管道運(yùn)輸作為一種高效的專用運(yùn)輸手段，已在石油天然氣運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域發(fā)揮了越來(lái)越大的作用。國(guó)內(nèi)大口徑運(yùn)輸管線目前主要采用螺旋焊接鋼管建造。為保證運(yùn)輸管線的可靠運(yùn)作，必須嚴(yán)格保證所使用的螺旋鋼管的質(zhì)量。因此，需要在鋼管出廠前對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損探傷檢查，以消除隱患。
　　在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，人們對(duì)鋼管的無(wú)損檢測(cè)認(rèn)識(shí)得比較早，在檢測(cè)設(shè)備的研制和使用上進(jìn)行了大量的投入。同國(guó)外相比，我國(guó)的檢測(cè)設(shè)備水平比較落后，對(duì)鋼管焊縫的檢測(cè)基本上還是采用手動(dòng)或半自動(dòng)設(shè)備進(jìn)行，因?yàn)闄z測(cè)效率極低，通常只能采用抽查的方法，無(wú)法完全檢測(cè)出每根鋼管中可能存在的缺陷。在各種國(guó)際性招標(biāo)活動(dòng)中，通常都要求參與投標(biāo)的鋼管生產(chǎn)企業(yè)具有比較完善的檢測(cè)措施，一些企業(yè)雖然花費(fèi)巨額資金從國(guó)外引進(jìn)了一些自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，但由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和檢測(cè)配套條件的限制，其使用效果往往并不理想，結(jié)果導(dǎo)致許多引進(jìn)設(shè)備處于閑置狀態(tài)，浪費(fèi)了大量的資金。目前的情況大大限制了國(guó)內(nèi)鋼管生產(chǎn)企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。因此，鋼管焊縫的無(wú)損檢測(cè)一直是各企業(yè)難以解決而又亟待解決的重要問(wèn)題，迫切需要開(kāi)發(fā)一種適合于我國(guó)生產(chǎn)條件的自動(dòng)化焊縫檢測(cè)設(shè)備。本文將首先介紹一種用于螺旋焊接鋼管焊縫檢測(cè)的自動(dòng)化超聲波探傷系統(tǒng)整體組成，然后介紹作為檢測(cè)設(shè)備核心的焊縫跟蹤機(jī)構(gòu)的機(jī)械和電氣結(jié)構(gòu)，并介紹了系統(tǒng)自動(dòng)探傷的工作過(guò)程。
　　2　探傷系統(tǒng)組成
　　焊縫探傷比較有效的手段是采用脈沖反射式超聲波檢測(cè)技術(shù)。由于主要是判斷是否存在缺陷，這里我們采用A型顯示(A掃描)的超聲波探傷儀。它利用超聲波的反射特性，在熒光屏上以縱坐標(biāo)代表反射回波的幅度，以橫坐標(biāo)代表反射回波的傳播時(shí)間，根據(jù)缺陷反射波的幅度和時(shí)間來(lái)確定缺陷的大小和存在的位置，如圖1所示。圖中，T為工件表面反射波，F為缺陷波，B為底面反射波。
圖1　A掃描顯示缺陷
　　采用超聲波探傷儀的自動(dòng)化探傷系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)由超聲波探傷儀、運(yùn)輸小車(chē)和焊縫跟蹤機(jī)構(gòu)組成。超聲波探傷儀用于焊縫探傷，這里采用沿圓周對(duì)稱分布的6個(gè)斜探頭以檢測(cè)焊縫中存在的氣孔、裂紋、夾渣、未焊透和未熔合等缺陷；運(yùn)輸小車(chē)用于移動(dòng)鋼管，檢測(cè)時(shí)，將鋼管放在運(yùn)輸小車(chē)上送到焊縫跟蹤系統(tǒng)下方，小車(chē)一邊前進(jìn)，一邊旋轉(zhuǎn)鋼管，兩種運(yùn)動(dòng)合成為鋼管的螺旋運(yùn)動(dòng)，理想情況下，鋼管的進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)嚴(yán)格同步，在鋼管焊縫螺旋角不變的條件下，焊縫嚴(yán)格位于探傷系統(tǒng)的檢測(cè)范圍內(nèi)。焊縫跟蹤系統(tǒng)是超聲探傷儀的載體，用于跟蹤鋼管焊縫的中心。為保證檢測(cè)的精度和可靠性，超聲探頭系統(tǒng)需要安裝在焊縫跟蹤系統(tǒng)上進(jìn)行工作。其原因是：(1)探傷儀的探頭系統(tǒng)對(duì)位置精度要求較高。由于超聲探頭系統(tǒng)本身的原理和結(jié)構(gòu)的限制，要求探頭系統(tǒng)必須具有很高的定位精度。(2)焊縫條件限制。理想情況下，鋼管的焊縫為一參數(shù)固定的螺旋線，但在鋼管焊接過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差，造成鋼管焊縫幾何參數(shù)發(fā)生變化，因而要求檢測(cè)設(shè)備能夠補(bǔ)償這一種變化。(3)由于運(yùn)輸小車(chē)的運(yùn)動(dòng)不精確，難以保證進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動(dòng)的嚴(yán)格同步，從而導(dǎo)致焊縫相對(duì)探頭系統(tǒng)發(fā)生偏移，因此，要求檢測(cè)設(shè)備必須能跟蹤焊縫的偏移。
圖2　螺旋鋼管焊縫自動(dòng)超聲探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　在圖2的系統(tǒng)中，采用兩臺(tái)交流變頻調(diào)速電機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸小車(chē)的進(jìn)給和鋼管的旋轉(zhuǎn)，由于鋼管的質(zhì)量大，鋼管的進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)無(wú)法嚴(yán)格同步，在檢測(cè)初始階段尤為顯著，因而焊縫跟蹤系統(tǒng)是焊縫自動(dòng)探傷設(shè)備的關(guān)鍵部分。下面著重介紹這一部分。
　　3　焊縫跟蹤系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)
　　由前述可見(jiàn)，自動(dòng)化超聲波探傷對(duì)焊縫跟蹤系統(tǒng)的要求很高，我們所設(shè)計(jì)的焊縫跟蹤系統(tǒng)滿足下述指標(biāo)要求：
　　1)適用鋼管范圍：螺旋埋弧焊管外徑Φ337-Φ1200mm;帶鋼寬度550-1500mm;焊縫螺旋角10°-75°；焊縫余高　≥2mm;焊縫寬度8-30mm.
