【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 周向布置9個(gè)檢測(cè)探頭，全面檢測(cè)縱向，橫向，斜向，分層缺陷，厚測(cè)及耦合監(jiān)測(cè)，或采用高速“簇”式探頭架檢測(cè)縱向厚度及耦合監(jiān)測(cè)；不同管徑和壁厚尺寸可靈活選擇不同“CLUSTER”探頭架；缺陷處自動(dòng)報(bào)警和噴標(biāo)，為后續(xù)分選提供依據(jù)；最大檢測(cè)速度達(dá)2米/秒，[18]。 GRPPAT檢測(cè)系統(tǒng) “CLUSTER”檢測(cè)系統(tǒng) GRPPAT detection systems CLUSTER detection system上述兩種檢測(cè)設(shè)備主要是針對(duì)石油天然氣管道，適用管徑都是在60mm以上的大口徑無縫鋼管，管徑小于60mm的小口徑無縫鋼管不適用。針對(duì)小口徑無縫鋼管檢測(cè)，GE公司擁有ROT系列管材超聲檢測(cè)系統(tǒng)與ROTA系列管材檢測(cè)系統(tǒng)，兩套檢測(cè)系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)探頭產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)超聲場(chǎng)，并同時(shí)具有垂直入射和斜入射高密度超聲脈沖，實(shí)現(xiàn)100%斷面聲束覆蓋，并保證周向靈敏度的一致性[18]。GE公司的管材超聲檢測(cè)設(shè)備中GRPPAT檢測(cè)系統(tǒng)、“CLUSTER”檢測(cè)系統(tǒng)以及ROT系列檢測(cè)系統(tǒng)采用的是UNIVIS軟件，可顯示多通道彩色帶狀模式條線圖。ROTA系列檢測(cè)系統(tǒng)采用的是NUscan軟件，這是一個(gè)專利成像軟件，可提供A，B，C掃描和對(duì)被檢部件缺陷的準(zhǔn)確顯示功能，[18]。這兩種顯示軟件對(duì)缺陷的展示都是以一維或者二維平面形式，而無縫鋼管作為非平面件產(chǎn)品，鋼管缺陷用平面圖像顯示并非最佳效果。 UNIVIS應(yīng)用軟件 NUscan應(yīng)用軟件 UNIVIS application software NUscan application softwareOlympus（泛美）有限公司也是世界知名的無損檢測(cè)公司，擁有檢測(cè)無縫鋼管的設(shè)備主要有旋轉(zhuǎn)管材檢測(cè)系統(tǒng)（RTIS）與在線∕離線ERW管材檢測(cè)系統(tǒng)。其中RTIS使用相控陣技術(shù)對(duì)管材進(jìn)行全管體檢測(cè)，這個(gè)系統(tǒng)基于“水楔”概念，通過膜狀材料，使一個(gè)儲(chǔ)水容器發(fā)揮持續(xù)穩(wěn)定的效用，可以快速進(jìn)行耦合，并具有較短的非檢測(cè)區(qū)域長(zhǎng)度。[19]。 （a） （b） RTIS檢測(cè)系統(tǒng) RTIS detection system(a) 機(jī)械系統(tǒng)； (b) 軟件系統(tǒng)(b)可見系統(tǒng)缺陷檢測(cè)以常規(guī)的波形檢測(cè)為主，對(duì)缺陷的描述不直觀。另一套在線∕。(b)中加入了彩色二維帶狀圖像，但就設(shè)備設(shè)計(jì)特性而言，這種二維帶狀圖更適合于電阻焊接（ERW）管材進(jìn)行焊縫和熱影響區(qū)（HAZ）的檢測(cè)設(shè)計(jì)，氣動(dòng)懸掛可以使檢測(cè)頭跟蹤管材的移動(dòng)，并在出現(xiàn)燒剝孔或卷材板之間的對(duì)接焊縫時(shí)，基于渡越時(shí)間分析的獨(dú)特算法（公司專利）可以對(duì)燒剝區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并將反饋信息發(fā)送到PLC，以自動(dòng)調(diào)整每個(gè)水楔，檢測(cè)頭的旋轉(zhuǎn)能力可以使每個(gè)探頭在120~+120度之間獨(dú)立移動(dòng)，但是對(duì)于無縫鋼管而言，如外折在鋼管外表面呈螺旋形狀且螺距較大、分布于局部或全長(zhǎng)，這使得跟蹤范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于焊縫跟蹤的范圍，雖然采用自動(dòng)跟蹤對(duì)于缺陷的描述較為直觀形象，但局部跟蹤不能反映缺陷在整個(gè)無縫鋼管中的位置分布[19][20]。 (a) (b) 在線∕離線ERW檢測(cè)系統(tǒng) Online / Offline ERW detection system(a) 機(jī)械系統(tǒng)；(b)軟件系統(tǒng) ERW檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)焊縫跟蹤 ERW detection system of automatic weld tracking 國(guó)內(nèi)無縫鋼管的超聲檢測(cè)研究現(xiàn)狀目前，國(guó)外許多公司的超聲設(shè)備的先進(jìn)性主要是體現(xiàn)在一些關(guān)鍵技術(shù)上，國(guó)內(nèi)由于機(jī)械制造加工水平相對(duì)落后，精密程度較低，從而對(duì)產(chǎn)品的功能性、可靠性和美觀性等方面有較大影響，故國(guó)內(nèi)無縫鋼管生產(chǎn)廠家的管材超聲檢測(cè)設(shè)備主要還是依賴于進(jìn)口。雖然我國(guó)無縫鋼管超聲檢測(cè)方面的研究起步較晚，與國(guó)外相比還有很大的差距，但近年來通過一些高校和企業(yè)對(duì)無縫鋼管超聲檢測(cè)等相關(guān)技術(shù)與設(shè)備的研究，使得國(guó)內(nèi)無縫鋼管超聲檢測(cè)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。合肥工業(yè)大學(xué)何輔云教授研制了噴淋水耦合式旋轉(zhuǎn)多探頭高能超聲動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)管材壁厚和鋼管內(nèi)部的折疊缺陷進(jìn)行檢測(cè)。因?yàn)槭嵌嗤ǖ罊z測(cè)可對(duì)缺陷分區(qū)定位，檢測(cè)精度為177。[21][22]。設(shè)備利用DSP的多通道緩沖串口接受和處理超聲信號(hào)的回波數(shù)據(jù)，在采集同時(shí)采用LZW壓縮算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)快速準(zhǔn)確的采集和處理[23]。但該設(shè)備采用垂直入射法對(duì)無縫鋼管進(jìn)行檢測(cè)，這就不可避免的存在近表面檢測(cè)盲區(qū)問題，對(duì)于薄壁管來說，再小的盲區(qū)都是不能允許存在的。天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院劉懌歡等同志利用內(nèi)置旋轉(zhuǎn)式超聲波檢測(cè)技術(shù)（簡(jiǎn)稱IRIS）對(duì)鋼管內(nèi)壁和外壁進(jìn)行全面檢測(cè), 并對(duì)其進(jìn)行精確定量[24]。內(nèi)置旋轉(zhuǎn)式超聲波檢測(cè)技術(shù)是利用反射鏡的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)周向的掃查, 從而達(dá)到對(duì)管子進(jìn)行全面掃查的效果。從檢測(cè)手段來說，利用IRIS技術(shù)檢測(cè)無縫鋼管存在一定的不足之處，首先，由于這種檢測(cè)技術(shù)的特殊性，使得探頭需要特制。其次，檢測(cè)結(jié)果受鋼管清潔狀況和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件影響較大，例如，耦合條件較為苛刻，水臟或者氣泡會(huì)導(dǎo)致信號(hào)不穩(wěn)定和數(shù)據(jù)丟失，水壓過小會(huì)導(dǎo)致水泄漏或者渦輪驅(qū)動(dòng)壓力丟失。從缺陷顯示來說，渦輪每旋轉(zhuǎn)一周創(chuàng)建一個(gè)被檢鋼管的截面掃描圖像，當(dāng)探頭進(jìn)入到管子內(nèi)部時(shí)，連續(xù)的圖像形成管壁的彩色C掃描成像，從文獻(xiàn)中作者提供的掃描圖像可見，檢測(cè)受一定的干擾，不穩(wěn)定。 