吳 娟， 徐 海， 褚 潔

（1. 渤海裝備巨龍鋼管有限公司， 河北 青縣 062658； 2. 渤海裝備鋼管銷售公司， 河北 青縣 062658）

0 前 言

“噘嘴” 是直縫埋弧焊鋼管成型工藝中的一個關(guān)鍵性指標(biāo)， 鋼板在壓制成型過程中， 由于原材料或工藝原因， 鋼板邊緣成型曲率通常不太規(guī)則，焊接后形成焊縫附近向內(nèi)或向外的幾何尺寸偏離，這將導(dǎo)致應(yīng)力集中， 影響管道壽命。 因此通過預(yù)焊后“噘嘴” 數(shù)據(jù)的測量， 將測量數(shù)據(jù)實時反饋到鋼管預(yù)彎工序、 成型工序和擴(kuò)徑工序， 對管型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整， 以確保最終產(chǎn)品的“噘嘴” 合格。

目前我國大直徑直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線對預(yù)焊后“噘嘴” 數(shù)據(jù)的檢驗采集均采用人工靜態(tài)測量， 即由操作人員在停機(jī)狀態(tài)下使用百分表對預(yù)焊縫兩側(cè)5～10 mm 處進(jìn)行抽點(diǎn)檢測。 這種測量方法存在耗時長、 精度低、 不能連續(xù)檢測及實時反饋等缺點(diǎn)。 本研究設(shè)計的測量系統(tǒng)能在預(yù)焊過程中對預(yù)焊后“噘嘴” 數(shù)據(jù)進(jìn)行實時測量， 精度高且能夠自動保存， 便于后續(xù)的追溯、 統(tǒng)計、 分析、改進(jìn)和處理。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

1.1 預(yù)焊后“噘嘴” 數(shù)據(jù)測量

預(yù)焊后“噘嘴” 形貌包括正常、 外噘、 內(nèi)噘三種類型， 各類型示意圖如圖1 所示。 焊縫處曲率規(guī)整， 左坡點(diǎn)和右坡點(diǎn)都在鋼管正常輪廓上即為正常； 焊縫處曲率不規(guī)整， 左右坡點(diǎn)不同程度向上突起即為外噘； 焊縫處曲率不規(guī)整， 左右坡點(diǎn)不同程度向下突起即為內(nèi)噘。

圖1 “噘嘴”形貌類型示意圖

預(yù)焊后“噘嘴” 的測量方法如圖2 所示， 采用50 mm 百分表安裝在寬150 mm 的支架上， 調(diào)零； 將百分表支架放置在鋼管焊縫兩側(cè)， 移動百分表， 使探頭移動至距焊縫邊緣5～10 mm 處， 測量并記錄“噘嘴” 處數(shù)值； 該數(shù)值與鋼管150 mm弦長內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)弦高之差即為“噘嘴” 值。 “噘嘴” 值為正即為外噘， “噘嘴” 值為負(fù)即為內(nèi)噘。

圖2 “噘嘴”數(shù)據(jù)人工測量方法示意圖

1.2 設(shè)計原理

通過二維激光傳感器采集焊縫及其兩側(cè)輪廓數(shù)據(jù)， 將其與標(biāo)準(zhǔn)距離值進(jìn)行對比， 得到的數(shù)值即為“噘嘴” 值， 具體檢測流程如圖3 所示。

圖3 “噘嘴”檢測流程圖

步驟1： 使用二維激光傳感器采集焊縫及其兩側(cè)輪廓， 激光傳感器置于鋼管預(yù)焊縫正上方， 垂直向下發(fā)出激光， 從而得到預(yù)焊縫兩側(cè)輪廓曲線數(shù)據(jù)， 傳感器采集鋼管輪廓數(shù)據(jù)方法如圖4 所示。

圖4 傳感器采集鋼管輪廓數(shù)據(jù)示意圖

圖5 “噘嘴”檢測參數(shù)示意圖

步驟3： 根據(jù)鋼管左坡口縱坐標(biāo)By和左偏移點(diǎn)縱坐標(biāo)Ay（與左坡口的偏移距離為m）， 計算左坡口“噘嘴” 值b3=H-By+Ay； 根據(jù)鋼管右坡口縱坐標(biāo)Cy和右偏移點(diǎn)縱坐標(biāo)Dy（與右坡口的偏移距離為m）， 計算右坡口“噘嘴” 值b4=H-Cy+Dy。 該方案能解決采用百分表對焊縫“噘嘴” 數(shù)據(jù)進(jìn)行測量時測量基面偏斜導(dǎo)致結(jié)果準(zhǔn)確度較低的問題。

步驟4： 在預(yù)設(shè)距離區(qū)間內(nèi)， 更新偏移距離（優(yōu)選50～100 mm）， 執(zhí)行步驟2 和步驟3， 得到更新后的偏移距離對應(yīng)的左坡口“噘嘴” 值和右坡口“噘嘴” 值。 以預(yù)設(shè)次數(shù)執(zhí)行距離更新。

