大直径无缝钢管的超声检测系统

（浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313012）

无缝钢管在生产过程中，可能会产生各种缺陷，影响到钢管的质量。为确保产品的安全性，国家有关部门要求生产企业必须按照产品标准对无缝钢管进行检测。无损检测主要包括五种方法：超声波检测、射线检测、涡流检测、磁粉检测和渗透检测，在无缝钢管的检测领域中，超声检测作为一种有效的检测手段，已经得到了广泛的应用。与其它无损检测方法相比，超声波检测具有被测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、成本低、超作性能好、速度快、对人体无害等优点[1]。

可见，超声波无损检测是无损检测领域中的一种非常重要的方法，它对于保证无缝钢管产品的质量和可靠性有着重要的意义。

1 检测原理及方式

1.1 检测原理

在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续。这种不连续往往又造成声阻抗的不一致。超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的量取向、大小有关。这就是超声波探伤的原理[4]。

1.2 探伤方式

根据被探钢管和超声波探头运动方式，国内无缝钢管自动超声波探伤设备主要有两种类型：一种是钢管螺旋前进、探头不移动的装置：另一种是钢管直线前进、探头高速旋转的装置。无论是哪种运动方式，都必须确保被探钢管的整个截面积被全部扫查到[5]。

本系统采用水浸法检测，钢管自转、探头直线前进的超声波水浸聚焦扫查方式，对Φ168-Φ730 mm不锈无缝钢管进行内外壁纵横向缺陷、壁厚及分层缺陷进行全管体自动化检测，并对探测到的缺陷进行自动打标。

探头组件通过耐磨触靴与钢管接触。旋转对钢管进行全覆盖扫查，这种方式需要一个旋转头固定各个探头，并通过电刷或电容耦合方式将探头信号传回仪器处理。

传统作法是采用龙门马鞍式将探头组安放在12点钟位置上，本系统则将探头组安装在下部6点钟位置上，根据对称滚轮对最小管径形成100-110°夹角支承转动时，2个Φ250 mm对称滚轮之间还有最小90~110 mm轮对轮间距，此间距完全可安放探头小水箱在底部，用冒水法进行稳定检测。由于考虑到不锈钢管外弧面相对干净一些，不会掉下大量锈块和氧化皮影响探伤，设计将探头小水箱放在下部6点钟位置对于操作人员调试和更换探头、减小水流环境污染、减小管端盲区、提高系统运行稳定性都具有无可比拟的优点。

2 系统主要组成

超声检测系统的主要组成如图1所示，包括上料台架、上料机构、钢管定位旋转机构、运动小车检测装置、下料机构和下料台架等。检测装置是该检测线的核心部分，包括超声探伤仪、探头、控制台、检测头(安装探头的机械装置、根据检测方式有的则包括水槽)、机电控制部分等。

钢管通过上料机构输送到钢管定位旋转机构上，由电机带动钢管放置旋转机构的主动滚轮运动，从而带动钢管作旋转运动，钢管下面的检测小车沿着导轨直线进给。超声波信号通过超声波数据采集卡进入PC进行探伤，将判断的结果通过指令发送到PLC控制器，由PLC控制缺陷标记器在钢管上标记小缺陷的位置。

图1系统结构示意图

2.1 上、下料机构

上、下料各采用1套装置。在第一根钢管被检测完后下料的同时，第二根钢管上料。上下料装置由液压缸驱动，工作平稳可靠，无撞击噪声。在底板与钢管接触处设置有耐磨块，由此大大延长了底板的使用寿命。

2.2 钢管定位旋转机构

钢管由数套滚轮架定位，滚轮采用组合式，钢轮外包橡胶，传动平稳，摩擦力大。

滚轮架的同心度、直线度、速度、稳定性以及振动的强弱都会影响探伤的灵敏度和可靠性。因此，旋转机构是围绕探伤灵敏度和可靠性等要求来设计和加工的。

由于被检管材规格变化很大，为使每种规格的钢管放置在滚轮上都形成100~110°夹角支承，旋转时与滚轮接触的状态一致，数组滚轮的中心距可通过移动被动滚轮架调节，以满足不同规格管材的探伤要求。

