生產(chǎn)企業(yè)必須按照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)無(wú)縫鋼管進(jìn)行檢測(cè)。無(wú)損檢測(cè)主要包括五種方法：超聲波檢測(cè)、射線檢測(cè)、渦流檢測(cè)、磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)，在無(wú)縫鋼管的檢測(cè)領(lǐng)域中，超聲檢測(cè)作為一種有效的檢測(cè)手段，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。與其它無(wú)損檢測(cè)方法相比，超聲波檢測(cè)具有被測(cè)對(duì)象范圍廣、檢測(cè)深度大、缺陷定位準(zhǔn)確、檢測(cè)靈敏度高、成本低、超作性能好、速度快、對(duì)人體無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)[1]。

可見，超聲波無(wú)損檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中的一種非常重要的方法，它對(duì)于保證無(wú)縫鋼管產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性有著重要的意義。

1 檢測(cè)原理及方式

1.1 檢測(cè)原理

在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料的不連續(xù)。這種不連續(xù)往往又造成聲阻抗的不一致。超聲波在兩種不同聲阻抗的介質(zhì)的交界面上將會(huì)發(fā)生反射，反射回來的能的大小與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的量取向、大小有關(guān)。這就是超聲波探傷的原理[4]。

1.2 探傷方式

根據(jù)被探鋼管和超聲波探頭運(yùn)動(dòng)方式，國(guó)內(nèi)無(wú)縫鋼管自動(dòng)超聲波探傷設(shè)備主要有兩種類型：一種是鋼管螺旋前進(jìn)、探頭不移動(dòng)的裝置：另一種是鋼管直線前進(jìn)、探頭高速旋轉(zhuǎn)的裝置。無(wú)論是哪種運(yùn)動(dòng)方式，都必須確保被探鋼管的整個(gè)截面積被全部掃查到[5]。

本系統(tǒng)采用水浸法檢測(cè)，鋼管自轉(zhuǎn)、探頭直線前進(jìn)的超聲波水浸聚焦掃查方式，對(duì)Φ168-Φ730 mm不銹無(wú)縫鋼管進(jìn)行內(nèi)外壁縱橫向缺陷、壁厚及分層缺陷進(jìn)行全管體自動(dòng)化檢測(cè)，并對(duì)探測(cè)到的缺陷進(jìn)行自動(dòng)打標(biāo)。

探頭組件通過耐磨觸靴與鋼管接觸。旋轉(zhuǎn)對(duì)鋼管進(jìn)行全覆蓋掃查，這種方式需要一個(gè)旋轉(zhuǎn)頭固定各個(gè)探頭，并通過電刷或電容耦合方式將探頭信號(hào)傳回儀器處理。

傳統(tǒng)作法是采用龍門馬鞍式將探頭組安放在12點(diǎn)鐘位置上，本系統(tǒng)則將探頭組安裝在下部6點(diǎn)鐘位置上，根據(jù)對(duì)稱滾輪對(duì)最小管徑形成100-110°夾角支承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，2個(gè)Φ250 mm對(duì)稱滾輪之間還有最小90~110 mm輪對(duì)輪間距，此間距完全可安放探頭小水箱在底部，用冒水法進(jìn)行穩(wěn)定檢測(cè)。由于考慮到不銹鋼管外弧面相對(duì)干凈一些，不會(huì)掉下大量銹塊和氧化皮影響探傷，設(shè)計(jì)將探頭小水箱放在下部6點(diǎn)鐘位置對(duì)于操作人員調(diào)試和更換探頭、減小水流環(huán)境污染、減小管端盲區(qū)、提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性都具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)主要組成

超聲檢測(cè)系統(tǒng)的主要組成如圖1所示，包括上料臺(tái)架、上料機(jī)構(gòu)、鋼管定位旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)小車檢測(cè)裝置、下料機(jī)構(gòu)和下料臺(tái)架等。檢測(cè)裝置是該檢測(cè)線的核心部分，包括超聲探傷儀、探頭、控制臺(tái)、檢測(cè)頭(安裝探頭的機(jī)械裝置、根據(jù)檢測(cè)方式有的則包括水槽)、機(jī)電控制部分等。

