姚年春 蔣道霞 程永

摘 要：針對(duì)無(wú)縫鋼管壁厚測(cè)量問(wèn)題，選擇了電磁檢測(cè)方法，分析了壁厚測(cè)試原理，并對(duì)鋼管在線壁厚測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方案提高了同一條運(yùn)輸線上不同規(guī)格鋼管檢測(cè)的靈活性，檢測(cè)過(guò)程控制簡(jiǎn)潔，同時(shí)也方便后期維護(hù)。

關(guān)鍵詞：無(wú)縫鋼管;測(cè)厚;電磁檢測(cè)

0 ? ?引言

在無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)中，鋼管壁厚的精度是衡量鋼管質(zhì)量的重要參數(shù)，根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)最新的《套管和油管規(guī)范》（API SPECIFICATION 5CT）規(guī)定[1]，鋼管的壁厚應(yīng)控制在標(biāo)稱壁厚-12.5%～+12.5%范圍內(nèi)，然而在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐中，壁厚與廠家關(guān)系密切。鑒于此，本文在分析鋼管壁厚測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了自動(dòng)測(cè)厚的調(diào)節(jié)裝置。

1 ? ?測(cè)厚方式選擇

目前，測(cè)厚的主要方法有激光測(cè)厚、渦流測(cè)厚、電磁檢測(cè)、射線測(cè)厚和超聲波檢測(cè)5種。國(guó)外采用的是全長(zhǎng)全覆蓋測(cè)厚工藝[2-3]，主要有兩種裝置：一種為探頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，被測(cè)鋼管做直線運(yùn)動(dòng);另一種為探頭靜止不動(dòng)，鋼管做螺旋狀前行。這兩種方法都不適合淮鋼無(wú)縫鋼管大規(guī)格和多品種的測(cè)厚要求。鑒于此，本文提出了一種便于調(diào)節(jié)的無(wú)縫鋼管自動(dòng)測(cè)厚裝置設(shè)計(jì)方案，該方案采用電磁檢測(cè)方式，可用于淮鋼無(wú)縫鋼管的在線測(cè)厚。

2 ? ?測(cè)厚原理

采用電磁檢測(cè)方法對(duì)鋼管壁厚進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通過(guò)穿過(guò)鋼管的線圈進(jìn)行積分，得到鋼管主磁通的值以及與磁通量相關(guān)的電壓值，測(cè)試原理如圖1所示。穿過(guò)線圈的總磁通量Φt等于鋼管內(nèi)磁通量Φp與線圈內(nèi)部空氣的磁通量Φa之和，如式（1）所示：

Φt=Φp+Φa ? ? ? ? ? ? ?（1）

線圈兩側(cè)電壓為式（2）：

e=-d（NΦt）/dt ? ? ? （2）

式中：N為測(cè)厚線圈的匝數(shù)。

為了避免感應(yīng)線圈直接測(cè)量給主磁通帶來(lái)的不利影響，設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)反映磁通量的變化，已知某特定截面的磁通量Φ與該截面面積S和截面內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系如式（3）所示：

Φ=BS ? ? ? ?（3）

由式（3）可知，當(dāng)截面內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B處于非飽和狀態(tài)時(shí)，磁通量的變化可以通過(guò)監(jiān)測(cè)磁路中磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化來(lái)判斷。由于需檢測(cè)的鋼管規(guī)格多，管徑變化范圍大，故檢測(cè)系統(tǒng)安裝了配有聚磁板的軸向磁化器，磁化器的線圈匝數(shù)、內(nèi)徑/外徑大小、額定電流大小都會(huì)影響磁化器的性能。本設(shè)計(jì)中，對(duì)磁路導(dǎo)致的磁通量變化與壁厚之間的線性關(guān)系設(shè)定了準(zhǔn)確的基準(zhǔn)值，這樣便可以將對(duì)磁通量的測(cè)量轉(zhuǎn)變成對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量，這種轉(zhuǎn)換可使測(cè)量更方便，同時(shí)保證了高測(cè)量精度。

在實(shí)際的壁厚測(cè)量過(guò)程中，壁厚基本為局部變化，霍爾元件靈敏度高、安裝方便，同時(shí)受磁路中磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，霍爾元件極易處于非線性工作狀態(tài)，所以往往采用間接方法來(lái)測(cè)量主磁路中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

3 ? ?鋼管在線壁厚檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)縫鋼管在線壁厚檢測(cè)系統(tǒng)需要達(dá)到智能檢測(cè)效果，從而保證檢測(cè)效率和檢測(cè)過(guò)程中的穩(wěn)定性。因此，針對(duì)淮鋼無(wú)縫鋼管在線檢測(cè)需求，根據(jù)被檢鋼管的不同規(guī)格設(shè)計(jì)了測(cè)厚系統(tǒng)，具體設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)方面：

3.1 ? ?信號(hào)處理系統(tǒng)

壁厚在線檢測(cè)信號(hào)處理系統(tǒng)布局如圖2所示。自動(dòng)采集得到的厚度信號(hào)，通過(guò)放大器放大后濾波，再使用AD轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，后經(jīng)測(cè)厚程序進(jìn)行信號(hào)處理，顯示出測(cè)厚的波形和相關(guān)數(shù)據(jù)，如果測(cè)厚不符合要求，則會(huì)發(fā)出信號(hào)向PLC報(bào)警，由PLC控制報(bào)警打標(biāo)器。待檢測(cè)鋼管進(jìn)入探頭范圍后，信號(hào)自動(dòng)采集動(dòng)作，由PLC以及光電開關(guān)相互配合完成自動(dòng)采集。

