王振華

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

為了保證螺旋縫埋弧焊管成型的幾何質(zhì)量，各種鋼管生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)都對鋼管的周長、外徑允許偏差、不圓度等幾何參數(shù)作了規(guī)定。目前，國內(nèi)大多數(shù)廠家都是人工用測量卷尺對鋼管周長進(jìn)行測量，存在測量速度慢、精度誤差大、勞動強(qiáng)度大等問題［1-6］。

鑒于上述問題，提出了一種螺旋縫埋弧焊管周長在線測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以激光測微儀作為傳感器來測量螺旋縫埋弧焊管實(shí)時直徑數(shù)據(jù)。目前，該在線測量系統(tǒng)已在前擺式螺旋縫埋弧焊管機(jī)組上投入應(yīng)用［7-14］。

1 在線測量原理

螺旋縫埋弧焊管周長在線測量采用直徑換算方法，即在鋼管旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的過程中，按一定頻率測量鋼管螺旋前進(jìn)中不同位置的直徑，在一個螺距中將測得的直徑值求平均D平均后，換算成鋼管周長。由于螺旋縫埋弧焊管在一定長度范圍的直徑（或者周長）變化不會出現(xiàn)斷崖式的突變；因此，上述測量原理可以滿足對鋼管直徑（或者周長）的實(shí)時檢測。

直徑測量采用非接觸式光學(xué)測量技術(shù)，在線測量基本原理如圖1所示。通過一對激光測微儀，得到被鋼管遮擋的激光線寬量，再對兩個激光測微儀的相對位置進(jìn)行標(biāo)定，即可得到鋼管的真實(shí)直徑。為了提高檢測精度，采用兩對激光測微儀同時測量鋼管水平和垂直方向直徑。

圖1 在線測量基本原理

2 系統(tǒng)整體方案

為了準(zhǔn)確檢測鋼管周長，需要確保在一個螺距內(nèi)均勻采集若干直徑值，這樣需要有一套鋼管旋轉(zhuǎn)測速裝置來確定直徑采集頻率。直徑數(shù)據(jù)采集后，再通過測量系統(tǒng)軟件處理加工，得到周長變化值，并進(jìn)行顯示。直徑測量結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 直徑測量結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用4組激光測微儀（線陣CCD）作為鋼管直徑提取傳感器，水平、垂直各布置兩組；采用鋼管測速裝置，作為直徑測量周期控制信號源；現(xiàn)場部署工業(yè)計(jì)算機(jī)，作為控制和運(yùn)算中心。在線設(shè)置操控面板，對成型管徑進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測；在成焊離線操作室，可對測量設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，并實(shí)時顯示管徑數(shù)值及變化趨勢。建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，對所有測量數(shù)據(jù)能夠自動存儲和分析。設(shè)置管徑變化上下限，超出范圍時能進(jìn)行聲光報(bào)警提示。按每卷原料生成管徑變化波動曲線。

式中C周長——測量周長，mm；

Di——激光測微儀在一個螺距內(nèi)采集直徑數(shù)；

i——采樣次數(shù)。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

螺旋縫埋弧焊管周長在線測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，設(shè)備采用龍門結(jié)構(gòu)，裝置布置在前擺式預(yù)焊機(jī)組鋼管成型工位后，后橋緊挨成型器一側(cè)，測量結(jié)構(gòu)基座位于直線滑軌上，可在直線滑軌任意位置上移動并定位。4組激光微測儀部署在龍門架上下及左右各一組。激光測微儀安裝于伺服運(yùn)動系統(tǒng)機(jī)構(gòu)上，能夠滿足Φ559～1 620 mm規(guī)格鋼管的測量。

圖3 螺旋縫埋弧焊管周長在線測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

螺旋縫埋弧焊管周長在線測量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)Φ559～1 620 mm規(guī)格焊管周長、不圓度等的測量，周長測量精度≤1 mm；此外，還具備管徑檢測、超差報(bào)警、數(shù)字顯示、遠(yuǎn)程顯示、數(shù)據(jù)存儲、測量規(guī)格自動調(diào)整、生成管徑變化趨勢圖等多種功能。在線測量系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用如圖4所示。

