無縫鋼管在線漏磁探傷技術(shù)研究

1、無縫鋼管在線漏磁探傷技術(shù)研究 3楊濤 王太勇 秦旭達(dá) 文松天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 , 天津 300072摘要 :文章介紹了無縫鋼管漏磁探傷系統(tǒng)組成 , 闡述了檢測系統(tǒng)中主要硬件鋼管探測傳送裝置 、 橫向和縱向探傷裝置的設(shè) 計(jì)原理 , 研制了一種基于信號調(diào)制 -解調(diào)模式的多通道高速信號采集器 。 采用多線程和虛擬設(shè)備驅(qū)動技術(shù)編制了數(shù)據(jù)采 集 、 實(shí)時(shí)控制 、 狀態(tài)顯示 、 系統(tǒng)校驗(yàn)等多功能模塊化軟件 。 整個(gè)系統(tǒng)自動化程度高 、 現(xiàn)場應(yīng)用效果良好 。關(guān)鍵詞 :鋼管 ; 在線探傷 ; 漏磁檢測 ; 數(shù)據(jù)采集中圖分類號 :TH878+. 3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A 文章編號 :1001-2265(2004

2、 08-0008-03The study on on -line MF L testing method for steel tubesY ANG T ao W ANG T aiy ong QI N Xuda WE N S ongAbstract :In the paper , magnetic flux leakage (MF L on -line testing system for steel tube is introduced. The designing method for the main hardware , like convection device for steel

3、tube , detecting devices along the longitudinal axis and circum ference , is described. The multichannel data acquisition based on the signal m odulation -dem odulation pattern at a high speed is designed. The s oftware based on multi -thread and VX D techniques includes data acquisition ,status dis

4、play , real -time control ,system and s o on . Practical ap 2 plying shows that the system is effective.K ey w ords :steel tube ; MF L testing ; on -line inspection ; data acquisition1 前言隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展 ,來越高的要求 ,生產(chǎn)中極大的損失 。可少的 。 由于漏磁檢測系統(tǒng)具有檢測能力強(qiáng) 、 自動化程度高等 特點(diǎn) , 使得漏磁檢測成為目前應(yīng)用最為廣泛的一種鋼管在線檢 測方法 。某鋼管公司為國內(nèi)生產(chǎn)無縫鋼管的大型

5、生產(chǎn)廠家之一 , 其 漏磁探傷機(jī)引進(jìn)的是美國某公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 80年代中期的產(chǎn) 品 , 經(jīng)過多年的使用后 , 在實(shí)際應(yīng)用中曾發(fā)生大規(guī)模漏檢的情 況 , 甚至有的缺陷主要是依靠人工肉眼來檢測的 , 鋼管的質(zhì)量很 難得到保證 , 需要對現(xiàn)有的探傷設(shè)備進(jìn)行改造 。本文結(jié)合這次 改造對無縫鋼管在線漏磁探傷技術(shù)進(jìn)行了研究 。2 無縫鋼管漏磁探傷系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)2. 1 無縫鋼管漏磁探傷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)由鋼管的夾緊 、 驅(qū)動等傳送裝置 , 橫 、 縱向缺陷探 測裝置 , 橫 、 縱向離線校驗(yàn)器 , 分選傳送線 , 缺陷前置處理電路 , 工業(yè)控制計(jì)算機(jī) , 控制面板 , 噴標(biāo)器 , 外圍電路板柜 ,

