一種鋼板缺陷100%超聲波在線檢測裝置

李鋼，韓保材

（北鋼管業(yè)（營口）有限公司，遼寧營口115007）

一種鋼板缺陷100%超聲波在線檢測裝置

李鋼，韓保材

（北鋼管業(yè)（營口）有限公司，遼寧營口115007）

介紹了一種210通道鋼板缺陷100%超聲波在線檢測裝置；詳細介紹了超聲波檢測裝置的平面布置、機械結(jié)構(gòu)、電控設(shè)備的系統(tǒng)配置、傳動系統(tǒng)配置、電氣設(shè)備布置、設(shè)備工藝原理、技術(shù)指標和功能等。該鋼板缺陷100%超聲波檢測裝置，其頭部探傷和尾部探傷均采用鋼板固定、探頭移動的方式；邊部探傷可沿板寬方向進行調(diào)整以適應(yīng)不同的鋼板寬度，在探傷過程中隨著板形對鋼板邊部進行跟蹤浮動探傷；實現(xiàn)了壁厚的全覆蓋探傷，達到了鋼板缺陷100%超聲波檢驗及工況要求。

直縫焊管；大直徑；鋼板；超聲波探傷；在線檢測；全覆蓋

近年來，油氣輸送管線建設(shè)得到了空前發(fā)展，世界油氣輸送干線已達260萬km［1］。借助國家大力開發(fā)西部油氣輸送管線建設(shè)中的陜京天然氣管線，中哈及西氣東輸一線、二線、三線等管線工程以及中俄西伯利亞天然氣管道工程，我國大力發(fā)展了大直徑直縫焊管的生產(chǎn)，使我國的焊管工業(yè)裝備與技術(shù)得到了促進與提高。大直徑直縫焊管高壓輸送是石油天然氣長輸、高壓、大流量管道的發(fā)展趨勢［2］。國外單管輸氣干線的輸氣能力已達到460～500億m3/a，在西氣東輸二線管道工程中的直縫埋弧焊管，采用12 MPa的輸送壓力，鋼管的鋼級為X80，管徑為1 219 mm，壁厚≥18 mm［3］。大直徑直縫焊管的原料為熱軋鋼板，板厚6～40 mm，板寬655～4 500 mm，板長8.0～12.2 m。未來直縫焊管質(zhì)量與性能要求將不斷提高，對焊管的原料（鋼板）質(zhì)量也提出了相應(yīng)的要求［4］。鋼板中常見的缺陷有分層、夾渣、裂紋和白點等，其中分層和夾渣是鋼板缺陷中最為常見的，而超聲波探傷是檢測鋼板缺陷的一種行之有效的方法［5］。

1 超聲波探傷原理及特點

1.1 超聲波探傷原理

超聲波探傷是利用超聲能透入金屬材料的深處，并從一截面進入另一截面時，在界面邊緣發(fā)生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法［6］；當(dāng)超聲波束自零件表面從探頭通至金屬內(nèi)部，遇到缺陷與零件底面就分別發(fā)生反射波，在顯示屏上形成脈沖波形，根據(jù)顯示的脈沖波形來判斷缺陷的位置和大小。

1.2 超聲波檢測的特點

（1）在不同質(zhì)界面上具有反射的特性。

（2）指向性越好，頻率越高。

（3）傳播能量大。

（4）檢測裝置穿透能力強，探測深度最大可達數(shù)米。

（5）靈敏度高。

（6）設(shè)施安裝結(jié)構(gòu)簡單化，僅需從一面接近被檢驗物體。

（7）可以實現(xiàn)在線檢測，檢測效率高，可立即提供缺陷檢驗結(jié)果。

（8）裝置運行及操作安全，不會對人體及周圍環(huán)境造成危害。

目前，對于高壓油氣輸送埋弧焊管用鋼板超聲波探傷標準的確定，在管線設(shè)計過程中常常根據(jù)管線的使用環(huán)境、承壓等因素來選擇不同的基礎(chǔ)標準。國內(nèi)現(xiàn)在使用較多的油氣管線制造基礎(chǔ)標準，包括APISpec 5L—2012《管線鋼管規(guī)范》（45版）、GB/T 9711—20l1《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》等，同時針對某些特殊項目也采用DNVOS-F101∶2007《海底管線系統(tǒng)》、DEP 31.40.20.37-Gen.等標準［7-10］。鋼板超聲波檢測裝置的性能直接影響到直縫埋弧焊管生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量的控制。

