周軍 ，雍漫江 ，賀能，譚湘 ， 喻穎，王頌

（1.湖南省特種設(shè)備檢驗檢測研究院湘潭分院，湖南 湘潭 411204；2.湘潭市匯豐設(shè)備制造有限公司，湖南 湘潭 411101）

目前，國內(nèi)壓力管道對接焊縫的無損檢測以X射線檢測為主，長輸管線可采用爬行器在管內(nèi)進(jìn)行中心曝光的方式進(jìn)行檢測，但連頭口、彎頭口等部位，爬行器無法有效使用，基本上采用定向X射線機在管外進(jìn)行雙壁單影透照，而化工及電力等系統(tǒng)的工業(yè)管道架空口、固定口采用X射線機進(jìn)行雙壁單影透照，因為檢測設(shè)備體積大、重量大，在生產(chǎn)和檢測現(xiàn)場操作起來比較麻煩，工作強度大，效率低，而且還存在射線機放置位置無法準(zhǔn)確定位導(dǎo)致拍片質(zhì)量無法保證的現(xiàn)象。針對這種現(xiàn)狀，本文設(shè)計了一種用于檢測管道對接焊縫的X射線自動檢測裝置。

1 設(shè)計思路

因為X射線數(shù)字成像檢測技術(shù)相比，傳統(tǒng)的膠片檢測技術(shù)具有檢測速度快、可電子存檔、可遠(yuǎn)程評判、分辨率高、圖像清晰、曝光劑量小等特點，同時，不用在被檢工件上貼膠片，可更好地實現(xiàn)自動化，因此，本裝置選擇采用數(shù)字探測器作為成像裝置。首先，將X射線機和數(shù)字探測器等安裝在設(shè)計的檢測機構(gòu)上，然后，通過固定鎖緊機構(gòu)將檢測機構(gòu)固定在管道上，檢測機構(gòu)自動旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對管道周向進(jìn)行透照和成像，由行走機構(gòu)驅(qū)動整個裝置沿管道軸向平移，以實現(xiàn)自動檢測裝置對管道進(jìn)行自動檢測。

圖1 裝置整體構(gòu)造

2 裝置組成及設(shè)計

2.1 裝置組成

射線自動檢測裝置由固定鎖緊裝置、檢測機構(gòu)、行走機構(gòu)、控制系統(tǒng)構(gòu)成（圖1、2）。

2.2 固定鎖緊裝置設(shè)計

固定鎖緊裝置由固定安裝板、鎖緊裝置、連接框架等組成。

圖2 裝置整體構(gòu)造截面圖

圖3 固定安裝板

固定安裝板（圖3）為有一定開孔的圓形弧板，開口的設(shè)計是為了安裝方便，大量圓孔的設(shè)計一是為了減輕整體裝置的重量，二是為了對不同規(guī)格管道檢測時導(dǎo)向機構(gòu)的末端裝入不同的通孔內(nèi)，以實現(xiàn)匹配不同直徑的管道檢測。固定安裝板1和2上通過連接框架分別裝設(shè)鎖緊機構(gòu)。鎖緊機構(gòu)包括鎖緊電機和與鎖緊電機連接的鎖緊塊，鎖緊塊具有正對管道外壁的鎖緊面，鎖緊塊在鎖緊電機的驅(qū)動下朝向或者遠(yuǎn)離管道以鎖定或者解鎖?，F(xiàn)場安裝時將裝置放置于管道的下方，使固定安裝板1、2上的開口均對準(zhǔn)管道；利用提升機構(gòu)例如提升電機對裝置進(jìn)行提升，當(dāng)裝置快到管道時，控制驅(qū)動機構(gòu)的電機啟動，使之驅(qū)動旋轉(zhuǎn)齒輪旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)自動調(diào)整旋轉(zhuǎn)齒輪開口的角度，使旋轉(zhuǎn)齒輪開口對準(zhǔn)管道，再次上升到位；控制鎖緊機構(gòu)中的鎖緊電機運轉(zhuǎn)，以帶動鎖緊塊向壓緊方向運轉(zhuǎn)，固定在管道上。鎖緊機構(gòu)采用伺服電機力矩模式加位置雙模式控制，保證對管道的鎖緊力矩和精確定位。

