熱軋鋼管表面三維缺陷檢測(cè)方法探討

劉小楠，劉 珂，聶建華，竇曼莉，聶 斌

（1. 合肥公共安全技術(shù)研究院，安徽 合肥 230088；2. 達(dá)力普石油專用管有限公司，河北 滄州 061113）

熱軋鋼管常用的質(zhì)量檢測(cè)方式（超聲波檢測(cè)、漏磁檢測(cè)和渦流檢測(cè)等）主要是針對(duì)裂縫和折疊進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于三維凹坑則存在一定漏檢情況。超聲波檢測(cè)與漏磁檢測(cè)都是接觸式檢測(cè)，探頭與鋼管表面直接接觸，對(duì)鋼管的直度要求較高，接觸不良易造成誤判或漏判；此外，超聲波檢測(cè)設(shè)備與漏磁檢測(cè)設(shè)備受限于探頭尺寸，對(duì)于小凹坑存在漏檢的可能。渦流檢測(cè)對(duì)凹坑敏感度較高，但目前對(duì)于Φ180 mm 以上的大直徑鋼管也沒有相應(yīng)的辦法。因此，實(shí)際生產(chǎn)中，廠家往往采用多種檢測(cè)技術(shù)并結(jié)合人工視覺檢測(cè)來做判斷［1-13］。由于人工表面檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且檢測(cè)過程可靠性受人為因素影響較大，也容易出現(xiàn)漏報(bào)。為了取代人工表面檢測(cè)，多家檢測(cè)設(shè)備企業(yè)都嘗試推出自動(dòng)視覺檢測(cè)設(shè)備。

2018 年合肥公共安全技術(shù)研究院為達(dá)力普石油專用管有限公司開發(fā)了一套4 路管身三維缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，該設(shè)備主要用于熱軋鋼管的冷態(tài)表面三維缺陷檢測(cè)，主要目標(biāo)是盡量減少設(shè)備漏報(bào)和人工漏報(bào)。目前系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，能很好地檢測(cè)出Φ114~245 mm 熱軋鋼管的表面三維點(diǎn)坑缺陷；2019 年，該設(shè)備又被用于連軋芯棒的表面三維缺陷檢測(cè)。此外，合肥公共安全技術(shù)研究院也為某客戶提供了一套更高精度的8 路管身三維缺陷檢測(cè)系統(tǒng)?，F(xiàn)對(duì)此類管身三維缺陷檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

1 熱軋鋼管常用檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)

當(dāng)熱軋鋼管經(jīng)過冷床后，表面氧化鐵皮依然會(huì)有少量殘余，從而給表面檢測(cè)帶來很多干擾。因此，目前大部分情況下，在經(jīng)過超聲波、漏磁或渦流等設(shè)備檢測(cè)后，還需要人工檢測(cè)表面。人工檢測(cè)主要是為了排除機(jī)器漏報(bào)，以凹坑為主，加上少量外折。常用鋼管表面檢測(cè)手段的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 常用鋼管表面檢測(cè)手段的優(yōu)缺點(diǎn)

從表1 可以看出，對(duì)于外表面缺陷的檢測(cè)主要分為凹坑、外折與裂紋檢測(cè)三大類，常用的漏磁、超聲波和渦流主要針對(duì)外折與裂紋和大凹坑的檢測(cè)，對(duì)于小凹坑的檢測(cè)容易出現(xiàn)漏報(bào)。但API 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼管質(zhì)量要求越來越高。由API Spec 5CT—2011《套管和油管規(guī)范》可知，對(duì)于C90 以上鋼級(jí)鋼管的外表面缺陷允許深度小于壁厚5%；對(duì)于常見的Φ139.7 mm×7.72 mm 規(guī)格油套管，其凹坑缺陷深度不能超過0.38 mm；如果規(guī)格更小，則要求缺陷深度在0.2~0.3 mm。但實(shí)際上鋼管氧化鐵皮的厚度很多時(shí)候?yàn)?.1~0.2 mm，這對(duì)于鋼管3D 視覺表面檢測(cè)提出更高的精度要求。

2 管身三維缺陷檢測(cè)設(shè)備基本原理

4 路管身三維缺陷檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物如圖1 所示。

由圖1 可以看到，4 路管身三維缺陷檢測(cè)系統(tǒng)主要由裝置本體、前后壓輥、電控柜、噴標(biāo)系統(tǒng)、工控機(jī)等組成。其中，裝置本體包括4 路三維傳感器，對(duì)稱排布，通過三維傳感器獲取鋼管三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取其中三維缺陷。在實(shí)際使用過程中，通過對(duì)鋼管表面缺陷的深度、面積等閾值的精確調(diào)整，能很好地檢測(cè)到點(diǎn)坑缺陷。4 路三維傳感器測(cè)量鋼管表面輪廓原理如圖2 所示。