鋼管通過上料機(jī)構(gòu)輸送到鋼管定位旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，由電機(jī)帶動(dòng)鋼管放置旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)鋼管作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，鋼管下面的檢測(cè)小車沿著導(dǎo)軌直線進(jìn)給。超聲波信號(hào)通過超聲波數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入PC進(jìn)行探傷，將判斷的結(jié)果通過指令發(fā)送到PLC控制器，由PLC控制缺陷標(biāo)記器在鋼管上標(biāo)記小缺陷的位置。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 上、下料機(jī)構(gòu)

上、下料各采用1套裝置。在第一根鋼管被檢測(cè)完后下料的同時(shí)，第二根鋼管上料。上下料裝置由液壓缸驅(qū)動(dòng)，工作平穩(wěn)可靠，無(wú)撞擊噪聲。在底板與鋼管接觸處設(shè)置有耐磨塊，由此大大延長(zhǎng)了底板的使用壽命。

2.2 鋼管定位旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

鋼管由數(shù)套滾輪架定位，滾輪采用組合式，鋼輪外包橡膠，傳動(dòng)平穩(wěn)，摩擦力大。

滾輪架的同心度、直線度、速度、穩(wěn)定性以及振動(dòng)的強(qiáng)弱都會(huì)影響探傷的靈敏度和可靠性。因此，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是圍繞探傷靈敏度和可靠性等要求來設(shè)計(jì)和加工的。

由于被檢管材規(guī)格變化很大，為使每種規(guī)格的鋼管放置在滾輪上都形成100~110°夾角支承，旋轉(zhuǎn)時(shí)與滾輪接觸的狀態(tài)一致，數(shù)組滾輪的中心距可通過移動(dòng)被動(dòng)滾輪架調(diào)節(jié)，以滿足不同規(guī)格管材的探傷要求。

2.3 運(yùn)動(dòng)小車檢測(cè)裝置

探頭旋轉(zhuǎn)帶來的超聲探傷儀與探頭之間的電氣耦合對(duì)探傷的可靠性會(huì)產(chǎn)生很大影響，對(duì)此采用固定探頭旋轉(zhuǎn)鋼管的方法進(jìn)行避免[5]。但由于鋼管彎曲，前進(jìn)的探頭與旋轉(zhuǎn)的鋼管之間相對(duì)位置的變動(dòng)會(huì)引起入射角的改變，為此，專門設(shè)計(jì)了探頭隨動(dòng)裝置，使探頭與鋼管的相對(duì)位置保持不變。

機(jī)頭由輪式組合探頭、浮動(dòng)跟蹤裝置及支座組成。探頭內(nèi)設(shè)有探測(cè)厚度／分層、橫向順反時(shí)針、縱向、前后等5個(gè)方向的探測(cè)振子。每個(gè)探測(cè)方向有兩個(gè)通道，采用脈沖反射法，探傷頻率2～6MHz。探頭安裝在由氣動(dòng)控制升降的浮動(dòng)跟蹤裝置上。

3 控制系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求，電氣控制系統(tǒng)應(yīng)滿足的技術(shù)要求是：

（1）滾輪架中的主動(dòng)滾輪傳動(dòng)的拖動(dòng)為直流電機(jī)，采用無(wú)級(jí)調(diào)速，便于調(diào)試。

（2）探傷過程為簡(jiǎn)單的開環(huán)式程序控制系統(tǒng)，從上料、探傷、打標(biāo)、下料整個(gè)過程均由控制臺(tái)自動(dòng)控制。

（3）傳動(dòng)系統(tǒng)采用變頻調(diào)速和可編程控制器控制。

4 多通道超聲探傷儀

系統(tǒng)使用UD-MC8Y型八通道A型超聲脈沖反射式探傷儀。其抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，探傷靈敏度高，主要特點(diǎn)有：

