（機械電子工程專業(yè)論文）管道對接焊縫超聲檢測機器人研究.pdf

論文題目 專業(yè) 碩士生 指導(dǎo)教師 管道對接焊縫超聲檢測機器人研究 機械電子工程 馬香玲 簽名 馬宏偉 簽名 摘要 暫涂 在輸送管道的建設(shè)和運營中 管道對接焊縫質(zhì)量的檢測至關(guān)重要 超聲檢測作為一 種重要的無損檢測方法 被廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量控制和在役設(shè)備安全監(jiān)測中 尤其 在管道焊接缺陷檢測中發(fā)揮著重要作用 已被世界各國所采用 傳統(tǒng)的超聲檢測方法存 在檢測效率低 評定缺陷難等不足 研制一種管道對接焊縫超聲檢測機器人系統(tǒng)具有重 要的意義 本文借助計算機 數(shù)控 精密機械和微電機驅(qū)動等技術(shù) 以工控機為核心 以國內(nèi) 先進的數(shù)字超聲探傷儀為基礎(chǔ) 以虛擬儀器結(jié)構(gòu)為軟件平臺 開發(fā)了管道對接焊縫自動 超聲檢測機器人系統(tǒng) 實現(xiàn)了超聲檢測的數(shù)字化 自動化 圖像化 為提高檢測的可靠 性和效率奠定了基礎(chǔ) 本課題進行了機器人總體設(shè)計 研制了浮動探頭夾持器 實現(xiàn)了探頭與管道的自適 應(yīng)接觸 設(shè)計了具有大減速比步進電機傳動系統(tǒng) 滿足了機器人繞管道圓周運動所需要 的動力 借助計算機i o 接口和串口通信技術(shù) 通過l a b w i n d o w s c v i 中的專用r s 2 3 2 串口通訊函數(shù)庫 實現(xiàn)了工控機與s t c 8 9 c 5 1 單片機的通訊 有效地對檢測機器人進行 控制 實現(xiàn)了機器人沿管道的圓周運動和探頭沿管道軸向掃描運動 能夠?qū)缚p進行鋸 齒形或矩形掃描 利用a c t i v e x 技術(shù) 解決了l a b w i n d o w s c v i 和o f f i c ew o r d 軟件的接口 實現(xiàn)了檢 測報告的生成和打印 構(gòu)建了管道對接焊縫超聲斜角探傷平臺 通過研究自動掃描成像 的關(guān)鍵技術(shù)及其軟件實現(xiàn)方法 成功實現(xiàn)了以偽彩色和灰度模式顯示管道典型人工缺陷 的超聲a 掃描 b 掃描 通過對缺陷超聲檢測回波信號進行去噪 有效抑制電磁干擾和 點狀噪聲的影響 建立人工缺陷的斜角探傷數(shù)學(xué)模型 對缺陷進行定位分析 為深入研 究斜角探傷的數(shù)字化 圖像化 智能化奠定了基礎(chǔ) 關(guān)鍵詞 管道對接焊縫 機器人 斜角探傷 超聲檢測 l a b w i n d o w s c v i t c p i p 研究類型 應(yīng)用研究 s u b j e c t r e s e a r c ho nu l t r a s o n i ct e s t i n gr o b o tf o rp i p e l i n eg i r t hw e l d s s p e c i a l t y m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e m ax i a n g l i n g i n s t r u c t o r m ah o n g w e i a b s t r a c t s i g n a t u r e 叢聳曲 s i g n a t u r e i t sv e r yi m p o r t a n tt oc o n t r o lq u a l i t yo fp i p e l i n eg i r t hw e l d si nb u i l d i n ga n du s i n g t r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e a sa m a i nm e t h o do fn d t n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g u t u l t r a s o n i c t e s t i n g h a sb e e nw i d e l yu s e dt oc o n t r o lt h eq u a l i t yo fp r o d u c t i ni n d u s t r ya n dt oi n s p e c tt h e e q u i p m e n to ns e r v i c e e s p e c i a l l yh a st h ei m p o r t a n tf u n c t i o ni ni n s p e c t i n gp i p e l i n e sg i r t h w e l d s a n di sa d o p t e db ym a n yc o u n t r i e s t h et r a d i t i o n a lu ts y s t e mh a ss o m ed i s a d v a n t a g e s s u c ha sl o wi n s p e c t i v ee f f i c i e n c y d i f f i c u l t yt oe v a l u a t ed e f e c t sa n ds oo n s oi th a sg r e a t s i g n i f i c a n c et od e s i g na n dd e v e l o pa na u t o m a t i cu tt e s t i n gr o b o tf o rp i p e l i n eg i r t hw e l d s i nv i r t u eo ft h et e c h n o l o g i e ss u c ha sc o m p u t e r n c p r e c i s em a c h i n e r ya n dm i c r o m o t o r d r i v ea n ds oo n t a k i n gp ca st h ec o r eo fs y s t e m t a k i n ga na d v a n c e dd i g i t a lu l t r a s o n i cf l a w d e t e c t o ra sb a s e t a k i n