圖1 4 路管身三維缺陷檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物示意

圖2 4 路三維傳感器測(cè)量鋼管表面輪廓原理示意

3 管身三維缺陷檢測(cè)設(shè)備算法流程

三維傳感器得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程如圖3 所示。

（1） 根據(jù)配方管半徑R 生成初始二維圖像。由公式（1）計(jì)算圖像寬度W。圖像高度由相機(jī)輸出的管身輪廓線行數(shù)決定。圖像顏色初始化為黑色。

式中 XRES—— 相機(jī)在X 軸方向的分辨率。

圖3 三維傳感器得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程

（2） 根據(jù)輸入點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用最小二乘法擬合每一行管身輪廓橢圓，得到橢圓的圓心、長(zhǎng)軸、短軸和傾角。

式中 A，B，C，D，E —— 系數(shù)。

（3） 利用擬合得到的橢圓信息，去除離群點(diǎn)。根據(jù)公式（3）計(jì)算輪廓線上每個(gè)點(diǎn)（x1，y1）到橢圓圓心（x0，y0）的歐氏距離，并將這些歐氏距離作為一組樣本，根據(jù)計(jì)算的歐式距離的標(biāo)準(zhǔn)差Stdev，將歐氏距離在三倍標(biāo)準(zhǔn)差以上的點(diǎn)作為離群點(diǎn)過濾。

式中 n —— 樣本數(shù)；

ρi—— 第i 個(gè)歐式距離樣本值；

（4） 對(duì)去除離群點(diǎn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行投影，得到二維灰度圖像。根據(jù)公式（5）計(jì)算該點(diǎn)到橢圓圓心的歐式距離理論值r，其中系數(shù)s 通過公式（6）計(jì)算。根據(jù)公式（7）計(jì)算二維灰度圖像對(duì)應(yīng)的像素值pixel，其中ZRES是相機(jī)在Z 軸方向的分辨率，圖像像素范圍的中值是pixelMid，因此如果沒有起伏，則對(duì)應(yīng)像素值pixel為中值；如果是凹陷的點(diǎn)，則pixel為中值以下；如果是凸起的點(diǎn)，則pixel為中值以上。

（5） 對(duì)灰度圖像進(jìn)行中值濾波。中值濾波可以去除圖像中的椒鹽噪聲，假設(shè)輸入圖像高為R，寬為C′，對(duì)于圖像中的任意位置（r，c），0≤r∧R，0≤c∧C′，取以（r，c）為中心，寬度為w，高度為h 的鄰域，其中w 和h 均為奇數(shù)，對(duì)鄰域中的像素點(diǎn)灰度值進(jìn)行排序，然后取中值，作為輸出圖像（r，c）處的灰度值。

（6） 根據(jù)設(shè)定的缺陷深度，得到二維灰度圖像的二值化圖像。根據(jù)公式（8）可計(jì)算得到輸入的缺陷深度設(shè)定值Zinput所對(duì)應(yīng)的二維灰度圖像的閾值Zpixel。檢查灰度圖像對(duì)應(yīng)像素值，對(duì)小于Zpixel的凹陷型缺陷和大于Zpixel的凸起型缺陷，將二值化圖像的對(duì)應(yīng)像素值設(shè)為白色，否則對(duì)應(yīng)像素值為黑色，得到最終的二值化圖像。

（7） 利用形態(tài)學(xué)處理該二值化圖像，并通過連通域檢測(cè)得到二值化圖像對(duì)應(yīng)的缺陷信息。形態(tài)學(xué)處理方法包括腐蝕、膨脹、開運(yùn)算、閉運(yùn)算。腐蝕和膨脹需要選定一個(gè)特定尺寸的圖像結(jié)構(gòu)元。腐蝕時(shí)，在圖像中從左到右移動(dòng)結(jié)構(gòu)元，選擇結(jié)構(gòu)元中的最小值作為輸出圖像對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的值；膨脹時(shí)，與腐蝕相反，選擇結(jié)構(gòu)元中的最大值作為輸出圖像對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的值。先腐蝕后膨脹的過程為開運(yùn)算，先膨脹后腐蝕的過程為閉運(yùn)算。對(duì)二值化圖像，先利用3pixel×3pixel的正方形結(jié)構(gòu)元進(jìn)行開運(yùn)算，消除亮度較高的細(xì)小區(qū)域，在纖細(xì)點(diǎn)處分離物體；再利用5pixel×5pixel的正方形結(jié)構(gòu)元進(jìn)行閉運(yùn)算，填充白色物體內(nèi)的細(xì)小黑色空洞，連接鄰近物體。