（1）八個(gè)獨(dú)立通道的工作時(shí)序可以隨意編輯。

（2）每個(gè)通道設(shè)A，B和C三個(gè)閘門，且C具有閘門跟蹤功能。

（3）每個(gè)通道均設(shè)有一收一發(fā)和雙收雙發(fā)兩種工作方式。

儀器的主要技術(shù)指標(biāo)為，單個(gè)通道最高重復(fù)頻率可達(dá)6 kHz；工作頻率為2.5，5和10MHz；示波管顯示器(CRT)的有效面積為100 mm×80 mm，液晶屏顯示器(LCD)的有效面積為103mm×79mm；掃描范圍分10，50和250mm三擋，最大可設(shè)計(jì)成1 000mm；水平線性誤差≤1%；垂直線性誤差≤5%；衰減器的總衰減量為100dB，最小分辨力為l dB；動(dòng)態(tài)范圍~28 dB。

5 對(duì)鋼管的要求

（1）探傷時(shí)鋼管表面溫度≤80℃。

（2）鋼管彎曲度≤2mm/m，管端彎曲度≤3.18mm/1.5m。

（3）由于探頭組件通過耐磨觸靴與鋼管接觸，因此鋼管表面不得有突出表面超過10 mm的尖銳突起，如大外折、管子表面的大裂VI等。否則，將會(huì)在高速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)體內(nèi)造成嚴(yán)重的破壞。

（4）外徑偏差：±1.0%。

（5）鋼管表面粗糙度Ra不大于3.2。

6 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)GB5777—1996和 YB4082-1992標(biāo)準(zhǔn)，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如下，試件為304不銹鋼焊管。

按GB5777—1996中規(guī)定的C8級(jí)靈敏度進(jìn)行測(cè)試，該設(shè)備的綜合性能指標(biāo)達(dá)到B4082-1992標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可探范圍為φ168~730mm，靈敏度等級(jí)為GB5777—1996的C8級(jí)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以滿足實(shí)際檢測(cè)的需要。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的大直徑無(wú)縫鋼管自動(dòng)超聲探傷機(jī)，離線安裝單獨(dú)成為一條探傷生產(chǎn)線，能夠承擔(dān)Ф160*2*4 000-Ф730*14*18 000 mm且壁厚與外徑之比不大于0.22的無(wú)縫鋼管的橫向內(nèi)外壁缺陷、測(cè)厚及分層缺陷的超聲波檢測(cè)任務(wù)，一次完成鋼管縱、橫向內(nèi)部和表面缺陷的探傷作業(yè)（包括上、下料輸送、打標(biāo)、檢驗(yàn)記錄和報(bào)告的形成等）。具有靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)證明，所研制的大直徑無(wú)縫鋼管自動(dòng)超聲探傷機(jī)，能滿足實(shí)際生產(chǎn)中無(wú)縫鋼管超聲波檢測(cè)的需要。

[1]況雪軍，國(guó)內(nèi)無(wú)縫鋼管渦流及超聲波自動(dòng)探傷的現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].鋼管，2007，36(5):54-56.

[2]左建國(guó).組合無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其在無(wú)縫鋼管在線自動(dòng)檢驗(yàn)中的應(yīng)用[J].鋼鐵，1999，34(6):60-64.

[3]國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局，無(wú)縫鋼管超聲波探傷檢驗(yàn)方法（GB／T 5777）[S]，2008.

[4]劉軍華.URP系列自動(dòng)超聲波探傷機(jī)在無(wú)縫鋼管生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].鋼管，2010，39(3):60-64.

[5]張恒，吳揚(yáng)寶，鄒正烈，φ60~245mm無(wú)縫鋼管超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[J].無(wú)損檢測(cè)，2003，25(6):291-293.

[6]白仁昭，無(wú)縫鋼管超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)研制[J]，機(jī)電工程，2006，23(5):56-58.