gv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns t r u c t u r ea ss o f t w a r ep l a t f o r m ar o b o ts y s t e m o fa u t o m a t i cu t t e s t i n gf o rp i p e l i n eg i r t hw e l d sh a sb e e nd e v e l o p e d t h ed i g i t a l a u t o m a t i o n a n dp i c t u r i z a t i o no fu l t r a s o n i ct e s t i n ga r er e a l i z e d a n dt h ef o u n d a t i o nf o ri m p r o v i n gt h e r e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo fu t i se s t a b l i s h e d t h ec o l l e c t i v i t yd e s i g no fr o b o ti sc o m p l e t e d t h ep r o b ec l i pi sd e v e l o p e d w h i c hh a s r e a l i z e da d a p t i v ec o n t a c tb e t w e e np r o b ea n dp i p e l i n e t h es t e p m o t o rt r a n s m i s s i o ns y s t e m w h i c hh a sg r e a td e c e l e r a t i o nr a t i oi sd e v e l o p e d w h i c hh a ss a t i s f i e dt h er e q u i r e dp o w e ro f r o b o tw h e ni tm a k e sc i r c l em o t i o na l o n gp i p e l i n e u s i n gc o m p u t e ri oi n t e r f a c ea n ds e r i a l c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s t h r o u g h t h er s 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o ni n l a b w i n d o w s c v i c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e ni n d u s t r i a lc o m p u t e ra n ds t c 8 9 c 5 1s c mi s a c h i e v e d s ot h a te f f e c t i v e l yc o n t r o l l i n gt h er o b o t t h ec i r c l em o t i o na n da x e sd i r e c t i o n m o t i o na l o n gp i p e l i n ea r er e a l i z e d s o p r o b es c a n n i n gw a yo fh a c k l eo rr e c t a n g l ef o rw e l d i n g l i n eh a sa c h i e v e d u s i n ga c t i v e xt e c h n o l o g y i n t e r f a c eb e t w e e nt h el a b w i n d o w s c v ia n do f f i c ew o r d s o f t w a r ei ss o l v e d a n dt h et e s tr e p o r tc a nb eg e n e r a t e da n dp r i n t e d t h ep l a t f o r mo fb e v e l u l t r a s o n i ct e s t i n gf o rt h ep i p e l i n ew e l di se s t a b l i s h e d t h r o u g hr e s e a r c h i n go nt h ek e y t e c h n o l o g ya n ds o f t w a r er e a l i z e dm e t h o do fa u t o m a t i o ns c a n n i n gi m a g i n g t od i s p l a yt h e u l t r a s o n i ca s c a n b s c a no ft h et y p i c a ld e f e c t so ft h ep i p e l i n eb yp s e u d o c o l o ra n dg r a y s c a l e m o d e li ss u c c e s s f u l l ya c h i e v e d t h r o u g hf i l t e r i n gd e n o i s i n gf o ru l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o n s i g n a l e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n di m p a c to fp o i n tn o i s ea l ei n h i b i t e de f f e c t i v e l y t h e b e v e lt e s t i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h em a n u a lf l a wi se s t a b l i s h e d a n do r i e n t a t i o na n a l y s e f o rt h ef l a wi sa c h i e v e d a i lo