1.3 探頭覆蓋分析

北鋼管業(yè)（營口）有限公司JCOE直縫埋弧焊管生產(chǎn)線原料（鋼板）規(guī)格為：長9.0～18.4m，寬1.2～5.1 m，壁厚6.3～64.0 mm。為了確保鋼板缺陷100%超聲波全覆蓋檢驗，采用了以下方式。

探傷選用的晶片尺寸為8mm×30 mm；探傷方式采用中部梳狀探傷+2個浮動邊部探傷+1組頭尾部探傷；1個探頭盒里裝有4個上下交錯的晶片，晶片重合按有效聲束重合15%來考慮，確保做到100%全覆蓋探傷；最終1個晶片的有效工作長度為19.125 mm（30mm×75%×85%，其中30mm為晶片的長度，30 mm×75%為有效聲束的長度，30 mm× 75%×85%為有效聲束重合15%的最終有效工作長度，其長度值為19.125 mm）。對于檢測6～65 mm板厚的分層探傷，采用兩種不同焦距探頭，從而實現(xiàn)壁厚的全覆蓋：第一種5P10×25FG10Z探頭，用于探測6～40 mm板厚；第二種5P10×25FG20Z探頭，用于探測35～65 mm板厚。頭部探傷和尾部探傷均采用鋼板固定、探頭移動的方式；邊部探傷可沿板寬方向進行調(diào)整以適應(yīng)不同的板寬，在探傷過程中隨著板形對鋼板邊部進行跟蹤浮動探傷。鋼板探傷探頭布置如圖1所示。

圖1 鋼板探傷探頭布局示意

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)和功能

鋼板超聲波探傷機工藝平面布置如圖2所示。

圖2 鋼板超聲波探傷機工藝平面布置示意

2.1 機械結(jié)構(gòu)

鋼板超聲波探傷機機械結(jié)構(gòu)實物和三維模擬分別如圖3~4所示。

（1）跟線拖鏈：包括設(shè)備所需的各種電纜及控制線路采用鏈軌式帶有防護板的工程塑料拖鏈，極大地保護各種電纜，并且能屏蔽各種有害干擾。

（2）預(yù)濕裝置：對鋼板表面預(yù)濕，對探傷耦合起保障作用。

圖3 鋼板超聲波探傷機機械結(jié)構(gòu)實物

圖4 鋼板超聲波探傷機機械結(jié)構(gòu)三維模擬

圖5 頭尾探傷機構(gòu)

圖6 邊部探傷機構(gòu)

圖7 中部探傷機構(gòu)

（3）壓緊輥：在探頭架前后有兩組壓緊輥，提高了鋼板的穩(wěn)定性，使鋼板與探頭更好地耦合，防止鋼板因跳動影響探傷效果［11］。

（4）頭尾探傷部分：安裝1套探頭架。當(dāng)鋼板放到輥道上并對中后，由自動檢測系統(tǒng)控制電機驅(qū)動探頭架直線行進對頭、尾探傷，靠輪跟蹤采用氣缸隨動［12］。頭尾探傷機構(gòu)如圖5所示。

（5）邊部探傷部分：每邊各安裝1套探頭架。當(dāng)鋼板放到輥道上并對中后［13］，由自動檢測系統(tǒng)控制電機驅(qū)動兩邊探頭架行進到探傷要求的合適位置，板邊跟蹤采用氣缸隨動。邊部探傷機構(gòu)如圖6所示。

（6）中部探傷部分：中部共49組探頭分單列在兩個門架上一字排布，梳狀掃查從而達到標準探傷要求。根據(jù)鋼板不同厚度，滑板可以在減速電機驅(qū)動下進行升降，保持探頭架與鋼板之間有130～150mm的合理距離。中部探傷機構(gòu)如圖7所示。

探頭夾持器與探頭采用萬向節(jié)連接，就探頭與鋼板而言，探頭具有3個空間自由度和3個旋轉(zhuǎn)自由度。探頭夾持器采用兩連桿結(jié)構(gòu)，探傷過程中有足夠的自由度來滿足鋼板凸起、不平、偏擺等各種狀態(tài)，完全保證探傷的需要。探頭起落架上的每個氣缸都單獨控制。根據(jù)鋼板寬度由PLC控制落下探頭的數(shù)量。

