带管端探伤的全管体自动超声波探伤系统

2010-07-24高光旭崔二炜刘忠魁陈开云李久营胡建华

无损检测 2010年7期

高光旭,崔二炜,刘忠魁,陈开云,李久营,胡建华

(1.鞍山长风无损检测设备有限公司,鞍山 114014;2.河北青县第一机械厂,青县 062658)

超声波自动探伤是目前检查和控制螺旋埋弧焊管焊缝质量十分经济有效的手段。钢管厂家采用螺旋管自动探伤系统,实现自动探伤,提高探伤速度,但在整根钢管的自动探伤过程中大多需要设置两个探伤区:焊缝探伤区和母材探伤区,给生产工序带来很大的麻烦。

大多数超声波探伤设备中的焊缝探头都在一个焊缝探头体上。在自动探伤过程中,为了保证焊缝探头全部落在钢管上,造成300 mm左右的钢管管端焊缝盲区。在母材自动探伤过程中,虽然母材探头是分组探伤,但由于探头本身的大小,同样造成30 mm母材盲区。因此在自动探伤完成后,还需要两个专门人员在钢管的两端,用手探仪对螺旋钢管的两个管端进行手工探伤,增加了每根钢管的探伤时间,影响了生产进度和效率;同时由于探伤人员疲劳工作,会造成漏检,影响钢管探伤的可靠性和准确性。

笔者针对以上问题,根据多年的超声波探伤经验,把焊缝探伤和母材探伤合为一体,实现了螺旋管全管体的自动化探伤,同时增加了管端探伤,取得了较好的实际应用效果。

1 探伤系统简介

设计的带管端探伤的全管体自动超声波探伤系统主要包括超声波探头、超声波探伤仪器、图像跟踪系统、PLC电气控制系统和全管体探伤机械装置。

1.1 探伤系统结构

超声波探伤仪器包括焊缝超声波探伤仪和母材超声波探伤仪,由于全管体中的焊缝探伤和母材探伤原理是不一样的,所以仍然采用两种探伤仪。

图像跟踪系统包括计算机、图像采集卡、模拟量输出卡和数字输入输出卡。通过计算机内的图像采集卡采集各个摄像头的焊缝图像,经过计算机的图像跟踪系统软件对焊缝图像进行分析,再经过数字输入输出卡对数字输入和输出信号与PLC电气控制系统进行联络,同时把跟踪过程中的偏移量通过模拟量输出卡输出给PLC电气控制系统。

PLC电气控制系统设有显示屏和操作面板,控制行车电机、托辊电机、跟踪电机、焊缝管端检测装置、母材管端检测装置、管头检测装置、管尾检测装置、焊缝探头架升降电机、母材探头架升降电机、焊缝探头体升降电磁阀、母材探头体升降电磁阀。

全管体探伤机械装置(图1和2)包括龙门架1、行车2、焊缝探头架3、母材探头架4、焊缝管端检测装置5、焊缝跟踪装置6、母材管端检测装置7、管尾检测装置8、母材管端探头体9、管头检测装置10、焊缝探头体11、母材探头体12、托辊13和待检螺旋管14。龙门架上设有行车,在行车上设置焊缝探头架和母材探头架。焊缝跟踪装置包括焊缝摄像头和激光笔,管头检测装置包括前后并排设置的管头前位检、管头后位检和管头摄像头,管尾检测装置包括前后并排设置的管尾前位检、管尾后位检和管尾摄像头。

1.2 探伤系统特点

整个探伤系统把焊缝探伤和母材探伤合为一体,减少了探伤区域面积及工序。

焊缝探头架上的焊缝探头体变成了5组探头体,能保证在焊缝管端探伤时,实现分组落下,从而减少焊缝盲区,同时增加了焊缝跟踪装置,实现焊缝跟踪,保证了探伤的准确性和可靠性。

在母材探头架上增加了管尾检测装置、母材管端探头和管头检测装置。在母材管端探头后增加了管头检测装置,实现管端探头在管头随动,减少管头探伤盲区;在母材管端探头前增加了管尾检测装置,实现管端探头在管尾随动,减少管尾探伤盲区,实现了管端自动探伤,取替了在自动探伤完成后,用手探仪对螺旋钢管的两端进行管端手工探伤。

整个探伤系统增加了图像跟踪系统,实现对焊缝探头架的控制,保证了焊缝探头一直在焊缝的两侧位置不变,提高了焊缝探伤的准确性,同时在图像跟踪系统中增加了管端焊缝中心检测功能,给PLC电气控制系统发出管端焊缝中心信号,当有管端焊缝中心信号时,管端探头自动抬起,当无管端焊缝中心信号时,管端探头自动落下,实现管端探头的自动抬起和落下,真正实现管端探伤的自动化。

系统以PLC电气控制系统为核心,整个探伤过程都在PLC电气控制系统的控制下统一协调工作。

2 探伤系统工艺流程

整个工艺流程都是在PLC电气控制系统的控制下统一协调工作的,其流程如下:

(1)探伤启动:移动行车,寻找螺旋管焊缝管端。

(2)自动寻找焊缝中心:焊缝管端检测装置检测到待检螺旋管后,停止移动行车,托辊旋转,图像跟踪系统通过焊缝跟踪装置自动寻找焊缝,当检测到焊缝中心后,托辊停止转动。

(3)焊缝管头自动探伤:行车继续前行,焊缝探头体分组自动落下,开始焊缝跟踪,托辊转速与行车移动速度按比例控制。

(4)自动寻找管头位置:母材管端检测装置检测到待检螺旋管管端后,托辊停转,全部焊缝探头体自动抬起,当待检螺旋管管头行至管头检测装置下时,管头检测装置的管头前位检和管头后位检为1时,行车后退,直到管头检测装置的管头前位检为1,管头后位检为0时,行车停止移动。