ft h e s eh a v ee s t a b l i s h e dt h ef o u n d a t i o nf o rs t u d y i n gf u r t h e rt h e d i g i t a l p i c t u r i z a t i o n a n di n t e l l i g e n t i z e do ft r a n s v e r s ew a v et e s t i n g k e y w o r d s p i p e l i n eg i r t h w e l d sr o b o tb e v e ld e t e c t i n gu l t r a s o n i ct e s t i n g l a b w i n d o w s c v i t c p i p t h e s i s a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿料技史學(xué) 學(xué)位論文獨創(chuàng)性說明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作 及其取得研究成果 盡我所知 除了文中加以標(biāo)注和致謝的地方外 論文中不 包含其他人或集體已經(jīng)公開發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得西安科 技大學(xué)或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料 與我一同工作的同志對 本研究所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意 一 學(xué)位論文作者簽名 搟 日期 d g 紅p 學(xué)位論文知識產(chǎn)權(quán)聲明書 本人完全了解學(xué)校有關(guān)保護知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)定 即 研究生在校攻讀學(xué)位期 間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬于西安科技大學(xué) 學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部 門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 本人允許論文被查閱和借閱 學(xué)?？梢?將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索 可以采用影印 縮 印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文 同時本人保證 畢業(yè)后結(jié)合學(xué)位 論文研究課題再撰寫的文章一律注明作者單位為西安科技大學(xué) 保密論文待解密后適用本聲明 學(xué)位論文作者簽名 刪 指導(dǎo)教師簽轢 b 彥 矽 略年年月 o 日 1 緒論 1 1 管道焊縫檢測的發(fā)展 1 緒論 長輸管道的任務(wù)是遠距離輸送液體或氣體產(chǎn)品 目日仃 世界各困石油及天然氣長輸 管道總長度為2 0 0 多萬公里 我團長輸管道總長約2 萬公罩 其中輸油管道約1 萬公里 輸 i 管道約0 7 萬里 還有少量的礦漿管道 國家重點工程 西氣東輸 工程 主管 道投資3 8 4 億元 豐管線和城市管網(wǎng)投資將突破1 0 0 0 億元 隨著國內(nèi)經(jīng)濟的快速發(fā)展 對石油和天然氣等能源的需求在不斷加大 國家還將陸續(xù)建設(shè) 批能源干線 2 1 1 3 1 特別是 用于運輸原油 天然乒e 成品油等介質(zhì)的長輸管道在今后短時期內(nèi)將會有很大發(fā)展 4 j 管道焊接是長輸管道實現(xiàn)的必然步驟 那么管道的焊接質(zhì)黽就直接決定了管道的運 行質(zhì)量1 5j 按照美國的估算 兇焊接接頭失效引起的經(jīng)濟損失高達國民生產(chǎn)總值的5 美國僅在1 9 8 6 2 0 0 0 年期問 天然氣管道就發(fā)生事故1 1 8 1 起 造成了5 5 人死亡 2 1 0 人受傷 j 計財產(chǎn)損失約2 5 億美元 最近幾年 俄羅斯 巴基斯坦 阿根廷 加拿大 等圍家也有管道斷裂事故的報道 6j 據(jù)不完令統(tǒng)計 國內(nèi)油氣管道事故發(fā)生概率是國外 經(jīng)濟發(fā)達國家的5 1 0 倍 根本原因就是沒有進行可靠嚴(yán)格的檢測和監(jiān)測 因此 如何 保證含有焊接構(gòu)件裝置的運行安全就成為一個極富有挑戰(zhàn)性的課題 這要從制造 到投 產(chǎn)進而走向退役的整個工程中的每一個環(huán)節(jié)做起 分析潛在的失效影響因素 開發(fā)出有 效而可靠的檢測技術(shù) 達到早期預(yù)報可能發(fā)牛潛在事故的體制 進而促進焊接工程構(gòu)件 安全運行的目的i7 1 如果沒有及時發(fā)現(xiàn)這些缺陷并準(zhǔn)確判斷缺陷的危害性 帶來的經(jīng)濟 損失是巨大的 甚至是不可挽網(wǎng)的峭j 因此 研究管道焊縫檢測自動化技術(shù) 提高檢測 的可靠性和自動化程度 加強在建和在役運輸管道的蛉測和檢測 對于保障人民生命和 國家財產(chǎn)的安全具有重要意義 管道焊接是在組對管道端面坡口處形成冶會連接即焊縫的過程 圖1 1 為管道組對 實物圖 焊縫質(zhì)量是衡量管道焊接是否合格的唯一 標(biāo)準(zhǔn)1 9 j 焊縫檢測方法有多種 其中無損檢測技術(shù) n d t 是一種理想的方法 它就是在不破壞物體的 前提下 檢查物體宏觀缺陷或測量工件特征的各種 技術(shù)方法的統(tǒng)稱 可以直接在現(xiàn)場進行檢驗 而且 效率高 目前 工業(yè)上常用的無損檢測方法主要包 括磁粉檢測 p t 滲透檢測 m t 渦流檢測 e t 超聲檢測 u t 射線檢測 r t 5 種 前三種方法 主要是針對被檢物的表面及近表面的缺陷 后兩種 圖1 1 管道組對實物圖 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 主要是針對被檢物內(nèi)部的缺吲1 0 1 是最為常用的管道環(huán)焊縫檢測方法 按照常規(guī)的檢驗 