　　2)焊縫切線運(yùn)動(dòng)速度：≤8m/min;
　　3)焊縫位置跟蹤精度：±1mm;
　　4)水平跟蹤范圍：±300mm;
　　5)垂直跟蹤范圍：±150mm。
　　根據(jù)指標(biāo)要求，在設(shè)計(jì)焊縫跟蹤系統(tǒng)時(shí)，在機(jī)械上采用兩個(gè)平移自由度：一個(gè)為垂直方向，帶動(dòng)超聲波探頭架上下移動(dòng)；另一個(gè)為水平方向，帶動(dòng)探頭架在水平面內(nèi)沿鋼管母線方向移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管焊縫偏移的跟蹤。焊縫跟蹤系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。探頭架安裝在垂直螺母上。兩個(gè)自由度均采用絲杠副實(shí)現(xiàn)平移運(yùn)動(dòng)，各采用一臺(tái)交流伺服電機(jī)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)。電機(jī)軸到絲杠軸的減速比為9，絲杠的螺距為6mm,電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為300r/min，由上述參數(shù)得到水平垂直機(jī)構(gòu)的最大跟蹤線速度為2m/min，根據(jù)實(shí)際條件下測(cè)得的焊縫偏移統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，此系統(tǒng)能夠滿足跟蹤速度的要求。根據(jù)傳動(dòng)方式和系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)，將所有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電機(jī)軸上，依照公式：
　　W額≥(3-4)W軸
圖3　焊縫跟蹤系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)
計(jì)算，取兩個(gè)交流伺服電機(jī)的額定功率為200W。上式W額為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，W軸為電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩。
　　4　焊縫跟蹤系統(tǒng)電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　焊縫跟蹤系統(tǒng)電氣部分組成如圖4所示，它主要由以下幾部分構(gòu)成。
圖4　焊縫跟蹤系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)
　　(1)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)各種控制功能，還要具有良好的操作界面。這里采用一臺(tái)Pentium586工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)主機(jī)，編制了基于Windows95的圖形模式操作軟件，可在顯示器上實(shí)時(shí)顯示焊縫外觀的三維信息，并且具有設(shè)備的各種狀態(tài)顯示和報(bào)警提示，易于掌握和使用。
　　(2)數(shù)字量輸入卡用于掃描操作面板上各種操作按鈕的狀態(tài)、伺服驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)以及各個(gè)軸方向的零位和極限開(kāi)關(guān)，通過(guò)ISA總線傳遞給工控機(jī)，以確定應(yīng)該采取的操作。數(shù)字量輸出卡用于控制伺服系統(tǒng)的上電、操作模式以及指示燈的狀態(tài)。
　　(3)焊縫位置傳感器。目前的探傷跟蹤系統(tǒng)中多采用電磁式差動(dòng)傳感器和攝像頭作為焊縫位置檢測(cè)單元。在實(shí)際應(yīng)用中，由于焊接時(shí)多采用直流焊機(jī)，焊接后一般還要實(shí)行倒渣操作，導(dǎo)致焊縫在檢測(cè)之前已被磁化，同時(shí)焊縫的形狀并不完全對(duì)稱，這些因素使得電磁式差動(dòng)傳感器的應(yīng)用效果并不理想，難以實(shí)現(xiàn)焊縫的自動(dòng)跟蹤。采用攝像頭作為檢測(cè)單元實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤需要進(jìn)行圖象處理，其運(yùn)算代價(jià)較高，對(duì)控制器的運(yùn)算速度具有很高的要求，在焊縫的高速檢測(cè)中應(yīng)用還有一段距離，目前主要用于人工操作的跟蹤系統(tǒng)。這里我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于激光測(cè)距原理的掃描式焊縫位置傳感器，它使用激光測(cè)距傳感器作為距離敏感元件，采用一個(gè)往復(fù)掃描機(jī)構(gòu)，通過(guò)掃描獲取鋼管焊縫的二維圖象，提供給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)提取鋼管焊縫信息，用來(lái)對(duì)鋼管焊縫實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。這種傳感器具有精度高、抗干擾、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