3.2 ? ?PLC單元

根據(jù)測(cè)厚系統(tǒng)的工藝需求，PLC單元的設(shè)計(jì)如圖3所示。出入口處都設(shè)有檢測(cè)光電開關(guān)，用來(lái)檢測(cè)鋼管是否在線，以控制輥道的啟停;水箱進(jìn)出口處的光電檢測(cè)開關(guān)，用來(lái)檢測(cè)鋼管進(jìn)出水箱時(shí)的端部位置。光電開關(guān)與各自相對(duì)應(yīng)的編碼器安裝在同一垂直面上，便于控制編碼計(jì)數(shù)。

3.3 ? ?探頭分布

本設(shè)計(jì)主要是根據(jù)鋼管斷面的幾何形狀、鋼管直徑變化范圍以及回波信號(hào)的要求，來(lái)對(duì)鋼管測(cè)試探頭的頻率、型式和晶片大小等參數(shù)進(jìn)行選擇。測(cè)量探頭的分布方式如圖4所示。

在測(cè)試過(guò)程中，試塊和探頭是重要的組成零件，試塊在測(cè)試過(guò)程中可以確定尺寸等方面的靈敏度和探頭的性能，通過(guò)調(diào)整掃描速度來(lái)對(duì)尺寸進(jìn)行評(píng)判。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性好，同時(shí)保證最大管徑在圓周方向上測(cè)量覆蓋達(dá)到100%，共設(shè)計(jì)了4組探頭，每組16個(gè)，4組探頭安裝在同一個(gè)探頭箱中，設(shè)計(jì)保證了鋼管測(cè)試過(guò)程中最大和最小管徑的耦合距離。

無(wú)縫鋼管測(cè)厚時(shí)，采用的是探頭固定、探頭箱調(diào)整參數(shù)的方法，當(dāng)鋼管規(guī)格變化時(shí)，只需要調(diào)整探頭箱的高度，使探頭中心線和鋼管的中軸線保持一致，同時(shí)調(diào)整不同規(guī)格鋼管的參數(shù)設(shè)置，保證同一個(gè)探頭箱能夠適應(yīng)所有不同規(guī)格的鋼管的在線測(cè)厚要求。在配套的測(cè)量軟件中，采用了動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù)對(duì)管壁的跳動(dòng)進(jìn)行跟蹤測(cè)量，當(dāng)鋼管管壁發(fā)生跳動(dòng)時(shí)，水層的厚度也跟著變化，保證了測(cè)量的精度。

通過(guò)生產(chǎn)反復(fù)測(cè)試，本設(shè)計(jì)選擇的鋼管探頭為縱波直探頭，頻率為5 MHz，晶片的直徑為25 mm。

3.4 ? ?鋼管壁測(cè)厚線結(jié)構(gòu)

測(cè)厚總成是在線測(cè)厚裝置的核心部分，鋼管壁測(cè)厚線的總體結(jié)構(gòu)主要包括傳輸線、磁懸浮壓緊、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和打標(biāo)器，如圖5所示?？偝稍O(shè)計(jì)部分，在垂直方向上的中心高度可以調(diào)節(jié)，當(dāng)待檢測(cè)鋼管進(jìn)入總成時(shí)，鋼管被壓緊，對(duì)于不同管徑規(guī)格的鋼管，通過(guò)電機(jī)來(lái)調(diào)整探頭中心高度以保證測(cè)試的順利進(jìn)行。

3.5 ? ?總體結(jié)構(gòu)圖

測(cè)量裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖6所示，測(cè)量裝置底座上安裝的測(cè)量箱體和右半箱體通過(guò)箱體下連接桿連接可以緊固連接穩(wěn)定裝置，光電編碼器和數(shù)據(jù)顯示表可以顯示待測(cè)量無(wú)縫鋼管的厚度，螺旋式絲桿、絲桿聯(lián)軸器和測(cè)量推進(jìn)油缸的配合可以改變測(cè)量箱體和右半箱體的距離，可以測(cè)量不同直徑的鋼管，可解決鋼管工業(yè)中測(cè)量的方法不成熟、測(cè)量的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，或者無(wú)法測(cè)量厚度等技術(shù)問(wèn)題。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用電磁檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫鋼管自動(dòng)測(cè)厚功能，設(shè)計(jì)過(guò)程中，選擇霍爾元件實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)信號(hào)的無(wú)漏檢測(cè)，保證了探測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定性和全面性;針對(duì)不同規(guī)格的鋼管，通過(guò)更換檢測(cè)探頭，提高了同一條運(yùn)輸線上檢測(cè)方式的靈活性，并能分類記錄相關(guān)檢測(cè)結(jié)果。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 套管和油管規(guī)范：API SPECIFICATION 5CT[S].

[2] SMS米爾股份有限公司.在管材軋機(jī)中測(cè)量管壁厚的裝置：CN200310027838.1[P].2006-03-29.

[3] 谷立功.中國(guó)鋼管行業(yè)2019年回顧及2020年展望[J].鋼管，2020，49（3）：1-5.

收稿日期：2021-09-02

作者簡(jiǎn)介：姚年春（1975—），男，山東青島人，碩士研究生，副教授，研究方向：控制理論與控制工程。