方法 石油天然氣長輸鋼質(zhì)管道對接焊縫主要采用x 射線膠片照相探傷 此方法雖比較直 觀 但需耗用大量x 光膠片 檢驗周期長 勞動量大 貼片 拍片 洗片工序復(fù)雜 且 管道施工多在野外 給拍片和洗片帶來更大困難 l l l2 1 而且對人體有輻射危害 超聲無 損檢測與其它常規(guī)技術(shù)相比 它具有被測對象范圍廣 檢測深度大 缺陷定位準(zhǔn)確 檢 測靈敏度高 成本低 使用方便 速度快 對人體無害及便于現(xiàn)場檢測等優(yōu)點 幾十年 來 超聲無損檢測已得到了巨大發(fā)展和廣泛應(yīng)用 幾乎應(yīng)用到所有工業(yè)部門 已成為材 料或結(jié)構(gòu)的無損檢測最常用的手段u 引 超聲檢測相對射線檢測用于檢測某些焊縫缺陷的 優(yōu)勢為人所知已很多年了 l4 1 所以是最有開發(fā)前景的無損檢測方法 最突出的例子是美 國6 0 0 家電力公司下屬的1 0 0 0 0 多家電廠 目前生產(chǎn)中保證安全運行的主要無損檢測手 段是超聲檢測 這樣作不但能保證產(chǎn)品質(zhì)量 而且能降低成本 據(jù)說為了提高超聲檢測 的可靠性 多年來美國先后投入了數(shù)千萬美元 而其收益可達到數(shù)十億美元 7 國外對管道的檢測始于2 0 世紀(jì)2 0 年代 對管道無損檢測系統(tǒng)的研究開發(fā)已有多年 歷史 管道檢測最早只限于在管道外部對焊縫進行檢測 自澳大利亞開發(fā)出纖維型焊條 的手工電弧焊并用于管道的焊接時 對管道焊縫質(zhì)量的檢測就開始了 當(dāng)時的射線成像 技術(shù)有一定發(fā)展 用于管道焊縫檢測得x 射線機和y 射線機也相繼研制成功 于是射線 檢測技術(shù)最先用于管道焊縫檢測 但這種靠檢測人員手持射線機對焊縫進行檢測的方法 準(zhǔn)確率很低 檢測的精度和可靠性受到檢測人員技術(shù)水平和經(jīng)驗的影響 檢測人員勞動 強度大 且受射線的傷害 后來 人們開發(fā)了半自動化 自動化的管道檢測爬行器來代 替檢測人員的手工檢測 l5 1 9 5 9 年 荷蘭的r t d 作為自動超聲檢測工業(yè)應(yīng)用的先驅(qū) 研制成功 r o t o s c a n 系統(tǒng) 三個探頭可以同時對焊縫中縱 橫各種裂紋進行檢測 但 是手工操作難以排除焊角假發(fā)射的干擾 缺陷波反射不易分辨的限制和手工焊縫的本身 缺陷的不可控因素等方面問題成為阻礙手工焊縫的自動化檢測的關(guān)鍵 隨著管道自動焊 接技術(shù)的研究與應(yīng)用 焊縫檢測的自動化技術(shù)迅速發(fā)展 當(dāng)時有名的自動焊接系統(tǒng)如美 國的c r c 荷蘭的v e r m a t 法國的s e r i m e 等 1 9 7 1 年t o n yr i c h a r d s o n 設(shè)計出首臺針對 c r c 系統(tǒng)自動焊縫的超聲檢測系統(tǒng) 2 0 世紀(jì)8 0 年代中期 聚焦探頭 數(shù)字化超聲波探 傷儀等方面迅速發(fā)展 提高了信噪比 并且e c a e n g i n e e r i n gc r i t i a l a s s e s s m e n t 一一種把 超聲結(jié)果和裂紋力學(xué)性能聯(lián)系起來的觀點得到重視 這種在管道對接焊縫自動超聲檢測 中把焊縫分成數(shù)個區(qū)域的觀念 不僅可以給出裂紋的尺寸 而且便于在計算機顯示中識 別不同的區(qū)域 s g s 公司e h g o t t f e l d 和h e i n e 德國 兩人于1 9 9 2 年承接開發(fā)的m i p a m u l t i p l e i m m e r s i o np r o b ea r r a y 是一種典型的快速自動檢測手工或自動焊接的管道對接焊縫自動 超聲檢測系統(tǒng)l l 引 m i p a 采用了水浸探頭消除了與被檢管道相關(guān)的難題 特殊設(shè)計的探 頭夾持器有效減小了管道表面狀態(tài)對入射角的影響 從而增強了檢測薄壁管道時的 近 2 1 緒論 區(qū) 限制 加拿人足現(xiàn)今1 廿界卜使用自動超聲檢測控制管道焊縫建設(shè)質(zhì)昆較成熟的國家 7j 加 拿人2 0 世紀(jì)8 年代就在管道工 譬建設(shè)中廣泛使用超聲無損槍測方法 并且已經(jīng)把自動 超聲檢測作為射線檢測替代方法使用 1 9 9 3 年 t r a n sc a n a d ap i p e l i n e sl t d t c p l 一力 拿大最大的管道公刊 把臼動超聲檢測作為主要的無損檢測方法用于管道建設(shè)中的自動 焊縫檢測 利用t o f d t i m eo ff l i g h td i f f r a c t i o n 技術(shù) 系統(tǒng)的檢測精度可以達到0 1 m m 0 2m m 同年 t c p l 針劉 管道對接焊縫的檢測制定了千h 天的食業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 住t c p l 的推動卜 超盧檢測系統(tǒng)的i j 靠性 檢測速度和系統(tǒng)的評價能力得到了很大提高 1 9 9 7 年 改進的t c p l 檢測系統(tǒng)用于大口徑管道手i 對接焊縫的檢測 進入2 0f u 紀(jì)9 0 年代 j 動超聲榆測技術(shù)與計算機聯(lián)系更加緊密 各種智能檢測機 器人不斷涌現(xiàn) 形成了機器人檢測的新時代及工程檢測機器人的系列化與商業(yè)市場 1 8 j 1 9 1 1 2 圳 二j 本東京煤氣公司的蜘蛛型機器人 移動速度約6 0 m h 重約l4 0 k g 采用16 i 超聲探頭可以塒運jj 二狀態(tài)卜 的球罐上仟意點半標(biāo)位置進行掃描 1 2 國內(nèi)外焊縫自動檢測裝置的發(fā)展動態(tài) 聞內(nèi)外已經(jīng)丌發(fā)出各種焊接檢測機器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境l 實現(xiàn)預(yù)定軌跡運動 自動定 位 i f 艮蹤焊縫等智能化功能 1 2 1 國外焊縫自動檢測裝置的發(fā)展動態(tài) f l 侄2 0 世紀(jì)6 0 年代 管道超聲檢測技術(shù)主要用于在工廠對管道長焊縫或蝶旋焊縫 進行檢測 檢測力 式也不只局限于a 