管道對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)掃查器機(jī)械設(shè)計(jì)

鄔再新，阮星翔，趙 泓，宋 成

(1.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730050；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013)

管道對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)掃查器機(jī)械設(shè)計(jì)

鄔再新1，阮星翔1，趙 泓2，宋 成2

(1.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730050；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013)

管道對(duì)接焊縫在役使用過(guò)程中容易產(chǎn)生各種缺陷，影響管道使用壽命。手動(dòng)超聲檢測(cè)是目前在役管線(xiàn)對(duì)接焊縫檢測(cè)最常用的方法，為了提高檢測(cè)效率、增強(qiáng)檢測(cè)的自動(dòng)化程度，設(shè)計(jì)一款可自動(dòng)掃查的掃查器，搭載超聲探頭，沿著管道對(duì)接焊縫方向進(jìn)行自動(dòng)掃描。通過(guò)CCD識(shí)別貼在管壁上的白色識(shí)別條進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡的矯正；無(wú)線(xiàn)遙控器控制掃查器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，最終掃查結(jié)果在超聲檢測(cè)儀中實(shí)時(shí)顯示、并記錄。

管道對(duì)接焊縫；超聲檢測(cè)；CCD尋跡；爬行器

0 引言

管道被譽(yù)為是現(xiàn)代工業(yè)和人民生活的大動(dòng)脈，對(duì)保衛(wèi)國(guó)家能源安全，保障經(jīng)濟(jì)建設(shè)和居民生活具有重大影響[1]；按用途主要有長(zhǎng)輸管道、公用管道、工業(yè)管道三大類(lèi)。其中，長(zhǎng)輸管道主要用于石油、天然氣的運(yùn)輸，是能源運(yùn)輸?shù)闹匾ぞ?；公用管道主要用于居民生活息息相關(guān)的燃?xì)狻崃Φ妮斔?；工業(yè)管道主要用于石化、電力、核能等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工藝、動(dòng)力、制冷管道系統(tǒng)[2]。一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成重大污染，甚至引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故。管道對(duì)接焊縫是在役管道最脆弱的地方，對(duì)在役管道對(duì)接焊縫進(jìn)行定期無(wú)損檢測(cè)能夠有效預(yù)防缺陷產(chǎn)生，對(duì)保證管道安全運(yùn)行具有重要意義。

目前，我國(guó)對(duì)于在役管道焊縫檢測(cè)以手動(dòng)超聲檢測(cè)為主。超聲檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)輻射、穿透能力大、對(duì)平面型缺陷的檢測(cè)靈敏度高、并對(duì)缺陷的深度和相對(duì)大小有準(zhǔn)確的評(píng)定[3]。但是，由于手動(dòng)超聲檢測(cè)工作量大且在役管線(xiàn)縱橫交錯(cuò)、管線(xiàn)檢測(cè)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣，所以開(kāi)發(fā)體積小、穩(wěn)定性好、安裝便捷的自動(dòng)化掃查裝置具有非常重要的價(jià)值[4]。本文旨在設(shè)計(jì)一款適用于在役管線(xiàn)、外直徑大于等于273mm的管道環(huán)焊縫的磁輪小車(chē)式自動(dòng)化掃查裝置，可搭載TOFD或者相控陣超聲探頭進(jìn)行檢測(cè)。

1 自動(dòng)掃查器的爬行方式的選擇

目前，管道對(duì)接縫檢測(cè)自動(dòng)掃查裝置結(jié)構(gòu)大體可分為三類(lèi)：導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)、大型框架式結(jié)構(gòu)和磁吸附式結(jié)構(gòu)。以前的國(guó)內(nèi)外研究中，美國(guó)GE公司的Weldstar[5]、以色列SonotronNDT公司的Isonic便攜式TOFD自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[6]、德國(guó)Phoenix公司的超聲檢測(cè)系統(tǒng)[7]、美國(guó)CDINT公司的PLS-B[8]、西安科技大學(xué)開(kāi)發(fā)的管道環(huán)焊縫超聲檢測(cè)機(jī)器人[9]、北京航空制造工程研究所的MUI-21A[10]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的管道環(huán)焊縫超聲掃查器工程樣機(jī)[11]都采用的是導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)；加拿大Olympus公司的Pipe Wizard[12]采用大型框架式結(jié)構(gòu)；上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所的基于超聲串列法掃查的新型爬壁機(jī)器人[13]采用的是磁吸附式結(jié)構(gòu)。

圖1、圖2為具有代表性的導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)。

圖1 Phoenix(德國(guó))

圖2 PLS-B(美國(guó)CDINT)