步驟5： 根據(jù)步驟4 得到的多個左坡口 “噘嘴” 值和右坡口“噘嘴” 值， 計算鋼管焊縫最終“噘嘴” 值。 最終“噘嘴” 值可將多個左坡口“噘嘴” 值和右坡口“噘嘴” 值求和后取平均值。 通過平均“噘嘴” 值計算能夠比通過單獨(dú)一側(cè)坡口的“噘嘴” 值計算更加準(zhǔn)確。

步驟6： 根據(jù)計算的平均“噘嘴” 值確定鋼管焊縫是內(nèi)噘還是外噘。 當(dāng)最終“噘嘴” 值為正時，鋼管焊縫為外噘， 數(shù)值為負(fù)時鋼管焊縫為內(nèi)噘。

生產(chǎn)過程中隨著鋼管運(yùn)動， 該系統(tǒng)能實現(xiàn)對預(yù)焊縫“噘嘴” 數(shù)據(jù)實時測量， 將測量數(shù)據(jù)顯示在預(yù)彎工序、 成型工序的輸出界面上， 對不合格數(shù)據(jù)突出顯示提醒， 實現(xiàn)測量評定的自動化、 一體化。

2 系統(tǒng)組成

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

測量系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括固定支架、 固定底座和升降絲杠。 固定支架安裝在預(yù)焊機(jī)出口，固定底座水平安裝在固定支架上； 升降絲杠垂直安裝在固定底座上， 二維激光傳感器固定在絲杠下端， 使其位于預(yù)焊縫正上方， 保證光源垂直向下發(fā)射， 絲杠能通過伺服電機(jī)帶動激光傳感器上下移動， 滿足不同規(guī)格直縫埋弧焊管的生產(chǎn)要求。 測量系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 測量系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 傳感器選擇

測量系統(tǒng)使用的主要硬件是二維激光傳感器。Φ508 mm～Φ1 422 mm 直縫埋弧焊管生產(chǎn)過程中，鋼管直徑范圍較大， 生產(chǎn)工況惡劣， 綜合考慮測量范圍、 測量距離和分辨率等因素， 傳感器選擇美國LMI 公司生產(chǎn)的Gocator 2350 一體式3D 百萬像素智能傳感器。 該傳感器具有預(yù)先校準(zhǔn)過掃描微米級的細(xì)節(jié)、 高速低延遲、 通過網(wǎng)頁瀏覽器設(shè)置和控制、 內(nèi)置測量工具、 支持用戶編程、 必要的開源SDK、 百萬像素分辨率等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 軟件系統(tǒng)

測量系統(tǒng)軟件模塊劃分如圖7 所示， 通過輪廓掃描模塊、 距離計算模塊和左右“噘嘴” 檢測模塊實現(xiàn)“噘嘴” 檢測的過程； 通過距離更新模塊、 最終“噘嘴” 值計算模塊得出最終焊縫的平均“噘嘴” 值。 該軟件主要具有數(shù)據(jù)分析、 結(jié)果顯示、 保存、 查詢及參數(shù)設(shè)置等功能。

圖7 測量系統(tǒng)軟件模塊示意圖

3 應(yīng)用效果

該實時測量系統(tǒng)安裝完成后， 對Φ508 mm×8 mm、 Φ914 mm×17.5 mm、 Φ1 219 mm×22 mm、Φ1 422 mm×30.8 mm 四種規(guī)格的直縫埋弧焊管預(yù)焊后“噘嘴” 數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量， 與生產(chǎn)過程中每小時人工測量1 根鋼管的數(shù)據(jù)比對， 表1 為不同測量方式下每種規(guī)格2 根鋼管的測量數(shù)據(jù)。

由表1 可以看出， 同1 根預(yù)焊后鋼管“噘嘴”值系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)和人工測量數(shù)據(jù)基本一致， 經(jīng)長時間運(yùn)行， 能滿足預(yù)焊后“噘嘴” 工藝測量要求， 具有較高測量精度。 在運(yùn)行過程中， 測量系統(tǒng)還多次對不符合工藝情況發(fā)出報警， 提醒相關(guān)崗位及時調(diào)整工藝參數(shù)， 確保成品鋼管“噘嘴” 值符合要求。

表1 鋼管預(yù)焊后“噘嘴”值系統(tǒng)測量和人工測量對比

4 結(jié)束語

采用激光測量技術(shù)設(shè)計的預(yù)焊后“噘嘴” 數(shù)據(jù)實時測量系統(tǒng)， 能夠?qū)崟r測量預(yù)焊后的“噘嘴”值， 并及時反饋至相關(guān)生產(chǎn)工序?qū)崿F(xiàn)快速調(diào)整，可以有效降低工人勞動強(qiáng)度、 提高生產(chǎn)效率、 提高測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、 降低經(jīng)濟(jì)損失， 對直縫埋弧焊管生產(chǎn)有重要意義。