2.3 运动小车检测装置

探头旋转带来的超声探伤仪与探头之间的电气耦合对探伤的可靠性会产生很大影响，对此采用固定探头旋转钢管的方法进行避免[5]。但由于钢管弯曲，前进的探头与旋转的钢管之间相对位置的变动会引起入射角的改变，为此，专门设计了探头随动装置，使探头与钢管的相对位置保持不变。

机头由轮式组合探头、浮动跟踪装置及支座组成。探头内设有探测厚度／分层、横向顺反时针、纵向、前后等5个方向的探测振子。每个探测方向有两个通道，采用脉冲反射法，探伤频率2～6MHz。探头安装在由气动控制升降的浮动跟踪装置上。

3 控制系统

根据系统的总体设计要求，电气控制系统应满足的技术要求是：

（1）滚轮架中的主动滚轮传动的拖动为直流电机，采用无级调速，便于调试。

（2）探伤过程为简单的开环式程序控制系统，从上料、探伤、打标、下料整个过程均由控制台自动控制。

（3）传动系统采用变频调速和可编程控制器控制。

4 多通道超声探伤仪

系统使用UD-MC8Y型八通道A型超声脉冲反射式探伤仪。其抗干扰能力强，稳定性好，探伤灵敏度高，主要特点有：

（1）八个独立通道的工作时序可以随意编辑。

（2）每个通道设A，B和C三个闸门，且C具有闸门跟踪功能。

（3）每个通道均设有一收一发和双收双发两种工作方式。

仪器的主要技术指标为，单个通道最高重复频率可达6 kHz；工作频率为2.5，5和10MHz；示波管显示器(CRT)的有效面积为100 mm×80 mm，液晶屏显示器(LCD)的有效面积为103mm×79mm；扫描范围分10，50和250mm三挡，最大可设计成1 000mm；水平线性误差≤1%；垂直线性误差≤5%；衰减器的总衰减量为100dB，最小分辨力为l dB；动态范围~28 dB。

5 对钢管的要求

（1）探伤时钢管表面温度≤80℃。

（2）钢管弯曲度≤2mm/m，管端弯曲度≤3.18mm/1.5m。

（3）由于探头组件通过耐磨触靴与钢管接触，因此钢管表面不得有突出表面超过10 mm的尖锐突起，如大外折、管子表面的大裂VI等。否则，将会在高速旋转的旋转体内造成严重的破坏。

（4）外径偏差：±1.0%。

（5）钢管表面粗糙度Ra不大于3.2。

6 实验

根据GB5777—1996和 YB4082-1992标准，在生产现场进行了试验，试验条件如下，试件为304不锈钢焊管。

按GB5777—1996中规定的C8级灵敏度进行测试，该设备的综合性能指标达到B4082-1992标准规定，可探范围为φ168~730mm，灵敏度等级为GB5777—1996的C8级。

实验结果表明：该系统可以满足实际检测的需要。

7 结束语

本文提出的大直径无缝钢管自动超声探伤机，离线安装单独成为一条探伤生产线，能够承担Ф160*2*4 000-Ф730*14*18 000 mm且壁厚与外径之比不大于0.22的无缝钢管的横向内外壁缺陷、测厚及分层缺陷的超声波检测任务，一次完成钢管纵、横向内部和表面缺陷的探伤作业（包括上、下料输送、打标、检验记录和报告的形成等）。具有灵敏度高、稳定性好等优点。

实验证明，所研制的大直径无缝钢管自动超声探伤机，能满足实际生产中无缝钢管超声波检测的需要。

[1]况雪军，国内无缝钢管涡流及超声波自动探伤的现状及其发展[J].钢管，2007，36(5):54-56.

[2]左建国.组合无损检测技术及其在无缝钢管在线自动检验中的应用[J].钢铁，1999，34(6):60-64.

[3]国家技术监督局，无缝钢管超声波探伤检验方法（GB／T 5777）[S]，2008.

[4]刘军华.URP系列自动超声波探伤机在无缝钢管生产中的应用[J].钢管，2010，39(3):60-64.

[5]张恒，吴扬宝，邹正烈，φ60~245mm无缝钢管超声波自动检测系统[J].无损检测，2003，25(6):291-293.

[6]白仁昭，无缝钢管超声波自动检测系统研制[J]，机电工程，2006，23(5):56-58.