由圖1、圖2不難看出，導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)利用導(dǎo)軌固定行走軌跡，行走平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)，在以往的設(shè)計(jì)中使用較多；但制造工藝相對(duì)復(fù)雜且需要對(duì)輪軌接觸處根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行詳細(xì)的接觸分析和設(shè)計(jì)[14]；大型框架式結(jié)構(gòu)增加了檢測(cè)系統(tǒng)的體積，增大了作業(yè)空間，在工業(yè)設(shè)計(jì)中使用較少；磁吸附式控制相對(duì)復(fù)雜，但運(yùn)動(dòng)靈活，可滿(mǎn)足復(fù)雜在役現(xiàn)場(chǎng)的靈活運(yùn)用。

磁吸附式結(jié)構(gòu)中的履帶磁力吸附結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、制造成本高；同時(shí)，在行走過(guò)程中會(huì)在磁性履帶的縫隙中沾滿(mǎn)灰塵、金屬粉屑等雜物，清理較為麻煩。本設(shè)計(jì)采用的是磁輪小車(chē)磁吸附式結(jié)構(gòu)，輪式移動(dòng)比履帶式更平穩(wěn)，能更好的實(shí)現(xiàn)勻速運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，輪式機(jī)構(gòu)可以通過(guò)增大永磁體尺寸來(lái)增大吸附力[15]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的磁輪小車(chē)掃查裝置與以上這些裝置的區(qū)別在于：①增加了CCD尋跡功能，使系統(tǒng)行走過(guò)程中具有自校正糾偏功能，不至于掃查器走偏。②采用無(wú)線(xiàn)控制，便于操作。③在探頭夾持部分特地設(shè)計(jì)了掃查架和彈簧式探頭夾持臂，方便了探頭之間距離的調(diào)節(jié)、增強(qiáng)了探頭與管壁的耦合效果。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)掃查系統(tǒng)組成

自動(dòng)掃查系統(tǒng)由管道爬行器、掃查架、超聲檢測(cè)儀組成，通過(guò)爬行器驅(qū)動(dòng)沿焊縫方向周向行走，搭載超聲探頭(可使用TOFD或者相控陣)，同時(shí)在檢測(cè)儀器中實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果，記錄結(jié)果。自動(dòng)掃查系統(tǒng)組成圖如圖3所示。

平行于焊縫的白色識(shí)別條和CCD共同組成了系統(tǒng)的尋跡部分，CCD對(duì)準(zhǔn)識(shí)別條，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中自動(dòng)矯正；通過(guò)無(wú)線(xiàn)控制器發(fā)送指令到控制模塊，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、加減速，從而驅(qū)動(dòng)爬行器運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成系統(tǒng)的控制和運(yùn)動(dòng)部分；掃查架的夾持臂夾持探頭掃查，并在儀器界面實(shí)時(shí)顯示構(gòu)成系統(tǒng)的檢測(cè)部分。

圖3 自動(dòng)掃查系統(tǒng)組成

2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用磁吸附式結(jié)構(gòu)，通過(guò)磁輪與管道吸附接觸，運(yùn)動(dòng)相對(duì)靈活，掃查器機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示、對(duì)應(yīng)的工程尺寸圖如圖5所示。CCD探頭用于識(shí)別貼在管道上的白色識(shí)別條，從而保證爬行器的尋跡[16]；探頭夾持臂用于夾持探頭；彈簧用于保證探頭與管道表面之間良好的耦合，其中，彈簧和探頭夾持臂整體可沿軸承方向移動(dòng)，用于調(diào)整探頭與焊縫之間的距離。爬行器主蓋板上的四個(gè)孔，右下為電源鍵，左下為電源接口，右上為天線(xiàn)，左上為CCD接線(xiàn)孔。

整體掃查器為最大長(zhǎng)度38cm、最大寬度33.6cm的裝置，相對(duì)于其他導(dǎo)軌式和大型框架式結(jié)構(gòu)，本結(jié)構(gòu)具有體積小、運(yùn)動(dòng)靈活的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)掃查器整體尺寸，比較適合管徑273mm(國(guó)標(biāo)管道外徑有159mm、219mm、273mm、325mm等等)以上的管道檢測(cè)。

1.CCD探頭 2.主動(dòng)輪(磁輪) 3.從動(dòng)輪(磁輪) 4.鉸鏈 5.掃查架磁輪 6.探頭夾持臂 7.彈簧圖4 掃查器機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖5 掃查器工程尺寸圖

3 掃查器各部分設(shè)計(jì)

掃查器主要由主殼體、磁輪、鉸鏈、夾持臂以及導(dǎo)軌幾部分組成，主要部分的設(shè)計(jì)如下所示。

3.1 主殼體設(shè)計(jì)

主殼體是爬行器的框架，爬行器的硬件電路板和電機(jī)、電源接線(xiàn)等均放置在主殼體內(nèi)部，主殼體如圖6所示。

圖6 主殼體

3.2 磁輪部分設(shè)計(jì)