2.3 檢測機構(gòu)功能設(shè)計

圖4 旋轉(zhuǎn)齒輪

檢測機構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)齒輪、射線機裝置、數(shù)字探測器裝置、驅(qū)動機構(gòu)、計算機系統(tǒng)等。旋轉(zhuǎn)齒輪（圖4）安裝于固定安裝板1上。旋轉(zhuǎn)齒輪加工成有一定的開口，齒狀邊的兩個末端之間的距離不大于相鄰兩個齒輪之間的距離，從而可以保證不論旋轉(zhuǎn)齒輪轉(zhuǎn)動至哪個角度，齒狀邊均有至少三個齒輪支撐驅(qū)動，不會從固定安裝板1上脫出，保證其旋轉(zhuǎn)帶動X射線機和探測器實現(xiàn)對管道全周的檢測。內(nèi)壁面位置沿周向設(shè)置有三個凸輪，三個凸輪分別通過軸連接至固定板1上，可便于旋轉(zhuǎn)齒輪順暢地轉(zhuǎn)動。四個齒輪支撐在旋轉(zhuǎn)齒輪的外圓周上，四個齒輪的連線呈正方形，而位于對角線上的兩個齒輪的連線則穿過旋轉(zhuǎn)齒輪的圓心，可使得齒輪對旋轉(zhuǎn)齒輪的支撐更加穩(wěn)定可靠。

驅(qū)動機構(gòu)包括至少四個齒輪以及驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)電機。驅(qū)動機構(gòu)采用高精度伺服電機，伺服電機帶電機軸鎖緊裝置(斷電制動離合器)有效的保證了斷電時電機軸是鎖死的。每個伺服電機有一個正限位、一個負(fù)限位和一個原點開關(guān)，伺服電機控制采用閉環(huán)控制方式，以保證精確的定位。驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，控制方式簡便且可靠。通過旋轉(zhuǎn)齒輪的傳動作用，驅(qū)動至少一個齒輪，即可實現(xiàn)其他齒輪的同步轉(zhuǎn)動。

射線機裝置固定連接于旋轉(zhuǎn)齒輪自由側(cè)表面的一側(cè)，用于從管道的外側(cè)提供穿透管道的射線。射線機裝置包括固定連接于旋轉(zhuǎn)齒輪自由側(cè)表面的機座，機座上安裝有X射線機，其大致呈L型，射線機與管道的夾角已提前預(yù)設(shè)好。同時，射線機頭可升降變化，實現(xiàn)焦距的精確控制。機座的末端還連接有朝向管道所在方向延伸的支座，支座的末端安裝有用于滾動支撐于管道外壁的萬向輪。通過在L型機座支座末端設(shè)置萬向輪，增加了機座的支撐點，使其更穩(wěn)固，便于檢測工作的進(jìn)行。

探測器裝置固定連接于旋轉(zhuǎn)齒輪上，與射線機裝置相對布設(shè)，用于接收穿透管道后的射線并成像。探測器裝置包括固定連接于旋轉(zhuǎn)齒輪的配重安裝座，配重安裝座可以平衡旋轉(zhuǎn)齒輪兩端的受力，保證其旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定。配重安裝座的末端設(shè)置有用于安裝攝像頭的探測器，以及用于驅(qū)動探測器沿管道徑向靠攏或者遠(yuǎn)離管道的移位電機。移位電機的輸出軸通過渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與探測器的連接，并以此結(jié)構(gòu)實現(xiàn)成像安裝座的移動。通過移位電機驅(qū)動成像安裝板遠(yuǎn)離管道，可便于行走機構(gòu)帶動整個裝置沿管道行走以及旋轉(zhuǎn)齒輪繞管道周向旋轉(zhuǎn)；通過移位電機驅(qū)動成像安裝板靠攏管道外壁，可使得其上安裝的攝像頭貼近管道外壁對透照的焊縫進(jìn)行成像。探測器上安裝有多個攝像頭，攝像頭以無線方式發(fā)送圖像數(shù)據(jù)給遠(yuǎn)程的控制系統(tǒng)。

2.4 行走機構(gòu)功能設(shè)計

裝置雖然采用鋁合金進(jìn)行了輕量化處理，但所搭載常規(guī)X射線機等較重，加上本身的重量可重達(dá)70kg，為了讓檢測裝置能平穩(wěn)的行走，行走采用類似于爬行機構(gòu)，爬行動作類似于人的雙腳爬桿動作，固定安裝板1、2相當(dāng)于雙腳，一只腳固定，另一只腳向前移動，行走到限位后，停止并鎖緊，換只腳移動，如此循環(huán)，即可實現(xiàn)行走功能。在2塊固定安裝板的四周布置4個導(dǎo)向裝置（圖5），導(dǎo)向裝置由同步輪，軸承座、鋁座、導(dǎo)管、絲桿、鋼座組成。