在役鋼管C掃描成像Fig. Cscan imaging of inservice tube杭州浙大奔月科技有限公司以浙江大學(xué)周曉軍教授為代表的科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研制成功國(guó)內(nèi)第一家基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的超聲波掃描成像系統(tǒng)以及復(fù)雜曲面超聲波C掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)。其中棒（管）材水浸超聲波無損探傷系統(tǒng)：7個(gè)自由度聯(lián)動(dòng)，管件軸線自動(dòng)跟蹤功能，能以軸向成像、徑向成像等方式給出內(nèi)部缺陷的定性和定量分析[25]。在超聲自動(dòng)檢測(cè)C掃描成像方面，由于機(jī)械回程間隙和超聲信號(hào)采集滯后等，使成像圖元和實(shí)際測(cè)試的工件位置不重合，周曉軍教授的研究生李雄兵博士為消除機(jī)械回程間隙產(chǎn)生的定位誤差，一方面，在運(yùn)動(dòng)控制上加編碼器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，保證探頭位姿誤差相對(duì)最小；另一方面為減少信號(hào)采集過程中的時(shí)耗，通訊接口采用總線方式，或提高信號(hào)采樣頻率、降低檢測(cè)速度等，這些措施在一定程度上能改善圖像鋸齒錯(cuò)位的現(xiàn)象。為此，他們先在標(biāo)準(zhǔn)試塊上掃描成像，確定缺陷樣件的錯(cuò)位量，然后用其去修正其它C掃描圖像，[26]。這不僅改善了成像的質(zhì)量，更重要的是對(duì)缺陷的精確定位、定量分析意義重大。 (a) (b) 鋸齒消除前后C掃描圖像對(duì)比Fig. Cscan images pared of before and after antialiasing(a) 消除鋸齒前；(b) 消除鋸齒后李雄兵博士對(duì)曲面工件自動(dòng)超聲檢測(cè)的流程：首先進(jìn)行曲面測(cè)量，通過曲面重建獲得被測(cè)工件模型并將其入庫(kù)，設(shè)定檢測(cè)路徑生成控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)走位與掃描參數(shù)后即可檢測(cè)掃描。[26]。 曲面C掃描圖像Fig. Curved surface Cscan images通過上以上概述可知周曉軍教授團(tuán)隊(duì)在超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的研制與開發(fā)上是國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的，但對(duì)于無縫鋼管的檢測(cè)在其相關(guān)學(xué)術(shù)案例鮮有出現(xiàn)，更多的是對(duì)于棒材以及航空構(gòu)件等曲面構(gòu)件的檢測(cè)成像[27~29]。中核集團(tuán)核動(dòng)力運(yùn)行研究所在役檢查中心對(duì)核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管和CANDU 堆壓力管利用自行設(shè)計(jì)的自動(dòng)掃查裝置與μ+（Micro plus）16通道超聲數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。探頭在充滿水的壓力管內(nèi)部以周向掃查和軸向掃查，從而探測(cè)分布于不同方向的缺陷。μ+ 超聲系統(tǒng)將采集的超聲數(shù)據(jù)和位置信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，并可進(jìn)行B，C，D型顯示，以及對(duì)超聲數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析，但文獻(xiàn)中作者沒有給出B，C，D型顯示的真彩檢測(cè)案例圖像。 (a) (b) μ＋（Micro plus）16通道數(shù)字式超聲波管道檢測(cè)系統(tǒng) μ + (Micro plus) 16channel digital ultrasonic pipe inspection system（a）壓力管自動(dòng)掃查裝置；（b）管道超聲檢測(cè)掃查器誠(chéng)然，通過國(guó)內(nèi)學(xué)者與專家的努力，我國(guó)無縫鋼管超聲檢測(cè)水平與國(guó)際水平的差距正在縮小，但目前我國(guó)超聲檢測(cè)大部分還集中在手持式單/多通道超聲波儀研制，通過波形判斷來對(duì)缺陷進(jìn)行判定檢測(cè)。