掃描 b 掃描 cj 1 描以及混合 j 描的檢測方式也 相繼出現(xiàn) 荷蘭的r t d b v 作為應(yīng)用超聲白動檢測管道環(huán)焊縫的先驅(qū) 研制成功用j i 管 道行業(yè)的r o t o s c a n 檢測系統(tǒng) 爬行器 但其尢法避免自身的相互干涉 1 川 1 9 6 6 年同本 大阪府立大學(xué)i 學(xué)部任講師的西亮 就利用電風(fēng)扇進7e 側(cè)低壓窄氣產(chǎn) 上的負(fù)壓作為吸附 力制作了一臺垂直擘面移動機器人的原理樣機 一一 j 羔 2 1 1 此后的幾十年單 爬蹙機器人技術(shù)在世界范 多 爸 磐 j 一7 i 圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展 例如 同本成用技術(shù)研究 q 70 辮了 成文7 所研制出了車輪式吸附爬壁機器人 如圖1 2 所 度二 曩群寫 7 i 卜 示 它可以吸附在各種大型構(gòu)件物壁面 代替人8 i 杖 進行檢查或修理等作業(yè) 22 1 月 麥f o r c e 研究所研臻防5 i 1 婷 制了一系列輕便機器人 該機器人凈重1 0 k g 采 一 一 一 用磁吸附式與預(yù)置磁條跟蹤方式可檢測各類大型 圖i 2 車輪式磁吸附爬墻機器人 儲罐與船體焊縫 2 1l 加拿大是世界上應(yīng)用自動超聲檢測技術(shù)來控制管道鋪設(shè)過程中 焊縫質(zhì)量比較成熟的幽烈陽j 加拿大2 0l t j f g8 0 年代就在管道鋪設(shè)1 程中廣泛使用超聲 3 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 檢測方法 并且已經(jīng)把自動超聲檢測作為射線檢測的替代方法使用 國外對管道焊縫檢 測研究多年 技術(shù)較成熟 并已經(jīng)有系列產(chǎn)品出售 日本n k k 公司研制的機器人借助 管道內(nèi)液體推力f i 進 可以測量輸油管道腐蝕狀況 其檢測精度小于l m m 丹麥f o r c e 研究所的爬壁機器人 重約l o k g 采用磁吸附與預(yù)置磁條跟蹤方式可檢測各類大型儲管 與船體 2 0 0 0 年w c n d t 會議上展示的意大利航空公司的超聲波自動檢測裝置更是采用了 c a d 或c a t i a 計算機增強的三維交互作用設(shè)計 技術(shù) 掃描裝置是計算機控制的五維 操縱器 可以將換能器置于任意形狀結(jié)構(gòu)需要探測的位置 2 3 2 4 典型的環(huán)焊縫檢測設(shè)備 如法國i n t e r c o n t r o l l 公司的m i s 機 美國p a c i f i cg a sa n de l a s t i c 公司的輕便機以及加拿 大r d t e c h 公司的多通道 聲聚焦 分區(qū)掃查的全自動超聲波檢測系統(tǒng) 但是國外設(shè)備 價格昂貴 技術(shù)保密 使得售后服務(wù)問題難以得到及時有效的解決 2 3 1 2 2 國內(nèi)焊縫自動檢測裝置的發(fā)展動態(tài) 在自動超聲檢測方法方面 目前 國內(nèi)工礦企業(yè)及研究單位普遍采用的焊縫超聲檢 測方法實際上大多停留在超聲探傷階段 人們只利用了超聲波形數(shù)據(jù)中的一小部分 然 后人為判斷缺陷的性質(zhì) 大小等 這種檢測和分析的結(jié)果容易因檢測人員自身理論分析 水平和實踐經(jīng)驗的不同而產(chǎn)生差異 且檢測效率低 可靠性難以保證 25 在國內(nèi) 實際工業(yè)應(yīng)用的自動檢測裝置主要是 射線類管道爬行器 如中國石油天然氣管道第一公 司1 9 9 7 年研制成功的首臺y 射線管道內(nèi)爬行器 并 已通過局級鑒定 達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平 并在此基o 一 礎(chǔ)上開發(fā)研制了x 射線管道爬行裂2 6 盤錦北方無 j 7 損檢測公司首家獨立研制成功y x 射線兩用管道 鼉 爬行器 填補國內(nèi)空白 并且首次將國產(chǎn)x 射線管 i 道爬行器推向國外 完全取代了進口產(chǎn)品 北方交 通大學(xué)研制的球罐焊縫超聲檢測自動爬行器及 n y l 0 2 便攜式超聲波p 掃描成像系統(tǒng)提高了對缺陷 定位定量的精度 且有利于定性分析叨 1 9 8 8 年 圖1 3 管道超聲檢測掃查器 哈爾濱工業(yè)大學(xué)率先從事爬壁機器人的研究 2 8 1 到目前上海交通大學(xué) 清華大學(xué)精密儀 器系機器人及其自動化研究室 北京航空航天大學(xué) 清華大學(xué)機械系 上海大學(xué) 重慶 大學(xué) 南昌大學(xué) 長春光電學(xué)院等科研院所致力于相關(guān)方面的研究 并已取得豐碩的成 果 但投入使用中的國內(nèi)產(chǎn)品還很少 大部分企業(yè)單位檢測裝置還是依靠進口 如圖1 3 所示 它將內(nèi)齒板拼接成一個大的內(nèi)齒輪固定在管道上 掃查器主機通過齒輪傳動在管 道的圓周上移動 這種固定和移動方式可以很好的滿足精度要求 但是能檢測的管徑范 圍很小 裝卸時間長 為了提高掃查裝置的適用性 研制使用方便適應(yīng)性廣的掃查器勢 4 1 緒論 在必行 2 自1 9 9 9 年1 2 月起 管道科學(xué)研究院等單位申請了 大i s i 徑環(huán)焊縫相控陣超 聲波無損檢測設(shè)備研制 科技開發(fā)項目 并于2 0 0 3 年通過了鑒定 該設(shè)備達到了國外 同類產(chǎn)品的技術(shù)水平 2 9 在西氣東輸管道工程中 工作人員在短短2 個月內(nèi)掌握了國際 上最先進 國內(nèi)空白的全自動超聲波檢測 a u t 技術(shù) 開創(chuàng)了國內(nèi)管道工程史上的先 例 砌 1 3 超聲檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢 超聲無損檢測技術(shù)在焊縫檢測中的應(yīng)用增多是由超聲檢測諸多優(yōu)點及超聲自動檢 測相關(guān)技術(shù)日益成熟決定的 常規(guī)無損檢測方法中只有射線和超聲檢測方法適合于整體 缺陷的檢測 同時超聲檢測對裂紋的檢出靈敏度比射線檢測高的多 1 8 圖1 4 為射線與 超聲兩種無損檢測方法檢測裂紋時的 缺陷檢出率對比 