6、 儀表盤和 打印機(jī) 、 記錄儀等組成 。2. 2 無縫鋼管探測傳送裝置在探傷過程中 , 從鋼管的前端進(jìn)入到探傷區(qū)開始 , 一直到鋼 管的尾端離開后續(xù)鋼管輸送線 , 整個(gè)過程都需要得到系統(tǒng)的控 制 , 圖 1為無縫鋼管漏磁探傷系統(tǒng)的傳送裝置位置示意圖 。鋼 管在輸送線上是通過由電動機(jī)拖動的 V 形棍來驅(qū)動的 。 從圖 1中可以看出 , 從鋼管的前端進(jìn)入到光電管 1的位置 開始 , 一直到鋼管的尾端離開光電管 4的位置 , 這一時(shí)間段內(nèi)都, 設(shè) , 以夾緊棍 1為例 , 當(dāng)鋼管的前端到達(dá)圖 1 鋼管漏磁探傷傳送裝置位置示意圖夾緊棍 1的位置之前 , 夾緊棍 1的上夾緊棍部分處于抬起狀態(tài) , 如果檢

7、測的鋼管是平頭鋼管 , 那么此時(shí)下夾緊棍部分則不需要 動作 , 而如果檢測的鋼管是粗頭鋼管 , 那么下夾緊棍部分也需要 下移一定的距離 ; 當(dāng)鋼管的前端通過夾緊棍 1的位置以后 , 夾緊 棍 1的上下夾緊棍立即執(zhí)行加壓動作 , 并在鋼管移動的過程中 一直保持一定的夾緊力 , 以限制鋼管在生產(chǎn)線上的晃動 ; 在一段 時(shí)間以后 , 在鋼管的尾端快要到達(dá)夾緊棍 1之前 , 夾緊棍 1的上 下夾緊棍需要執(zhí)行相反的動作 , 即上夾緊棍部分執(zhí)行抬起動作 , 而下夾緊棍部分執(zhí)行下移動作 。 這樣動作的優(yōu)點(diǎn)是可以確保在 鋼管通過設(shè)備的過程中不會因?yàn)殇摴茉谝苿舆^程中的徑向晃動 而造成設(shè)備碰撞的事故發(fā)生 。 其余

8、的 4個(gè)夾緊棍的執(zhí)行動作與 夾緊棍 1的動作是完全一樣的 。 只是它們在執(zhí)行的時(shí)間上有一 定的滯后 , 而橫向探傷機(jī)和縱向探傷機(jī)執(zhí)行的動作也大致相同 , 只不過執(zhí)行的動作不是夾緊棍的上下移動而是探頭的下壓與抬 起動作 , 同樣的道理也是為了避免探頭與鋼管發(fā)生碰撞 。 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制原理設(shè)計(jì)如下 :光電管 1在系統(tǒng)中的作用 相當(dāng)于一個(gè)發(fā)令槍 , 當(dāng)鋼管前端到達(dá)光電管 1時(shí) , 系統(tǒng)接受到光8組合機(jī)床與自動化加工技術(shù) 基金項(xiàng)目 :天津市自然科學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目 (993802421電管 1的信號 , 并在此時(shí)讀取入口編碼器的值 , 當(dāng)鋼管到達(dá)光電 管 2的位置時(shí) , 系統(tǒng)再次讀取入口編碼器的值 , 由

9、于光電管 1和 光電管 2的距離是固定的 , 將入口編碼器的數(shù)值與距離進(jìn)行關(guān) 聯(lián) , 并以入口編碼器的數(shù)值來標(biāo)定鋼管頭部與光電管 1之間的 距離 , 這樣以光電管 1為坐標(biāo)原點(diǎn) , 系統(tǒng)通過讀取入口編碼器的 數(shù)值便可以知道鋼管的實(shí)時(shí)位置 , 同時(shí)由于各個(gè)設(shè)備與光電管 1之間的距離是固定不變的 , 所以當(dāng)入口編碼器的數(shù)值與距離 值的關(guān)系確定以后 , 鋼管到達(dá)各個(gè)設(shè)備時(shí)的入口編碼器的數(shù)值 是確定的 , 這樣系統(tǒng)只要不斷的讀取入口編碼器的數(shù)值就可以 確定鋼管的頭部在系統(tǒng)中所處的具體位置 , 同樣的道理 , 當(dāng)鋼管 的尾端通過光電管 1的位置時(shí) , 系統(tǒng)便可以計(jì)算出鋼管的長度 , 同時(shí)通知系統(tǒng)準(zhǔn)備執(zhí)行