（7）龍門架：采用Q235鋼板焊接，整體經(jīng)退火處理后加工而成，剛度大，穩(wěn)定性好。

（8）刮水風(fēng)干裝置。刮水后，鋼板表面還有一定水分，用風(fēng)刀對鋼板表面再次進行吹干［14］。

2.2 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）系統(tǒng)配置。系統(tǒng)控制通過S7-300系列PLC來完成，Profibus總線分布式I/O傳輸，71.12 cm大屏幕組態(tài)人機界面。設(shè)備安裝于控制柜內(nèi)，操作開關(guān)及報警燈安裝于操作臺面板。探傷系統(tǒng)操作簡便，有一鍵自動探傷功能。進出板區(qū)、探傷區(qū)等有互鎖設(shè)計接口，方便連鎖控制，避免鋼板間碰撞，也避免探架與鋼板的碰撞。操作臺上帶監(jiān)控功能，可對探傷過程進行全程監(jiān)控。PLC選用西門子S7-300系列CPU模塊，分布式I/O選用西門子ET-200系列。PLC編程軟件采用西門子STEP7 V5.4軟件［15］。PLC系統(tǒng)帶CP 343以太網(wǎng)通信模塊，方便聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集?？刂葡到y(tǒng)配置如圖8所示。

（2）傳動系統(tǒng)配置。鋼板頭尾探傷裝置行走采用伺服電機驅(qū)動，探傷控制定位精確；鋼板邊部探傷裝置移動采用伺服電機驅(qū)動，板邊隨動方便并且無電氣干擾。

（3）電氣設(shè)備布置。

電氣控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 控制系統(tǒng)配置

圖9 電氣控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3 設(shè)備工藝原理、技術(shù)指標和特點

3.1 探傷工藝流程

鋼板由輥道輸送到探傷區(qū)域前→PLC控制驅(qū)動鋼板到探傷區(qū)→鋼板對中完成→啟動鋼板前進→鋼板端部傳感器檢測到鋼板板頭→鋼板預(yù)濕，鋼板板頭到達預(yù)定位置，前部壓輥落下→鋼板前進至頭尾部探傷區(qū)域停止，鋼板頭部150 mm 100%探傷→鋼板板頭到達預(yù)定位置，后部壓輥落下→鋼板前進至邊部探傷區(qū)域，鋼板邊部102 mm 100%（或50 mm 100%）探傷→鋼板前進至中部探傷區(qū)域，中部探頭落下進行梳狀100%（或50%）探傷→鋼板板頭到達預(yù)定位置，風(fēng)干架落下、風(fēng)機啟動→鋼板端部傳感器檢測到鋼板板尾→預(yù)濕停止，鋼板板尾到達預(yù)定位置，前部壓輥升起→鋼板前進至頭尾部探傷區(qū)域停止，鋼板尾部150 mm 100%探傷→鋼板板尾到達預(yù)定位置，后部壓輥升起→邊部探傷停止，返回原始位置→鋼板板尾到達預(yù)定位置，中部探傷探頭升起→鋼板板尾到達預(yù)定位置，風(fēng)干架升起、風(fēng)機停止→出料→探傷過程結(jié)束→等待下一循環(huán)。

3.2 工藝要求

（1）探傷方式：探頭架固定，鋼板縱向輸送，探頭梳狀掃查方式對鋼板表面進行100%（或50%）探傷。

（2）耦合介質(zhì)：水耦合。

（3）檢測完成后，經(jīng)輥道運送到相鄰的銑邊崗位。

（4）檢驗?zāi)芰Α?6張/h。

（5）換不同規(guī)格鋼板時系統(tǒng)調(diào)整時間約為50 min。

（6）縱波探頭采用8 mm×30 mm雙晶分割探頭，有效掃查長度為25.5mm（即30mm×85%）。

通道配置見表1。

表1 通道配置

3.3 工藝設(shè)置

（1）探傷缺陷類型：分層、夾渣等體積性缺陷。

（2）探頭布置及掃查范圍。共210通道，對鋼板進行100%探傷（圖1）；頭尾部2組，每組3通道，共6個通道，頭尾部150 mm 100%探傷，頭尾部探頭布局如圖10所示；邊部2組，每組4個通道，共8個通道，兩邊各200 mm 100%探傷，邊部探頭布局如圖11所示。

