邢艷亮 朱琪嘉 張玉軍

1.河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 河北唐山 063000

2.河北省承壓設(shè)備檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)創(chuàng)新中心 河北唐山 063000

當(dāng)前我國(guó)特種設(shè)備數(shù)量比較多，尤其大型設(shè)備（球罐等）表面缺陷的無損檢測(cè)很困難，很多都需要檢測(cè)人員爬上十幾米高的腳手架上工作，檢測(cè)人員比較危險(xiǎn)、檢測(cè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且搭設(shè)腳手架增加了檢測(cè)成本。目前的磁粉檢測(cè)技術(shù)是通過人工操作和人工觀測(cè)來評(píng)判檢測(cè)結(jié)果，漏判、誤測(cè)的比例較高，且不能實(shí)時(shí)保存現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程。本文把自動(dòng)化機(jī)器人、數(shù)字成像技術(shù)應(yīng)用到磁粉檢測(cè)領(lǐng)域，既可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程實(shí)時(shí)成像，也可把檢測(cè)過程變?yōu)橐曨l保存下來，方便檢測(cè)過程的回放和檢測(cè)結(jié)果研判，達(dá)到有效檢測(cè)焊縫表面缺陷的目的。

1 檢測(cè)系統(tǒng)的功能

目前國(guó)內(nèi)的自動(dòng)化檢測(cè)機(jī)器人已有一些通用性的產(chǎn)品，例如用于衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)TOFD、用于相控陣超聲波PAUT等自動(dòng)化檢測(cè)的設(shè)備，但它們均不適用于磁粉檢測(cè)的工況應(yīng)用；也有極少量的論文關(guān)于本項(xiàng)目的論述，例如《磁粉探傷爬壁檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究》，但其是履帶式，具有難轉(zhuǎn)向、不易逾越焊縫、車體過重、靈活性較差等問題，實(shí)用性有待大大加強(qiáng)；目前市場(chǎng)上還沒有見到用于磁粉自動(dòng)化檢測(cè)的設(shè)備。

1.1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

1.1.1 爬行運(yùn)動(dòng)及搭載

本系統(tǒng)掃查器車輪采用高強(qiáng)磁材料，即使出現(xiàn)意外斷電，也不會(huì)發(fā)生車體從被檢測(cè)表面掉落的危險(xiǎn)。磁力機(jī)器人可以安全的進(jìn)行水平、垂直和倒置等不同形態(tài)的掃描工作。其垂直載荷不小于10kg，即在拖拽10kg重物時(shí)絲毫不影響其在垂直方向的各種運(yùn)動(dòng)。

掃查器采用高性能電機(jī)，四輪驅(qū)動(dòng)模式，單組電機(jī)功率達(dá)到50W，扭矩值達(dá)到97Nm，可進(jìn)行前后行進(jìn)和左右轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，為達(dá)到精密運(yùn)動(dòng)和在檢測(cè)表面平穩(wěn)運(yùn)行，采用高精度減速器。選用硬鋁合金材料，整體防腐蝕能力強(qiáng)，掃查器裸重≤12kg。轉(zhuǎn)輪采用高強(qiáng)磁材料，直徑為70mm，輪寬為35mm，掃查器最大載荷10kg。

智能掃查器采用分體式結(jié)構(gòu)，適用于不同曲面工件。智能掃查器由兩個(gè)獨(dú)立的單電機(jī)掃查器連接在一起，因此不僅可以對(duì)小型管道（直徑305mm以上）進(jìn)行縱向焊縫的掃查，還可以針對(duì)管道的螺旋焊縫進(jìn)行掃查。

智能掃查器可實(shí)現(xiàn)精確到毫米級(jí)的編程控制，進(jìn)行自動(dòng)智能化檢測(cè)。智能掃查器可搭載多種部件和檢測(cè)工裝，如防墜掛繩、視頻傳感器、校準(zhǔn)系統(tǒng)、自動(dòng)系統(tǒng)、各類超聲掃查架等。