（8） 根據(jù)缺陷面積、缺陷長(zhǎng)度、標(biāo)準(zhǔn)差等信息對(duì)缺陷進(jìn)行過濾，將符合條件的缺陷上報(bào)。為了區(qū)分修磨造成的管身不平整與點(diǎn)坑缺陷，可以根據(jù)公式（4）計(jì)算缺陷區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差，由于大部分修磨區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)差較小，而點(diǎn)坑區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)差較大，可以通過標(biāo)準(zhǔn)差閾值對(duì)修磨造成的不平整進(jìn)行過濾。

最終，4 路管身三維缺陷檢測(cè)設(shè)備通過了嚴(yán)格的驗(yàn)收要求，具體驗(yàn)收過程如下：在Φ139.7 mm×7.72 mm 樣管上使用火花刻傷儀加工3 組Φ5.7 mm×0.38 mm 圓形刻傷，每組刻傷徑向角度相差120°，使用該設(shè)備反復(fù)檢測(cè)樣管20 次，刻傷全部報(bào)出，符合用戶要求，也符合API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)中缺陷深度小于5%壁厚的要求。

4 管身三維缺陷檢測(cè)設(shè)備的改進(jìn)

在4 路管身三維傳感器檢測(cè)系統(tǒng)中，由于管體弧度，導(dǎo)致檢測(cè)視角出現(xiàn)傾斜，給深度測(cè)量帶來一定誤差。為了給用戶提供更高精度的檢測(cè)系統(tǒng)，重新設(shè)計(jì)了一套8 路高分辨管身三維缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。8 路高分辨管身檢測(cè)設(shè)備不僅增加了8 路三維傳感器，三維檢測(cè)精度大大提升，同時(shí)還增加了平面相機(jī)功能，對(duì)三維檢測(cè)的缺陷進(jìn)行自動(dòng)存圖，方便人工比對(duì)與后期缺陷的分類與分析。通過缺陷分析，可以倒推缺陷產(chǎn)生的原因與容易產(chǎn)生缺陷的環(huán)節(jié)，并以此來改進(jìn)生產(chǎn)工藝。4 路與8 路管身三維缺陷檢測(cè)設(shè)備指標(biāo)對(duì)比見表2，可以看出，最小缺陷的深度與面積指標(biāo)都得到了大大提升，同時(shí)大大降低了缺陷誤報(bào)率，增加了缺陷照片保存功能。

圖4 8 路高分辨管身檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

表2 4 路與8 路管身三維缺陷檢測(cè)設(shè)備指標(biāo)對(duì)比

該管身三維缺陷檢測(cè)設(shè)備不僅可以用于熱軋鋼管冷態(tài)表面檢測(cè)，還可以用于連軋芯棒的表面質(zhì)量檢測(cè)。目前，連軋芯棒的表面質(zhì)量在線檢測(cè)還沒有相應(yīng)設(shè)備，主要依賴人工檢測(cè)；但是，如果芯棒表面出現(xiàn)多肉或少肉、凹坑劃傷等缺陷時(shí)，對(duì)熱軋鋼管內(nèi)壁將產(chǎn)生較大內(nèi)壁劃傷。而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，這類鋼管內(nèi)部劃傷主要靠冷卻后的人工檢測(cè)，是在工藝生產(chǎn)線后端進(jìn)行，等人工發(fā)現(xiàn)時(shí)，有缺陷的芯棒已經(jīng)生產(chǎn)了很多根，造成很大浪費(fèi)，而且這類內(nèi)部傷很難修補(bǔ)，只能報(bào)廢。如果使用鋼管三維檢測(cè)設(shè)備對(duì)連軋芯棒進(jìn)行在線質(zhì)量監(jiān)控，就能及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)芯棒表面的三維缺陷。在芯棒穿孔后、石墨潤(rùn)滑前的環(huán)節(jié)都可以加裝該檢測(cè)設(shè)備。

5 結(jié) 語(yǔ)

管身三維缺陷檢測(cè)設(shè)備是一種針對(duì)熱軋鋼管冷態(tài)表面凹坑等三維缺陷的高精度、高效率在線檢測(cè)手段，能捕捉到所有有三維起伏缺陷類型；隨著三維傳感器的增多和改進(jìn)，設(shè)備精度也在不斷提升，目前最小可以檢測(cè)到2 mm×2 mm×0.2 mm 的缺陷；管身三維缺陷檢測(cè)設(shè)備不僅可以用于管體檢測(cè)，也可以用于連軋芯棒，甚至是棒料的檢測(cè)。