10、新一輪的動作 。 2. 3 橫向和縱向探傷裝置橫向磁化用于縱向缺陷探傷系統(tǒng) , 它的主要用途是檢測出 沿鋼管縱向延伸的缺陷 , 如折疊 、 發(fā)紋等 。 這就需要特定地沿鋼 管圓周方向磁化 (即橫向磁化 。 橫向檢測是由沿鋼管圓周分布 的 8組探頭傳感器來完成 , 每個(gè)探頭包含 8個(gè)線圈 , 這樣受到縱 向磁場飽和磁化的鋼管缺陷形成的漏磁場可全部被傳感器檢測 轉(zhuǎn)化為電信號 , 其結(jié)構(gòu)裝置如圖 2所示 。每相鄰的兩個(gè)探頭都 是相互覆蓋的 , 這樣保證了在橫向方向上的缺陷都可以被探頭 覆蓋到 ?？v向磁化用于橫向缺陷探傷系統(tǒng) , 鋼管橫向延伸的缺陷 , 如橫向裂紋 、 , 180°的探頭傳感

11、器 (16個(gè)線圈 組成 。 (磁鐵 一起共同繞鋼管旋 轉(zhuǎn) , 檢測到的縱向缺陷漏磁信號經(jīng)滑環(huán)處理后傳送出去 。其結(jié) 構(gòu)裝置如圖 3所示 。 在實(shí)際檢測時(shí) , 縱向檢測裝置中探頭的旋 轉(zhuǎn)速度和鋼管的直線運(yùn)動速度要求滿足一定的關(guān)系 , 保證鋼管 表面能夠全部被探頭掃查到 , 這樣可以保證不會發(fā)生漏檢的情 況 。 圖 2橫向探傷機(jī)探頭分布示意圖 圖 3縱向探頭分布示意圖 縱向探頭和橫向探頭都是安裝在支架上的 , 在鋼管的頭部 進(jìn)入到探頭位置之前 , 探頭都是處于抬起狀態(tài) , 當(dāng)鋼管的頭部到 達(dá)探頭位置之后 , 探頭落下并處于夾緊狀態(tài) , 當(dāng)鋼管的尾部快要 達(dá)到探頭位置時(shí) , 探頭再次抬起 , 當(dāng)沒有

12、鋼管經(jīng)過時(shí) , 探頭處于 抬起狀態(tài) 。 探頭的抬起和落下動作是由專門的機(jī)構(gòu)來保證的 。2. 4 數(shù)據(jù)采集器硬件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集與信號分析系統(tǒng)用于在現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 、 數(shù)據(jù) 存儲并進(jìn)行分析判斷 。 由于在漏磁檢測過程中需要在鋼管高速 前進(jìn)的同時(shí)對其進(jìn)行橫向和縱向兩個(gè)方向的傳感器全覆蓋 , 所以本系統(tǒng)所采用的傳感器數(shù)量多達(dá) 96個(gè) 。為了實(shí)現(xiàn)高速 、 實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)采集 , 本文研制了一種基于信號調(diào)制 -解調(diào)模式的多通道 高速信號采集與實(shí)時(shí)分析系統(tǒng) , 該系統(tǒng)能夠同時(shí)最多處理 96路 信號 , 并能夠針對每一路信號進(jìn)行程控增益處理 。數(shù)據(jù)預(yù)處理 模塊的基本功能是將 96路信號先調(diào)制為兩個(gè)信號流 , 并對