圖5 導(dǎo)向裝置

導(dǎo)向裝置兩端分別固定在固定安裝板1和2上。同步輪安裝在固定安裝板1上，鋼座安裝在固定安裝板2上，同步輪側(cè)配置有行走電機。當(dāng)需要在管道上進(jìn)行行走時，首先松開固定安裝板2上的鎖緊裝置，然后，通過固定安裝板1上的行走電機正轉(zhuǎn)驅(qū)動同步輪使得絲桿向前方伸長從而帶動固定安裝板1上的檢測裝置和探測器向前行走，當(dāng)固定安裝板1到達(dá)指定位置時，通過鎖緊電機固定安裝板1，再松開固定安裝板2的鎖緊裝置，通過行走電機驅(qū)動同步輪反轉(zhuǎn)帶動絲桿向固定安裝板1方向移動，使得固定卡板1也向前行走。如此可實現(xiàn)行走機構(gòu)并帶動檢測裝置在管道外壁的爬行動作，實現(xiàn)對管道方向上不同位置處的焊縫的檢測。兩個固定安裝板上都裝有沿著圓周均分分布可徑向移動的三個滾輪，在整個裝置行走時，可起到一定的支撐作用。裝置行走速度可通過行走電機來調(diào)節(jié)，目前，可實現(xiàn)5m/min的行走速度，行走距離可調(diào)，行走停止位精度可達(dá)±10mm。

2.5 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)界面包括有控制操作屏、圖像監(jiān)控屏、緊急急停按鈕、控制按鈕等?？刂撇僮髌良{(diào)整按鈕、電機狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置、故障報警于一體。裝置安裝了多個距離傳感器，設(shè)置在行走機構(gòu)上的距離傳感器用于檢測外部的障礙，前方有障礙物及時停止并發(fā)出報警信息；設(shè)置在射線機上的距離傳感器用于在檢測前實現(xiàn)射線機位置的準(zhǔn)確定位，以保障檢測工藝的有效實施和檢測質(zhì)量。裝置中設(shè)置了多個攝像頭以及方便遠(yuǎn)程實時查看裝置的運行情況和及時調(diào)整。驅(qū)動機構(gòu)、成像機構(gòu)以及行走機構(gòu)中的電機均采用高精度伺服電機，伺服電機帶電機軸鎖緊裝置(斷電制動離合器)，有效地保證了斷電時電機軸是鎖死的。還采用了專用的運動控制器與伺服電機連接，為伺服電機發(fā)出控制信號，伺服電機反饋位置信息到運動控制器，進(jìn)行閉環(huán)控制，同時，外部的限位信號、原點信號、超聲波距離傳感器的信號進(jìn)入運動控制器，使用控制更精確、更合理。

3 實際應(yīng)用

圖6 裝置實物圖

整體裝置裝配后，各緊固部件牢固可靠，各連接部位吻合較好，行走機構(gòu)運轉(zhuǎn)靈活，運行平穩(wěn)，控制部分指令可靠，無錯誤動作，同時，通過了最大爬坡度、行進(jìn)速度、停止位精度、爬行運行可靠性、爬行遇障礙自動停止等相關(guān)性能測試試驗，并有以下幾個特點：（1）實現(xiàn)了沿管外徑360°自動旋轉(zhuǎn)對整圈焊縫的自動檢測。傳統(tǒng)探傷方法需人工手動固定機頭的位置，拍完一張后再將機頭換一個位置，幾十公斤重的機頭需沿管道焊縫周向移動多次，射線機放置時間長，采用本裝置后，檢測裝置只需現(xiàn)場安裝完成后可一次性連續(xù)完成整圈焊縫的檢測，減輕了勞動強度，探傷人員往返時間和調(diào)整射線機位置時間大大縮短，提高了工作效率。（2）可覆蓋不同管徑（φ219～426）的管道和彎頭、變徑口、管道固定口等管道對接焊縫的X射線檢測。（3）使用鋁合金材料制造，自動檢測裝置重量輕，便于攜帶安裝。（4）保證了檢測質(zhì)量?，F(xiàn)場射線機放置位置都是靠經(jīng)驗、臨時裝置固定，導(dǎo)致成像質(zhì)量得不到保證，不合格片增加，需要重拍。尤其是高空中對管道進(jìn)行射線檢測時，射線機定位非常重要，位置稍有偏差，可能導(dǎo)致照偏，通過本裝置可精確地確定好射線機和探測裝置的位置，杜絕了白頭片、照偏等現(xiàn)象，可實現(xiàn)合格率100%。同時，工藝參數(shù)由機械自動控制，消除了人為因素，降低了操作難度，使得一般檢測人員僅需簡單培訓(xùn)后即可拍出合格底片。

4 結(jié)語

本文所設(shè)計管道自動X射線檢測裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、操作方便、自動化程度高、可遠(yuǎn)程遙控等特點，解決了傳統(tǒng)射線檢測勞動強度大、效率低、檢測質(zhì)量無法得到保障的問題，滿足了壓力管道定期檢驗和安裝檢驗過程的一些特殊情況的射線檢測的相關(guān)要求，有著良好的經(jīng)濟效益和社會效益，極具推廣價值。