對于焊縫中的危險 缺陷一裂紋 未焊透 尤其是微裂紋 黎 和輕微未焊透 用超聲波探傷比其他 褥 幾種常規(guī)無損檢測方法更容易 而且 基 超聲波儀器簡單 檢查速度快 因此 囂 近年來為各國所廣泛采用 6 超聲無損檢測技術(shù)是國內(nèi)外應(yīng)用 最廣泛 使用頻率最高且發(fā)展較快的 垂 一種無損檢測技術(shù) 有關(guān)資料表明 國外每年大約發(fā)表3 0 0 0 篇涉及無損 襞絞疑緩 糯 圖1 4 射線與超盧檢測裂紋檢出率的對比 檢測的文獻資料 全部文獻資料中有關(guān)超聲無損檢測的內(nèi)容約占4 5 2 0 0 0 年1 0 月在 羅馬召開的第十五屆世界無損檢測會議 w c n d t 收錄的6 6 3 篇論文中 超聲檢測就占 2 5 0 篇 2 3 1 近年來 隨著以計算機技術(shù)為具體體現(xiàn)的信息技術(shù)的突飛猛進 為超聲檢測技術(shù)進 一步發(fā)展提供了廣闊的空間 在超聲檢測研究與應(yīng)用方面有如下趨向 1 向高準(zhǔn)確度 高可靠性方向發(fā)展 3 1 3 2 j 2 0 世紀(jì)7 0 年代以來 超聲檢測的數(shù) 字化 自動化 智能化和圖像化成為超聲無損檢測技術(shù)研究的熱點 近年來 隨著超聲 傳感器技術(shù) 電子技術(shù) 自動控制技術(shù) 計算機技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)代無損檢測技術(shù)已經(jīng)進 入到以計算機控制為主的信息加工時代 表現(xiàn)在生產(chǎn)過程實時監(jiān)控和產(chǎn)品運行過程的監(jiān) 督 如對軋鋼的生產(chǎn)線的監(jiān)控 對涂有各種厚度的防腐材料和保溫層的工程檢測技術(shù) 能自動掃描 自動定位與跟蹤檢測對象的各種檢測機器人 對人工智能技術(shù) 如模式識 別 專家系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等 及計算機模擬仿真技術(shù)在缺陷自動識別中的應(yīng)用的深 入研究等 國外工業(yè)發(fā)達國家的無損檢測技術(shù)己逐步從n d i 和n d t 向n d e 過渡 超 5 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 聲無損探傷 n d i 是初級階段 它的作用僅僅是在不損害零部件的前提下 發(fā)現(xiàn)其人眼 不可見的內(nèi)部缺陷 以滿足工業(yè)設(shè)計中的強度要求 超聲無損評價 n d e 是超聲檢測發(fā) 展的最高境界 不但要探測缺陷的有無 還要給出材質(zhì)的定量評價 也包括對材料和缺 陷的物理和力學(xué)性能的檢測及其評價 2 超聲成像技術(shù) 3 3 1 3 4 在現(xiàn)代無損檢測技術(shù)中 是一種令人矚目的新技術(shù) 超 聲圖像可以提供直觀和大量的信息 直接反映物體的聲學(xué)和力學(xué)性質(zhì) 有著非常廣闊的 發(fā)展前景 數(shù)據(jù)采集技術(shù) 圖像重建技術(shù) 自動化和智能化技術(shù)以及超聲成像系統(tǒng)的性 能價格比等發(fā)展直接影響超聲檢測圖像化的進程 現(xiàn)代超聲成像技術(shù)大多有自動化和智 能化的特點 因而有許多優(yōu)點 如檢測的一致性好 可靠性 重現(xiàn)性高 存儲的檢測結(jié) 果可隨時調(diào)用 并可以對歷次檢測的結(jié)果自動比較 以對缺陷做動態(tài)檢測等 總之 超 聲成像技術(shù)克服了傳統(tǒng)超聲檢測不直觀 判傷難 無記錄的缺陷 減少了檢測中人為干 擾 有效地提高無損檢測的可靠性 是定量無損檢測的重要工具 目前已經(jīng)使用和正在開發(fā)的成像技術(shù)包括 超聲b 掃描成像 超聲c 掃描成像 超聲d 掃描成像 a l o k 德文 振幅一傳播時間一位置曲線 的縮寫 成像 s a f t 合 成孔徑聚焦 成像 p 掃描成像 超聲全息成像 超聲c t 成像等技術(shù) 3 超聲檢測儀器的應(yīng)用與發(fā)展 35 超聲檢測儀器性能直接影響超聲檢測的可靠性 其發(fā)展與電子技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展是息息相關(guān)的 計算機技術(shù)的應(yīng)用 一方面提高了 設(shè)備的抗干擾能力 另一方面利用計算機的運算功能 實現(xiàn)了對缺陷信號的定量 自動 讀數(shù) 自動識別 自動補償和報警 2 0 世紀(jì)8 0 年代 新一代的超聲檢測儀器一數(shù)字化 智能化超聲儀問世 標(biāo)志著超聲檢測儀器進入了一個新時代 超聲無損檢測儀器將向數(shù) 字化 智能化 圖像化 小型化和多功能化發(fā)展 在第十三 十四屆世界無損檢測會議 儀器展覽會 1 9 9 6 年中國國際質(zhì)量控制技術(shù)與測試儀器展覽會 1 9 9 7 年同木無損檢測 展覽會等大型國際會議會展中 數(shù)字化 智能化 圖像化超聲儀最引人注目 其中以德 國k r a u t r a m e r 公司 美國p a n a m e t r i c s 公司 丹麥f o r c ei n s t i t u t e s 公司與美國p a c 公司 的產(chǎn)品最具代表性 顯示了當(dāng)今世界無損檢測儀器的發(fā)展趨勢 另外提高超聲檢測中對 缺陷的定位 定量和定性的可靠性也是超聲檢測儀器實現(xiàn)數(shù)字化 智能化急待解決的關(guān) 鍵技術(shù)問題 電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展為研制高度智能化的無損檢測儀器奠定了良好 基礎(chǔ) 未來的超聲檢測儀器應(yīng)具有以下特征 1 檢測智能化與缺陷信號圖像化 未來的超聲檢測儀器應(yīng)該是高度智能化的 且檢測結(jié)果可用圖像直觀顯示 具有良好的用戶界面 能開機后自檢 可以菜單設(shè)定儀 器測試參數(shù) 探傷工藝 并可與別的處理機進行通訊 對超聲信號數(shù)字化后 進行數(shù)據(jù) 的后繼處理 如成像 分析 評價等 對采集的數(shù)據(jù)可以以波形或多種圖像方式顯示 2 模塊化和插卡化 研制各種超聲檢測卡 借助高速 高容量計算機 