圖10 頭尾部探頭布局示意

6～40 mm鋼板采用8 mm×30 mm雙晶分割探頭［16］，焦距為10～15 mm；30～65 mm鋼板采用8 mm×30 mm雙晶分割探頭，焦距為15～25mm。鋼板雙晶分割探頭工作原理如圖12所示。

圖11 邊部探頭布局示意

圖12 鋼板雙晶分割探頭工作原理示意

3.4 技術(shù)參數(shù)

超聲波頻率0.5～15.0MHz

發(fā)射脈沖頻率500～4 000 Hz

水平線性≤1%

垂直線性≤3%

分辨率≥30 dB

電噪聲電平∧8%

信噪比≥26 dB

動態(tài)范圍≥26 dB

總衰減量110 dB，最小衰減步長1 dB

探傷靈敏度余量≥52 dB（試樣高度200mm，Φ2 mm、深度25 mm的平底孔）

衰減精度任意相鄰12 dB的誤差≤1 dB

探傷速度3～15m/min

缺陷定位誤差-50~+50mm（縱向）

系統(tǒng)誤報率≤2%（在試板上）

系統(tǒng)漏報率0（在試板上）

檢測能力≥16張/h

系統(tǒng)的穩(wěn)定性4 h飄移≤2 dB

盲區(qū)邊部≤5 mm，端部≤50 mm，表面≤1.5mm

3.5 技術(shù)性能與特點

（1）鋼板板體探頭分布在兩個門架上［17］；探頭間距連續(xù)可調(diào)，滿足探傷工藝要求；機械系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，探頭架與夾持器沒有明顯的間隙；設(shè)備所有外表面平整、平滑過渡。

（2）超聲波探傷系統(tǒng)耦合良好，具有耦合監(jiān)視和區(qū)別于缺陷波報警的聲光報警功能；采用軟件和底波閘門監(jiān)視底波耦合狀態(tài)，系統(tǒng)有自動區(qū)分識別探頭架升起無底波和探頭架落下探傷過程中耦合不良兩種狀態(tài)，即失波報警功能。

（3）探傷設(shè)備采用專用樣板進行設(shè)備的調(diào)試和校驗，提高了設(shè)備校驗的效率。

（4）探傷系統(tǒng)抗干擾能力強，不受車間內(nèi)變頻諧波干擾。

（5）系統(tǒng)提供各種規(guī)格鋼板超聲波探傷的探頭調(diào)整參數(shù)值；并可調(diào)用、修正、儲存當(dāng)前規(guī)格探傷參數(shù)文件。保存各個通道儀器參數(shù)和探傷條件。

（6）探傷監(jiān)視功能。顯示各個通道的A型波形（可采用窗口切換顯示），顯示整個鋼板的展開圖，顯示各通道的探傷條件和探傷進度。

（7）探傷數(shù)據(jù)記錄。探傷結(jié)果可顯示；檢測結(jié)果明確記錄報傷通道，可將缺陷的位置和長度以數(shù)據(jù)、展開圖等方式直觀顯示，記錄每個缺陷在鋼板上的位置。自動記錄超標缺陷的A型波形。

（8）自動保存和管理數(shù)據(jù)?？梢园窗逄?、班次等信息進行查詢、打印報表，打印內(nèi)容主要包括：檢驗日期、時間、鋼板規(guī)格、鋼級、爐批號、班別、檢驗標準、板號、檢驗員代號、報警通道、探傷結(jié)果等信息。探傷結(jié)果可以自動儲存，隨時打印、刻錄，可以進行轉(zhuǎn)存。

（9）探傷結(jié)果評價?？梢曰胤湃我鈫蝹€缺陷A型波形；自動生成探傷報告，以展開圖顯示，并打印。

（10）可根據(jù)用戶的要求，修改報表格式，以中英文對照方式適合國內(nèi)外監(jiān)造使用。不同規(guī)格鋼板的校驗參數(shù)、標準型號均可以存儲并選擇使用。