為使有利于對(duì)被測(cè)物體表面焊縫檢測(cè)工作做到精準(zhǔn)、一致性，通過集成控制手柄，可對(duì)智能掃查器進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)置，并可以對(duì)其行進(jìn)的距離進(jìn)行毫米級(jí)的路線行程設(shè)置。

在做沿焊縫直線檢測(cè)時(shí)，通過高精度的機(jī)械傳動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)偏離誤差不大于2mm，且依靠校準(zhǔn)系統(tǒng)隨時(shí)對(duì)行進(jìn)路線進(jìn)行校準(zhǔn)和精密微調(diào)，從而確保檢測(cè)的精準(zhǔn)度和一致性。

1.1.2 自動(dòng)化泵送裝置

在搭載使用磁粉檢測(cè)的時(shí)候，采用高性能泵送裝置為探頭部分穩(wěn)定、持續(xù)的輸送磁懸液。

泵送裝置可隨時(shí)控制調(diào)節(jié)磁懸液輸出流量。

1.1.3 運(yùn)動(dòng)監(jiān)視視頻

視頻監(jiān)測(cè)的目的是實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)，輔助機(jī)器人進(jìn)行缺陷掃查，使它不會(huì)偏離被測(cè)軌跡。

視頻設(shè)備參數(shù)：200W像素，720P分辨率。

視頻傳輸方式及顯示終端：WIFI傳輸，Android或IOS操作系統(tǒng)平臺(tái)上顯示。

電纜線是整套系統(tǒng)的主線纜。它提供所有的電源，通信網(wǎng)絡(luò)以及編碼器的信號(hào)傳輸，電纜長(zhǎng)度從5米到30米可選。

多通道管路，可以應(yīng)用自動(dòng)泵，使用三通連接器，給多個(gè)噴頭進(jìn)行磁懸液的輸送。

電纜管理系統(tǒng)，它是用來保護(hù)和組織探頭電纜、管道，具有耐磨損、耐腐蝕、耐低溫等特點(diǎn)，而且采用雙拉鏈的快速、方便的拆裝方式。

1.1.4 視頻檢測(cè)

采用高亮LED照明光源和彩色CMOS圖像傳感器，以及像素/成像分辨率dpi均為500萬/2592×1944的攝像頭（動(dòng)靜態(tài)像素）。

1.2 磁化方法

系統(tǒng)采用“交叉磁軛磁化+非熒光磁懸液”的磁化方法。

1.2.1 交叉磁軛的磁場(chǎng)形成

單電磁軛有兩個(gè)磁極，進(jìn)行磁化只能發(fā)現(xiàn)與兩極連線垂直的和成一定角度的缺陷，對(duì)平行于兩磁極連線方向缺陷則不能發(fā)現(xiàn)。使用交叉磁軛可在工件表面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，如圖1所示。國(guó)內(nèi)外大量實(shí)踐證明，這種多向磁化技術(shù)可以檢測(cè)出非常小的缺陷，因?yàn)樵诖呕h(huán)的每個(gè)周期都使磁場(chǎng)方向與缺陷延伸方向相垂直，所以一次磁化可檢測(cè)出工件表面任何方向的缺陷，檢測(cè)效率高。

圖1 交叉磁軛示意圖

交叉磁軛可以形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。它的四個(gè)磁極分別由兩相具有一定相位差的正弦交變電流激磁。于是就能在四個(gè)磁極所在平面形成與激磁電流頻率相等的旋轉(zhuǎn)著的合成磁場(chǎng)。

能形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的基本條件是：兩相磁軛的幾何夾角α與兩相激磁電流的相位差φ均不等于0°或180°。

1.2.2 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)分布特點(diǎn)