圖4 在線測量系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用

5 現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)

在某城市熱力管線用螺旋縫埋弧焊管生產(chǎn)線的預(yù)焊機(jī)組上對周長在線測量系統(tǒng)進(jìn)行測試，鋼管的公稱直徑為1 420 mm，焊接速度約3.0 m/min，鋼管軸向出管速度約1.0 m/min，周向旋轉(zhuǎn)速度約0.8 m/min。某段鋼管管徑的系統(tǒng)測量結(jié)果與手工測量結(jié)果對比見表1。

表1 某段鋼管管徑的系統(tǒng)測量結(jié)果與手工測量結(jié)果對比 mm

6 測量誤差分析

經(jīng)過對系統(tǒng)試運(yùn)行階段的跟蹤分析，其測量結(jié)果與手工使用測量卷尺的相比，誤差在0.3～1.1 mm。測量誤差產(chǎn)生原因如下。

（1）測量原理方面。該系統(tǒng)基于直徑測量，由于成型管坯不是規(guī)則圓，其在水平位置、垂直位置測量的直徑不能真實(shí)反應(yīng)成型管坯的幾何形狀。同時，軟件系統(tǒng)處理直徑數(shù)據(jù)時，會產(chǎn)生積累誤差。

（2）螺旋縫埋弧焊管成型原理方面。在成型器框架束縛力影響下，管坯由彈性不圓狀態(tài)逐漸出成型器后釋放為標(biāo)準(zhǔn)圓，所以，實(shí)際上剛出成型器的半個螺距鋼管是不圓的，雖在此處測量的數(shù)據(jù)對鋼管成型非常有用，但此處圓度會引起測量誤差。

（3）成型管坯調(diào)整控制方面。卷板在成型器內(nèi)經(jīng)過變形、釋放形成管坯后，受帶鋼板形各種因素影響，成型通過后橋擺動微調(diào)成型縫間隙，先保證錯邊和管徑控制達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)要求，其次才是控制不圓度、“噘嘴”、直度等鋼管幾何標(biāo)準(zhǔn)，必要時還要通過調(diào)整壓下量等方法，控制錯邊和管徑。故雖在管線標(biāo)準(zhǔn)允許的偏差范圍內(nèi)，但圓度和直度不穩(wěn)定的幾何狀態(tài)也會造成測量誤差。

（4）現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際方面。后橋角度微調(diào)操作頻繁的過程中，會造成鋼管中心與測量系統(tǒng)的標(biāo)定中心不重合，造成測量誤差。

7 結(jié) 語

（1）螺旋縫埋弧焊管技術(shù)正在向更高效、自動化、智能化的方向發(fā)展，在前擺式預(yù)焊機(jī)組高焊出速度時使用在線測徑系統(tǒng)尚屬首次。從當(dāng)前試運(yùn)行情況來看，螺旋縫埋弧焊管周長在線測量系統(tǒng)原理正確，測量結(jié)果能準(zhǔn)確反應(yīng)管徑變化趨勢，利用它可以達(dá)到對鋼管管徑實(shí)時監(jiān)測的目的，從而確保生產(chǎn)出滿足質(zhì)量要求的合格鋼管。

（2）受現(xiàn)有前擺式預(yù)焊機(jī)組工況限制，不能以增加傳感器數(shù)量或以視覺成像的方法提升測量精度?？稍谛乱淮鷶?shù)字化預(yù)焊機(jī)組設(shè)計(jì)之初，穩(wěn)定管坯成型幾何質(zhì)量的同時，在成型器出口位置預(yù)留管徑在線測量設(shè)備安裝空間，采用視覺成像，對管坯幾何形狀實(shí)時建模，進(jìn)而從根本上取代手工測量。