4 結(jié)論

該套鋼板超聲波自動探傷設(shè)備是基于工業(yè)級PC機的多通道全數(shù)字式超聲波探傷設(shè)備，采用Windows 7操作系統(tǒng)，并保留計算機的各種周邊設(shè)備接口。超聲波信號通過A/D轉(zhuǎn)換后，利用PC機進行完全數(shù)字信號處理。儀器軟件為Windows應(yīng)用軟件，液晶監(jiān)視器顯示探傷界面。

該設(shè)備自動化程度高，探傷全過程無需人工干預(yù)，由計算機自動控制實現(xiàn)，具有手動、自動切換功能。

總體設(shè)計時，在軟件、硬件配置、容積、接口及操作系統(tǒng)軟件編程上，充分考慮日后系統(tǒng)升級換代等，留有接口和余量。

該套裝置應(yīng)用在JCOE生產(chǎn)線中作為鋼板自動探傷裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對直縫埋弧焊管來料鋼板的在線100%自動探傷功能，且運行穩(wěn)定可靠、效率高，完全能夠滿足生產(chǎn)線的工藝要求。

［1］李鶴林.開發(fā)高性能鋼管促進石油工業(yè)發(fā)展［N］.中國冶金報，2011-01-11（C4）.

［2］李延豐，孫奇.JCOE直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線的研發(fā)和應(yīng)用［J］.焊管，2004，27（6）：48-53.

［3］彭在美.對我國焊管石油專用管結(jié)構(gòu)調(diào)整的探討［N］.中國冶金報，2012-12-11（C4）.

［4］王樹人，葉蘇錦，王昱，等.X80鋼級板卷強度的分析與研究［J］.鋼管，2008，37（6）：22-26.

［5］朱吉祥，王小五，郭京華.大直縫焊管鋼板超聲波探傷的幾種掃查方式淺析［J］.無損探傷，2005，29（4）：12-14.

［6］沈牮亞.超聲波探傷原理及其應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1982.

［7］API標準翻譯出版委員會．APISpec 5L—2012管線鋼管規(guī)范［S］．45版．北京：石油工業(yè)標準化研究所，2012．

［8］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會．GB/T 9711—2011石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管［S］．北京：中國標準出版社，2011．

［9］Det Norske Veritas.DNV-OS-F101∶2007 Submarine pipeline systems［S］．2007．

［10］Shell Group of Companies.DEP 31.40.20.37-Gen.Line pipe for criticalservice（amendments/supplements to ISO 3183：2007）［S］．2007．

［11］成大先.機械設(shè)計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［12］毛好喜.液壓與氣動技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，2009.

［13］楊可楨，程光蘊，李仲生，等.機械設(shè)計基礎(chǔ)［M］.6版.北京：高等教育出版社，2014.

［14］趙桂明，葉青，陳維義.探傷后鋼板表面除水新工藝［J］.現(xiàn)代冶金，2011，39（3）：44-45.

［15］程周.可編程控制器技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

［16］呂育棟，汪超，曹華勇，等.殼牌新標準中超聲波自動探傷探頭的選取及布置［J］.鋼管，2013，42（5）：77-82.

［17］鄭輝，林樹青．超聲檢測［M］.2版.北京：中國勞動社會保障出版社，2008．

On-line 100%Coverage Ultrasonic Detec tion System for Steel Plate Defec t

LIGang1，HAN Baocai2
（Beisteel Pipe（Yingkou）Co.，Ltd.，Yingkou 115007，China）

Elaborated in the paper isan on-line 210 channel，100%coverage ultrasonic detection system for steel plate defects，involving such aspects as the layout，themechanical structure，system configuration of the electric control equipment，configuration of the drive system，arrangement of the electric facilities，process principle of the equipment，the technical data and functions，etc.With this detection system，for detection of both head and tail of the steel plate，the operation mode is getting the material fixed，and the probe moved.For p late edge detection，adjustment is made along the width direction of the plate according to the width of specific plate.During the operation，the system can perform tracking-floating detection of the plate edge along with the profile of the plate. Thus，full thickness coverage detection is realized with the system，havingmet the requirements for steel plate 100% UT inspection and the working conditions.

SAWL pipe；large-sized；steel plate；ultrasonic detection；on-line detection；full coverage detection

TG115.285

B

1001-2311（2016）06-0077-06

2016-05-10；修定日期：2016-08-24）

李鋼（1969-），男，碩士，工程師，主要從事JCOE機組制管和設(shè)備維護工作。