無損檢 6 1 緒論 測儀器的研制變得十分容易 3 數(shù)據(jù)庫和自動識別功能 未來超聲儀器最重要的進步是對被檢對象進行自動 識別以及自動評價的功能 故要有比較完備的數(shù)據(jù)庫和專家評判系統(tǒng) 4 自動化和機器人化 它將具有高的檢測效率 可在惡劣的工作條件下完成檢 測任務(wù) 1 4 本課題研究的意義和內(nèi)容 1 4 1 研究的意義 國內(nèi)管道的各種智能超聲波檢測機器人仍處于研究中 成熟的產(chǎn)品尚未開發(fā)出來 盡管某些科研單位研制出了幾種功能樣機 還不能滿足工程檢測的實際需求 而國外同 類產(chǎn)品價格相當(dāng)昂貴 并對我國實行技術(shù)封鎖 因此 國內(nèi)科研機構(gòu)對管道超聲波檢測 機器人加大研究力度 研制開發(fā)出自己的超聲波智能檢測機器人才是唯一出路幽j 隨著計算機技術(shù) 電子技術(shù)的發(fā)展 數(shù)字化的超聲檢測儀器得到了長足的發(fā)展 改變 了傳統(tǒng)超聲檢測的諸多不足 以計算機軟硬件為基礎(chǔ)發(fā)展的虛擬儀器技術(shù) 實現(xiàn)了儀器 技術(shù)的突破性變化 3 酬 隨著對檢測性能要求的逐步提高 目前在國內(nèi)小型數(shù)字化檢測設(shè) 備尚不成熟的形式下 許多設(shè)備都從國外進口 設(shè)備價格昂貴 即使國內(nèi)能生產(chǎn)自己的 檢測設(shè)備 功能也非常單一 設(shè)備之間的數(shù)據(jù)無法共享 3 7 j 而虛擬儀器技術(shù)是建立在微 電子技術(shù) 計算機技術(shù) 軟件技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 電子測量技術(shù)等基礎(chǔ)上1 3 引的自動測試技 術(shù) 具有功能化 模塊化 數(shù)據(jù)共享 體積小等優(yōu)點 使得軟件部分代替了傳統(tǒng)意義上 的儀器功能 實現(xiàn)了儀器的可視化 柔性化 人性化 大大提高了儀器的性能價格比 檢測精度和可靠性 3 9 1 綜上所述 開發(fā)一套基于虛擬儀器技術(shù)管道對接焊縫自動超聲檢 測機器人系統(tǒng)具有重大的意義 1 4 2 主要研究內(nèi)容 本課題以長距離輸送管道對接焊縫為檢測對象 在實驗室已有的管道對接焊縫自動 檢測裝置的基礎(chǔ)上 研制基于p c 的管道自動超聲檢測機器人系統(tǒng) 主要完成如下工作 1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 經(jīng)過對管道超聲檢測條件的分析和確定 確定系統(tǒng)總體 方案 2 已有檢測機械裝置進行結(jié)構(gòu)改進設(shè)計并加工 對爬行驅(qū)動部分結(jié)構(gòu)改進以實 現(xiàn)檢測機器人可以沿管道作圓周方向運動 對掃描驅(qū)動部分結(jié)構(gòu)改進設(shè)計以實現(xiàn)探頭軸 向掃描的功能 設(shè)計浮動探頭夾持器 以實現(xiàn)探頭與管道的自適應(yīng)耦合 3 機電控制系統(tǒng)設(shè)計 設(shè)計檢測系統(tǒng)機電控制部分 完成機器人的控制 滿足控 制精度 實現(xiàn)對管道對接焊縫進行超聲檢測的自動化 智能化 為缺陷超聲信號的圖像 7 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 化奠定基礎(chǔ) 4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 開發(fā)基于t c p i p 協(xié)議的超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 實現(xiàn)與數(shù)字 探傷儀的網(wǎng)絡(luò)通訊 采集超聲探傷回波信號 5 系統(tǒng)軟件包設(shè)計 開發(fā)基于虛擬儀器的管道對接焊縫自動檢測系統(tǒng)軟件 實 現(xiàn)超聲自動掃描和數(shù)字化成像 對超聲檢測的a b 掃描控制 超聲缺陷信號圖像顯示 采集超聲信號的去噪處理 超聲圖像 數(shù)據(jù)進行存儲以及探傷報告生成與輸出等功能 6 試驗與分析 對人工缺陷進行檢測 建立橫波檢測的數(shù)學(xué)模型 對缺陷進行 定位分析 8 2 管道對接焊縫超聲檢測機器總體設(shè)計 2 管道對接焊縫超聲檢測機器人總體設(shè)計 2 1 引言 系統(tǒng)總體設(shè)計方案的確定是構(gòu)建超聲檢測機器人系統(tǒng)的關(guān)鍵 管道對接焊縫超聲檢 測機器人受超聲探傷儀 超聲探頭 耦合劑類型 工件表面質(zhì)量 缺陷自身特性 管道 檢測設(shè)備 缺陷回波信號采集與處理設(shè)備以及軟件環(huán)境等多方面因素影響 本章簡要分 析各方面影響因素 確定系統(tǒng)總體方案 構(gòu)建檢測機器人控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 2 2 焊縫超聲檢測關(guān)鍵技術(shù)分析 3 9 4 0 選擇不同的超聲檢測方法 儀器和探頭對管道超聲檢測機器人系統(tǒng)性能的影響不 同 對管道超聲檢測機器人功能以及檢測速度的要求不同 下面主要對影響管道焊縫超 聲檢測機器人設(shè)計的條件進行分析 2 2 1 脈沖反射法 脈沖反射法是根據(jù)缺陷及底面反射信號的有無 反射信號幅度的高低及其反射訊號 在熒光屏上的位置來判斷有無缺陷 缺陷大小以及缺陷的深度 是目前運用最廣泛的一 種超聲波探傷法 采用脈沖發(fā)射法超聲波探傷原理 脈沖波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻脈沖 發(fā)射波 加在 探頭和放大器上 激勵壓電晶片振動 使之產(chǎn)生超聲波 超聲波以一定的速度向工件內(nèi) 部傳播 一部分聲波遇到缺陷 f 時反射回來 另一部分聲波繼續(xù)傳至工件底面 b 后 也反射回來 由缺陷和底面反射回來的聲波被探頭接收時 又變成電脈沖波 發(fā)射 波 t 缺陷波 f 及底波 b 經(jīng)放大后 在熒光屏上顯示 熒光屏上的水平亮線 為掃描線 時間基線 其長度與時間成正比 由發(fā)射波 缺陷波及底波在掃描線上的 位置 即可求出缺陷的位置 如圖 2 1 所示 圖2 