綜合無縫鋼管的超聲檢測(cè)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可見伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，傳感技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，超聲檢測(cè)技術(shù)正向快速化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、程序化和規(guī)范化的方向發(fā)展。另一個(gè)趨勢(shì)是對(duì)無縫鋼管缺陷的超聲檢測(cè)與分析正從以往的波形判定檢測(cè)轉(zhuǎn)向于數(shù)字化圖像分析檢測(cè)，讓檢測(cè)結(jié)果更加直觀便捷，減少人為因素的干擾，開創(chuàng)從無損檢測(cè)角度對(duì)缺陷進(jìn)行分析而不是僅僅探測(cè)有無超標(biāo)缺陷，這也為無損檢測(cè)向無損評(píng)價(jià)發(fā)展起推動(dòng)作用。 本論文研究的主要內(nèi)容本學(xué)位論文研究主要是利用超聲檢測(cè)技術(shù)與超聲成像技術(shù)對(duì)無縫鋼管的缺陷進(jìn)行無損檢測(cè)的分析與研究。論文共分四章，各章內(nèi)容概括如下：第一章為緒論，主要內(nèi)容：課題背景的論述，無縫鋼管缺陷的概述，無縫鋼管各種檢測(cè)方式的比較以及國(guó)內(nèi)外對(duì)無縫鋼管超聲檢測(cè)研究的現(xiàn)狀。第二章為無縫鋼管缺陷超聲檢測(cè)與關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化，主要內(nèi)容：從無縫鋼管成型工藝入手分析缺陷取向性，進(jìn)而提出實(shí)驗(yàn)方法以及對(duì)無縫鋼管水浸式聚焦檢測(cè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析與優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管橫向、縱向缺陷的優(yōu)化檢測(cè)。第三章為無縫鋼管缺陷的超聲成像分析，主要內(nèi)容：對(duì)無縫鋼管缺陷進(jìn)行超聲成像掃描分析，以現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)軟件為基礎(chǔ)，對(duì)掃描成像軟件進(jìn)行二次開發(fā)與改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)三維立體成像。第四章無縫鋼管缺陷實(shí)例分析，主要內(nèi)容：把超聲無損檢測(cè)與有損檢測(cè)（驗(yàn)）相結(jié)合對(duì)小口徑無縫鋼管缺陷進(jìn)行實(shí)例檢測(cè)分析，分析缺陷產(chǎn)生的工序與原因。第五章對(duì)本論文研究結(jié)論進(jìn)行總結(jié)。第二章 無縫鋼管缺陷超聲檢測(cè)與關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化利用超聲波技術(shù)來對(duì)無縫鋼管缺陷開展無損方式的分析工作，首先是要用超聲波來精確的檢測(cè)到缺陷，否則，用超聲成像技術(shù)來分析缺陷就成為空談。 超聲A掃描如今，超聲檢測(cè)技術(shù)數(shù)字化已經(jīng)成為當(dāng)今的主流趨勢(shì)。通常超聲檢測(cè)進(jìn)行的處理是去除信號(hào)中的噪聲，其次是將已經(jīng)去除噪聲的信號(hào)進(jìn)行再處理，包括增益控制、衰減補(bǔ)償、信號(hào)包絡(luò)、FFT分析及圖像顯示等。超聲信號(hào)經(jīng)接收部分放大后，由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)，換能器的位置可受編碼電機(jī)控制或由人工操作，由轉(zhuǎn)換器將位置變?yōu)閿?shù)字傳給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)再把隨時(shí)間和位置變化的超聲波形進(jìn)行復(fù)雜的處理，得出了檢測(cè)的各種掃描數(shù)據(jù)，進(jìn)而設(shè)置有關(guān)參數(shù)或?qū)⑻幚斫Y(jié)果波形、圖形等在屏幕上顯示、打印出來或給出光、聲識(shí)別及報(bào)警信號(hào)[31]。