交叉磁軛的磁場(chǎng)無論在四個(gè)磁極的內(nèi)側(cè)還是外側(cè)，其分布都是極不均勻的。只有在幾何中心點(diǎn)附近很小的范圍內(nèi)，其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的橢圓度變化不大，而離開中心點(diǎn)較遠(yuǎn)的其它位置，其橢圓度變化很大，甚至不能形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。另外四個(gè)磁極外側(cè)仍然有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)存在，只是有效磁化范圍較小。

1.2.3 交叉磁軛的提升力

交叉磁軛的提升力代表交叉磁軛導(dǎo)入被檢測(cè)工件有效磁通的多少，亦即工件被磁化后其磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，提升力必須大于某一值后，才能保證被檢工件的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度，亦即保證檢測(cè)靈敏度。

2 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)交叉磁軛的磁化規(guī)范影響因素

2.1 提升力的影響

磁軛提升力是磁鐵只借助其磁性吸力，可提升其某一重量的鐵素體鋼塊的能力，其適用于直流、交流和整流電磁軛設(shè)備的磁化能力校驗(yàn)。工程實(shí)際中采用單磁軛指標(biāo)的1倍作為交叉磁軛提升力指標(biāo)是合理的。NB/T47013.4-2015標(biāo)準(zhǔn)要求交叉磁軛至少應(yīng)有118N的提升力（磁極與工件表面間隙為≤0.5mm）。

2.2 相位差的影響

交叉磁軛激磁電流的相位差偏離標(biāo)準(zhǔn)值會(huì)導(dǎo)致工件表面合成磁場(chǎng)的橢圓度變化。在相同激磁規(guī)范的條件下，合成磁場(chǎng)軌跡的橢圓度越大，則B0的有效值越小，磁化規(guī)范越小。采用試片法來確定交叉磁軛的磁化規(guī)范和有效磁化區(qū)域范圍十分方便、有效，是十分必要的。

2.3 磁極間距L 的影響

為保證足夠的磁化規(guī)范，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求“跨距寬度不大于100mm”；為保證足夠的有效磁化區(qū)域大小又需L足夠大。故工程中應(yīng)用的交叉磁軛通常L取100mm-150mm范圍。

2.4 磁極間隙的影響

因兩對(duì)磁極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，交叉磁軛存在磁極間隙是不可避免的。故NB/T47013.4-2015規(guī)定：“交叉磁軛至少應(yīng)有118N的提升力（磁極與試件表面間隙為0.5mm）”。分析可得，當(dāng)單磁軛的提升力從44N增大到118/2N時(shí)，B0增大幅度僅約為16%，僅能補(bǔ)償約∮≈0.2mm帶來的B0減小幅度，顯然118N的提升力指標(biāo)要求對(duì)保證足夠的磁化規(guī)范意義不大；另外為保證足夠的磁化規(guī)范，交叉磁軛進(jìn)行提升力校驗(yàn)時(shí)，磁極間隙應(yīng)≤0.5mm。

3 磁粉檢測(cè)的缺陷顯示

檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)缺陷主要有表面裂紋、氣孔、夾渣、未熔合和母材裂紋等。缺陷情況見下圖2至圖7。

圖2 焊縫橫向裂紋

圖3 焊縫縱向及橫向裂紋

圖4 焊縫縱向裂紋

圖5 焊縫縱向裂紋

圖6 焊縫表面縱向裂紋

圖7 母材裂紋

4 結(jié)語

（1）采用全自動(dòng)多功能磁粉檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)大型球罐和儲(chǔ)罐類焊縫表面缺陷的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了焊縫及母材表面的大量缺陷，通過對(duì)缺陷進(jìn)行打磨或者補(bǔ)焊，消除了影響承壓設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的重大隱患，充分展現(xiàn)了全自動(dòng)多功能磁粉檢測(cè)系統(tǒng)在高空檢測(cè)作業(yè)中的優(yōu)勢(shì)。

（2）全自動(dòng)多功能磁粉檢測(cè)的實(shí)施可對(duì)企業(yè)降低檢測(cè)成本，對(duì)檢測(cè)提高了安全性，提升了檢測(cè)速度，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)結(jié)果的可記錄性。