1 脈沖反射法的原理示意圖 9 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 這種方法可分為直接接觸縱波脈沖反射法和斜角探傷兩大類 如圖 2 2 所示 縱 波探傷主要能發(fā)現(xiàn)和探測面平行或較大的稍有傾斜的缺陷 而難于發(fā)現(xiàn)垂直探測面或相 對探測面斜度較大的缺陷 橫波探傷對這類缺陷比較敏感 特別是檢查類似于表面張口 的裂紋缺陷 此外 縱波要求工件有規(guī)則的幾何形狀 橫波探傷在這方面就要求低些 對管道對接焊縫 鋼結(jié)構(gòu)件焊縫等都采用橫波探傷 a 直接接觸縱波一次脈沖反射法 斜探頭 b 直接接觸縱波多次脈沖反射法 斜探頭 c 單斜探頭法 d 雙斜探頭法 e 雙斜探頭法 圖2 2 脈沖反射探傷方法 2 2 2 焊縫的斜角探傷 焊縫探傷中 由于焊縫加強高的影響及焊縫中存在的缺陷往往是與探測面形成一定 角度或垂直 所以在一般情況下采用超聲波傾斜入射到工件內(nèi)部的斜角探傷法 1 斜角探傷各參數(shù)之間的關(guān)系為了正確調(diào)整探傷儀中的時間掃描線和確定缺陷 位置 需要了解斜角探傷時各參數(shù)之間的關(guān)系 斜角探傷原理示意圖見圖2 3 其中萬 為板厚 夕為斜探頭折射角 聲束軸線與探測面法線的夾角 聲程為舅探頭入射點p 到板厚6 的水平距離為尸 在直角a a o b 中 a b 萬 a o s b o p o 探頭的k 值為 k i t g p 去 1 0 2 1 2 管道對接焊縫超聲檢測機器總體設(shè)計 根據(jù)三角函數(shù)得出其它常用的三角關(guān)系式 p s s i n f l 萬 s c o s f l s 萬 而 j l c 0 s8 2 p 2 8 t g 2 6 k 2 2 2 3 2 4 2 5 圖2 3 斜角探傷原理示意圖 2 橫波探傷由于焊縫表面凹凸不平以及焊縫中危害性缺陷 如 氣孔 夾渣 未溶合 未焊透和裂紋等 多與焊縫表面垂直 故超聲波探測時 主要采用傾斜入射的 橫波探傷 為了在試件中獲得單一的橫波波型 要求縱波的入射角必須在第一臨界角和 第二臨界角之間 如果透聲斜楔采用有機玻璃制作 縱波聲速為2 7 3 0 m s 被檢試件為 鋼 縱波聲速為5 9 0 0 m s 橫波聲速為3 2 3 0 m s 則第一臨界角為口 2 7 6 0 口 5 7 7 0 實用的折射角范圍在3 8 8 0 之間 利用這種方式產(chǎn)生和接收橫波的探頭長稱為 斜探 頭 因此 橫波檢測也稱斜角檢測 3 對接焊縫探傷為保證焊縫質(zhì)量 選擇探傷方法應(yīng)考慮使整個焊縫斷面都能得 到聲束的掃查 探測對接焊縫中的缺陷時 應(yīng)注意探頭的移動方式和方向 探測縱向缺 陷時 探頭的方向基本上應(yīng)與焊縫軸線垂直 探測橫向缺陷時 探頭方向應(yīng)與焊縫軸線 成一角度 如圖2 4 所示 探測縱向缺陷時 探頭在離焊縫中心線半跨距 p 2 處可發(fā)現(xiàn)焊縫根部的缺陷 探頭自p 2 向焊縫方向移動進行檢測的方法 稱為一次反射法 見圖2 5 一次發(fā)射法 只能探測焊縫下半部的缺陷 探頭在一個跨距 p 處探測時 可發(fā)現(xiàn)焊縫頂部 上半 部 的缺陷 探頭在p 2 p 的范圍內(nèi)移動探測時 可發(fā)現(xiàn)焊縫整個斷面上的缺陷 如 圖2 6 所示 這種方法稱二次反射法 橫波探傷的波次一般用一 二次為好 以減少聲 束的折轉(zhuǎn)次數(shù) 從而減少因表面粗糙造成的聲能損失 按照g b l1 3 4 5 1 9 8 9 的推薦 為 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 了發(fā)現(xiàn)縱向缺陷 一般應(yīng)按表2 1 選擇探測面 探傷方法和探頭折射角 焊縫橫向裂紋縱向裂紋超 乞 吵已 一 彳 一 2 5 5 0 7 0 或6 0 k 2 5 k 2 0 k 1 5 單面雙側(cè)或雙面單 發(fā)射法 側(cè)4 5 或6 0 4 5 和6 0 4 5 和7 0 5 0 并用 k 1 或k l 5 k l 和k 1 5 k 1 和k 2 1 0 0 直射法 并用 1 0 0 雙面雙側(cè)4 5 和6 0 并用 k 1 和k 1 5 或k 2 并用 和中厚板對接焊縫的探傷 本系統(tǒng)要探傷的對象為1 0f i l m 厚的管道對接焊縫 屬于薄板 探傷 故準(zhǔn)備采用單探頭法 2 2 3 斜探頭掃查方式 采用不同的探頭移動方式 是為了發(fā)現(xiàn)焊縫中的缺陷和對缺陷的定性 定量 斜探 頭掃查方式分類如圖2 8 所示 其中左右和前后掃查同時進行是為了查同時進行是為了 檢查有無缺陷 左右掃查是為了推斷缺陷的長度 轉(zhuǎn)角和環(huán)繞掃查主要用于進行是為了 廣鋸齒形掃查 卜轉(zhuǎn)角掃查 篡p 舶搪 獺鼢查 孥ll 坂務(wù)老努善 鏨 特殊掃查1 糕至爵翥查 方 i廠串列式掃杏 式l 雙探頭掃查士瓣查 l v 型掃查 檢查有無缺陷 左右掃查是為了推斷缺陷的長度 轉(zhuǎn)角和環(huán)繞掃查主要用于推斷缺陷的 形狀 矩形掃查多用于自動化 半自動或在無法分辨真假反射波時 鋸齒形掃查是焊縫 1 3 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 探傷中經(jīng)常使用的一種探頭移動方式 以鋸齒形往復(fù)移動 每次前進的齒距寬度不得超 過晶片寬度 此外 為了防止缺陷漏檢 還采用兩種以上的斜角探頭從多方向來掃查 采用單面 雙側(cè)還是采用雙面雙側(cè)的掃查 視焊縫的鋼板厚度而定 實際探測時 探頭 沿焊縫作鋸齒形或矩形方式移動 當(dāng)探頭垂直于焊縫作前后移動的同時 應(yīng)作小角度擺 動 約 l o 左右 以發(fā)現(xiàn)各種形狀和位置的缺陷 2 2 4 探頭移動區(qū)域 試件表面狀況好壞 直接影響檢測結(jié)果 所以應(yīng)清除焊接試件表面飛濺物 氧化皮 凹坑及銹蝕等 焊縫兩側(cè)檢測面的修整寬度應(yīng)至少等于探頭的移動區(qū) 可根據(jù)母材厚度 所用探頭的k 值 或折射角 和探頭的尺寸 a 確定 如圖2 9 所示 b 圖2 9 檢測面修磨寬度的確定 以l 表示跨距 則 l 2 8 t a n 2 d k z 厶 2 6 式中k 探頭的k 值 萬 試件厚度 折射角 通常要求探頭移動區(qū)b 么 對于一次波法檢測 o 5 l l o l o