(5)母材管头自动探伤:行车停止后,管端探头体自动落下,托辊自动旋转两周,图像跟踪系统自动寻找焊缝,发现焊缝在管头摄像头图像的中心位置,管端探头体自动抬起;当发现焊缝不在管头摄像头图像的中心位置,管端探头体再次自动落下。当待检螺旋管旋转两周后,完成母材管头自动探伤,管端探头体自动抬起。

(6)全管体探伤:母材管头自动探伤完成后,图像跟踪系统再次找到焊缝中心,托辊停转,焊缝探头体自动落下,开始焊缝跟踪,行车继续移动,母材探头体分组依次落下,对管体进行焊缝和母材的探伤。

(7)焊缝管尾自动探伤:焊缝管端检测装置检测不到待检螺旋管后,行车继续前行,当图像跟踪系统检测到焊缝不在中心位置后,停止焊缝跟踪,焊缝探头体分组自动抬起。

(8)自动寻找管尾位置:母材管端检测装置检测不到待检螺旋管管端后,托辊停转,母材探头体全部自动抬起。当待检螺旋管管头行至管尾检测装置下时,管头检测装置的管尾前位检和管尾后位检为0时,行车后退,直到管尾检测装置的管头前位检为0,管尾后位检为1时,行车停止移动。

(9)母材管尾自动探伤:行车停止后,管端探头体自动落下,托辊自动旋转两周,图像跟踪系统自动寻找焊缝,发现焊缝在管尾摄像头图像的中心位置,管端探头体自动抬起,当发现焊缝不在管尾摄像头图像的中心位置,管端探头体再次自动落下,当待检螺旋管旋转两周后,完成母材管尾自动探伤,管端探头体自动抬起。

(10)探伤结束:母材管尾自动探伤完成后,图像跟踪系统通过管尾摄像头再次找到焊缝中心,自动进入原来的全管体探伤过程,原来未抬起的母材探头全部落下,继续全管体探伤,行车继续前行,母材探头体分组依次抬起,当母材探头体全部抬起后,钢管停转,行车后移至龙门架原位,行车停止。

3 典型超声波探伤案例

某钢管公司螺旋埋弧焊管离线焊缝及管体母材超声波自动探伤设备采用上述系统,由16通道焊缝探伤+32通道母材探伤构成[1]。检测焊缝内纵向、横向、斜向缺陷、焊缝两侧25 mm范围热影响区内分层缺陷和管体母材分层缺陷。

3.1 超声波探头

母材探头及焊缝探头的整体摆放示意图如图3所示。

图3 探头的整体摆放示意图

焊缝探头有5组,四纵四横两分层并有8个耦合监视,焊缝探头采用13 mm宽度的晶片带耦合监视的探头,焊缝探头摆放示意图如图4所示。

图4 焊缝探头摆放示意图

图4 中Z1～Z4为四个纵向探头(4个通道)以两个偶次声程探上2/3焊缝,两个奇偶次声程探下2/3焊缝,分别探与焊缝平行的缺陷,其中间有1/3重复扫查,以防止漏检,使焊缝100%探伤,K值相同,使探头的匹配和同一性达到更好的探伤效果;H1～H4为两对横向探头(2个探头并联使用占用1个通道)探与焊缝垂直和斜向的缺陷;F1～F2为两个分层探头(2个通道)分别探焊缝两边25 mm热影响区的分层缺陷[2]。

母材分层探伤采用2.5～5 MHz,25 mm宽度的双晶片探头[2]。

3.2 超声波探伤系统

探伤仪采用分布式多通道超声波探伤仪,由主机探伤处理系统、波形显示部分、网络交换器和六个前端超声处理单元组成,结构及连接简单,功能模块化,故障率低,易于维护。

分布式多通道超声波探伤仪是基于网络分布开放式结构,应用FPGA芯片组成嵌入式系统,运用SOPC(可编程片上系统)作实时控制处理,实现高速数据采集和全数字式超声波信号显示和处理,对检测结果更为准确和直观,可以更为精确地对缺陷进行定位和定量。

所述的前端超声处理单元是组成整套检测仪器的基本单元,包括超声发射接收、回波可编程放大、100 MHz A/D采样、FPGA实时处理和FPGA通讯处理五个单元,实现声电能量转换,接收超声波探头返回的回波信号,经过处理后送到FPGA通讯处理单元的100M以太网接口,通过以太网接口送到以太网交换机。

由主机探伤处理系统通过以太网实现通讯数据传输,接收实时的判伤数据,形成探伤检测结果报告等。

3.3 图像跟踪系统

图像跟踪系统是以激光笔产生的激光为主动光源,以摄像头为传感器件,所以在全管体探伤机械装置上加装了焊缝跟踪装置,它包括摄像头和激光笔,摄像头位于焊缝上方,激光笔与摄像头有一个角度,也就是激光笔向焊缝表面倾斜一定的角度打一束光条,通过摄像头摄取图像,通过图像跟踪系统的图像采集卡,可获得反映焊缝形状的光条。图像跟踪系统软件根据图像识别技术原理分析处理,找到焊缝的位置,并与设定的焊缝位置比较,得出偏差量,再将其传给驱动机构,实现跟踪的目的,如图5所示。