掃查器共有10個(gè)磁輪，爬行器小車(chē)四個(gè)磁輪，掃查架6個(gè)磁輪，磁輪均由兩側(cè)等厚的鐵片和中間的強(qiáng)力磁環(huán)組合而成。強(qiáng)力磁環(huán)片使用的是N43型號(hào)的釹鐵硼強(qiáng)磁材料，能夠滿(mǎn)足吸附和行走功能。通過(guò)強(qiáng)力磁環(huán)和設(shè)計(jì)的鐵片組合成所需的磁輪。

磁輪的鐵片為自主設(shè)計(jì)加工的，爬行器磁輪鐵片設(shè)計(jì)工程圖如圖7所示，掃查架磁輪鐵片工程圖如圖8所示。

圖7 爬行器磁輪鐵片工程圖 圖8 掃查架磁輪鐵片工程圖

磁輪各部分設(shè)計(jì)完成后，需要通過(guò)環(huán)形軸將輪片固定起來(lái)，進(jìn)而與直線(xiàn)軸相連，環(huán)形軸的設(shè)計(jì)工程圖如圖9所示。

圖9 環(huán)形軸工程圖

3.3 鉸鏈設(shè)計(jì)

鉸鏈用于連接爬行器和掃查架，爬行器和掃查架的鉸鏈對(duì)接，通過(guò)鉸鏈鞘固定，在行走過(guò)程中，可以少量的自動(dòng)角度調(diào)節(jié)以適應(yīng)在管道上爬行運(yùn)動(dòng)，鉸鏈如圖10所示。

圖10 鉸鏈

3.4 夾持臂設(shè)計(jì)

夾持臂用于夾持超聲探頭，保證與管壁良好接觸，夾持臂如圖11所示。

1.彈簧 2.夾持臂安裝塊 3.夾持臂殼體 4.導(dǎo)軌連接塊 5.楔塊圖11 夾持臂

圖11夾持臂中，楔塊用于安裝固定超聲探頭；導(dǎo)軌連接塊用于夾持楔塊并保證楔塊與夾持臂殼體的剛性連接，從而固定探頭；夾持臂安裝塊將夾持臂殼體安裝在掃查架的直線(xiàn)導(dǎo)軌上；彈簧用于軟性調(diào)節(jié)探頭與管壁的壓力，保證良好的耦合性。

4 實(shí)驗(yàn)性能驗(yàn)證

將設(shè)計(jì)的 掃查器樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭載TOFD探頭進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)其行走性能進(jìn)行驗(yàn)證。

圖12 掃查器實(shí)驗(yàn)圖

圖13 掃查信號(hào)圖

掃查器實(shí)驗(yàn)如圖12所示，并由圖13可得到穩(wěn)定輸出的信號(hào)，表明探頭耦合良好、掃查器運(yùn)行平穩(wěn)，能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)爬行器和掃查架各部分的設(shè)計(jì)，并將各部分組合在一起構(gòu)成了所需的自動(dòng)掃查器。自動(dòng)掃查器與超聲檢測(cè)(相控陣、TOFD)相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)在役管線(xiàn)對(duì)接焊縫自動(dòng)化無(wú)損檢測(cè)的目的。以搭載TOFD探頭為例進(jìn)行掃查器管道行走實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合設(shè)計(jì)的總體方案可得本設(shè)計(jì)具有主要以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)體積小，輕巧靈活。

(2)彈簧自動(dòng)調(diào)節(jié)探頭與管壁接觸，便于耦合。

(3)采用CCD尋跡實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制，更具自動(dòng)化、智能化，具有較高的行走精度。

(4)由于不易受到人為因素的影響，在檢測(cè)中可重復(fù)性好。

(5)能夠降低作業(yè)強(qiáng)度、節(jié)省檢測(cè)時(shí)間，從而提高檢測(cè)效率。

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(編輯李秀敏)

MechanicalDesignforUltrasonicInspectionofButtWeldofPipeline

WU Zai-xin1, RUAN Xing-xiang1, ZHAO Hong2, SONG Cheng2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050,China;2.China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100013,China)

Pipeline butt weld is easy to produce a variety of defects in the using process, which affect the life of the pipeline. Manual ultrasonic testing is the most commonly used method for the detection of butt welds of pipeline in service. In order to improve the detection efficiency and enhance the level of automation, designing an automatic scanning device, equipping with ultrasonic probe, along the circumferential direction of the pipe to carry out automatic scanning. The CCD distinguish the white identification strip on the tube wall for motion trajectory correction; wireless remote controller control the movement of the scanner, the final results display in the ultrasonic detector real-time, and record.

pipe butt weld; ultrasonic testing; CCD tracing; crawler

TH165;TG506

：A

1001-2265(2017)09-0125-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.0032

2016-11-20；

：2016-12-18

鄔再新(1971—)，男，浙江寧波人，蘭州理工大學(xué)副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電控制、計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)及系統(tǒng)的研究，(E-mail)774021729@qq.com。