目前應(yīng)用最為廣泛的數(shù)字化超聲檢測(cè)方式是波形檢測(cè)，即通常所說的A型掃描檢測(cè)。A型超聲波檢測(cè)因其回聲顯示采用幅度調(diào)制顯示（amplitude modulation Display）而得名，它實(shí)際上是超聲脈沖回波圖形，橫坐標(biāo)代表被探測(cè)物體的深度，縱坐標(biāo)代表回波高度即超聲波的振幅，根據(jù)接收的回波可知缺陷在材料中的深度與大小，檢測(cè)人員根據(jù)回波的一些特性，諸如波幅和波密度等再結(jié)合日常檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)在一定程度上可對(duì)缺陷進(jìn)行模糊的定性分析，但是A掃描是回波圖，只能反應(yīng)局部的回波信息，不能直觀地顯示缺陷形態(tài)等特征[31]。 超聲A掃描示意圖 Schematic diagram of ultrasonic Ascan雖然波形檢測(cè)受檢測(cè)條件與人為因素較大，但作為最基礎(chǔ)的檢測(cè)方式，超聲B掃描，超聲C掃描以及相控陣掃描等成像檢測(cè)技術(shù)都離不開超聲波回波信號(hào)的分析處理等，所以在小口徑無縫鋼管缺陷超聲檢測(cè)分析過程中波形檢測(cè)顯得極為重要，這就要求檢測(cè)人員對(duì)無縫鋼管的超聲檢測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最為準(zhǔn)確的檢測(cè)到鋼管的缺陷。 缺陷形貌對(duì)檢測(cè)的影響分析應(yīng)用波形檢測(cè)通常是根據(jù)缺陷回波波高來確定其大小，而波高的大小與缺陷的實(shí)際尺寸往往不是一致的，甚至有很大差距，這是因?yàn)槿毕莼夭úǜ吲c缺陷形狀、取向、大小和性質(zhì)等因素都有關(guān)系。其中缺陷的取向包含缺陷所處方位及其指向性，方位是指缺陷反射面相對(duì)于入射聲束軸線的位置與缺陷本身與探頭的相對(duì)位置。實(shí)際檢測(cè)中缺陷反射面與入射聲束軸線垂直的情況是少見的，當(dāng)有傾角時(shí)，缺陷回波隨傾角的增大而急劇下降，所以認(rèn)知無縫鋼管的成型工藝對(duì)于研究缺陷的取向性是十分重要的。作為無縫鋼管穿孔工序中應(yīng)用最為廣泛的就是斜軋穿孔工藝。管坯在斜軋穿孔過程中所產(chǎn)生的缺陷與穿孔管坯在變形區(qū)中的變形條件有著密切的關(guān)系。就以二輥式斜軋穿孔工藝為例，由于斜軋穿孔工藝的特點(diǎn)，在整個(gè)變形區(qū)中均存在金屬的附加變形，這對(duì)于穿孔毛管的質(zhì)量是不利的。斜軋穿孔時(shí)，金屬的附加變形包括扭轉(zhuǎn)變形、軸向（沿穿孔方向）剪切變形和切向（沿圓周方向）剪切變形等。附加變形是由于金屬各部分（各層）的變形不均勻（不協(xié)調(diào)）所產(chǎn)生的。金屬的附加變形會(huì)帶來一系列的不良后果，如由金屬的附加變形所引起的附加應(yīng)力（內(nèi)應(yīng)力）容易導(dǎo)致毛管的內(nèi)、外表面和內(nèi)部產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，并使得所需變形能量增大等[1][32][33]。無縫鋼管的特殊工藝讓缺陷也有了特殊的取向性。在穿孔工藝研究中，國(guó)內(nèi)外對(duì)二輥斜軋穿孔時(shí)圓管坯端面上變形強(qiáng)度研究也有很多，其中有結(jié)論認(rèn)為變形強(qiáng)度沿圓管坯截面上呈“W”形分布形態(tài)[34~36]，這就要求我們?cè)跈z測(cè)鋼管時(shí)，超聲波聲束路徑也應(yīng)該是一個(gè)“W”形，這樣才能檢測(cè)出諸如表面傾角30176。~60176。的橫向或者斜向的缺陷，如何實(shí)現(xiàn)超聲波聲束“W”形路徑，這就對(duì)檢測(cè)方式與檢測(cè)運(yùn)動(dòng)方式提出了要求。 無縫鋼管缺陷類型示意圖 Schematic diagram of seamless steel tubes defect type “W”形超聲波聲束路徑示