　　(4)焊縫傳感器接口卡。焊縫位置傳感器本身也是一個(gè)伺服系統(tǒng)，需要實(shí)時(shí)地對(duì)掃描機(jī)構(gòu)的運(yùn)行進(jìn)行控制，同時(shí)還要采集掃描的位置和焊縫的高度信息，以便于工控機(jī)提取焊縫的特征。為此采用單片機(jī)作為控制核心設(shè)計(jì)了從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)ISA總線與工控機(jī)相連。使系統(tǒng)以一定的時(shí)序獨(dú)立工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描機(jī)構(gòu)的控制、焊縫位置信號(hào)的采集以及數(shù)據(jù)的預(yù)處理和傳輸。為了實(shí)現(xiàn)掃描速度曲線的優(yōu)化，采用零相位跟蹤方法控制掃描機(jī)構(gòu)，以便獲取盡可能多的有效采樣數(shù)據(jù)，對(duì)獲取的焊縫數(shù)據(jù)使用小波分析方法提取焊縫的位置。
　　(5)交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器。考慮到設(shè)備的定位精度要求較高，采用兩臺(tái)交流伺服電機(jī)作為兩個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)元件。焊縫位置檢測(cè)單元獲取的是焊縫的水平和垂直方向的偏差量，所以伺服電機(jī)都采用位置控制方式，電機(jī)采用光電編碼器作為反饋元件，位置伺服精度最高可達(dá)到5個(gè)脈沖當(dāng)量，小于機(jī)械結(jié)構(gòu)的間隙值，完全能夠滿足系統(tǒng)的跟蹤精度要求。
　　(6)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器用于對(duì)兩臺(tái)伺服電機(jī)的控制。其中計(jì)數(shù)器用于測(cè)量系統(tǒng)的當(dāng)前位置，提供給工控機(jī)以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)，定時(shí)器用于向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)位置控制。
　　5　自動(dòng)檢測(cè)過(guò)程
　　本文所介紹的自動(dòng)超聲探傷系統(tǒng)工作時(shí)，采用下述自動(dòng)檢測(cè)流程：
　　(1)運(yùn)輸小車(chē)接受鋼管，移動(dòng)到檢測(cè)初始位置；
　　(2)軌道上的光電傳感器檢測(cè)到鋼管前端后，給出“鋼管準(zhǔn)備好”信號(hào)，停止小車(chē)的進(jìn)給，探頭系統(tǒng)和焊縫位置傳感器落到鋼管表面，焊縫位置傳感器開(kāi)始掃描，旋轉(zhuǎn)鋼管尋找焊縫；
　　(3)焊縫初始定位后，啟動(dòng)運(yùn)輸小車(chē)，探傷儀啟動(dòng)，開(kāi)始自動(dòng)探傷；
　　(4)檢測(cè)到鋼管末端后，抬起探頭系統(tǒng)，探傷儀和跟蹤機(jī)構(gòu)復(fù)位；
　　(5)運(yùn)輸小車(chē)將鋼管運(yùn)到分級(jí)撥管位置，卸下鋼管，繼續(xù)下一個(gè)檢測(cè)周期。
　　在鋼管的自動(dòng)探傷過(guò)程中，可隨時(shí)將系統(tǒng)切換為手動(dòng)方式，此時(shí)，操作人員可根據(jù)顯示器上的焊縫三維綜合圖象進(jìn)行焊縫的手動(dòng)跟蹤。系統(tǒng)采用了多級(jí)保護(hù)措施，可在緊急情況下采取相應(yīng)的操作，以防止對(duì)系統(tǒng)造成損害。
　　6　結(jié)論
　　焊縫的自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)是保證鋼管質(zhì)量的一種重要手段，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)具有一定的困難。由于采用了合理的結(jié)構(gòu)和測(cè)試技術(shù)，尤其是激光測(cè)距式焊縫位置檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)和使用，使得本文所設(shè)計(jì)的超聲自動(dòng)探傷儀具備了進(jìn)行焊縫超聲探傷所要求的跟蹤速度和精度。本系統(tǒng)的樣機(jī)已在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠滿足螺旋焊接鋼管焊縫檢測(cè)的基本要求，說(shuō)明其設(shè)計(jì)思想是正確的。由于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜，存在各種光、電干擾以及周?chē)h(huán)境的機(jī)械震動(dòng)，目前需要在系統(tǒng)的抗干擾性以及檢測(cè)元件的小型化方面進(jìn)行進(jìn)一步的工作，以使系統(tǒng)能夠適應(yīng)鋼管生產(chǎn)過(guò)程中的復(fù)雜環(huán)境。