13、每一 路信號進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理 , 使之能夠滿足后續(xù)數(shù)據(jù)采集的要求 。 該模塊由兩部分組成 , 一為信號流 , 另一個(gè)為時(shí)鐘流 。系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖如圖 4所示 。 圖中調(diào)制模塊的主要功能是將 64路信號調(diào)制 為 1路信號 , 時(shí)鐘信號是調(diào)制的基準(zhǔn) , 它保證信號按照一定的時(shí) 鐘間隔進(jìn)行調(diào)制 , 同時(shí)這個(gè)時(shí)鐘信號也被輸入到計(jì)算機(jī)的 A/D 圖 4 數(shù)據(jù)采集器硬件結(jié)構(gòu) 采集板 , 以保證信號在解 調(diào)的時(shí)候也按照同一時(shí)鐘 進(jìn)行解調(diào) 。 在本系統(tǒng)中所 采用的調(diào)制與解調(diào)時(shí)間窗 口為 2微秒 , 這樣采樣頻 率可以達(dá)到 500kH z , 達(dá)到 了現(xiàn)場的要求 。 A 與電阻 R 一起構(gòu)成緩沖電路 , 它A 的增

14、益為 1。 程控衰 它的增益范圍有四檔 , 分 , 2, 1/1/, 。 B 與 , 其增益為 1。 C 為 8位精確增益放大 , 范圍為 1/256到 255/256, 它的作 用是將每一路信號調(diào)理到 A/D 采集板的最佳采集范圍 , 所以每 一通道的增益值都由單片機(jī)給出 , 由其將信號衰減并保持穩(wěn)定以后供 A/D 板采集 。 由于每一通路信號的窗口時(shí)間為 2s , 所以 程控衰減器以及 A 、 B 、 C 的穩(wěn)定時(shí)間都要求遠(yuǎn)小于 2s , 這也對 構(gòu)成器件提出了一定的要求 。 MPU 為一個(gè)高性能單片機(jī) , 它的主 要功能是為每一路信號在窗口時(shí)間內(nèi)給程控衰減器和 C 提供相 應(yīng)的增益值 ,

15、 同時(shí)它還要與主機(jī)進(jìn)行雙向通信 , 主要是取得每一 通路的增益值 。3 無縫鋼管漏磁探傷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圖 5 漏磁探傷系統(tǒng)軟件總體框圖 無縫鋼管漏磁探傷 系統(tǒng)軟件是整個(gè)漏磁探 傷系統(tǒng)的核心 , 軟件部分 不僅需要實(shí)現(xiàn)對鋼管漏 磁信號的實(shí)時(shí)采集與顯 示 , 而且還需要在探傷的 過程中完成對系統(tǒng)各部 分的控制 , 軟件系統(tǒng)的實(shí) 時(shí)性要求較高 。因此軟件部分核心采用是多線 程 和 虛 擬 設(shè) 備 驅(qū) 動(VX D 技術(shù) , 系統(tǒng)按模塊分成多個(gè)線程 , 各個(gè)線程規(guī)定不同的優(yōu) 先級 , 線程之間相互驅(qū)動 , 多線程的切換與傳統(tǒng)的多進(jìn)程間的任 務(wù)切換相比較 , 系統(tǒng) CPU 時(shí)間開銷較小 。 VX D 負(fù)責(zé)

16、與應(yīng)用程序 通信并管理相應(yīng)的硬件資源和響應(yīng)外部中斷 , 這樣在編程時(shí)直 接調(diào)用各外圍電路板的接口和驅(qū)動函數(shù) , 省去 Windows 底層編 程的復(fù)雜 。 無縫鋼管漏磁探傷系統(tǒng)軟件主要由設(shè)備狀態(tài)調(diào)整及 顯示模塊 、 縱向校驗(yàn)?zāi)K 、 橫向校驗(yàn)?zāi)K 、 探傷模塊 、 漏磁信號采92004年第 8期集與顯示模塊和探傷信號離線分析模塊構(gòu)成 。如圖 5所示 。該 系統(tǒng)采用了面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù) , 實(shí)現(xiàn)了高度的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì) 。 系統(tǒng)融合了信號采集 、 信號分析和自動控制等技術(shù)于一體 , 運(yùn)用軟件工程的方法根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際要求和現(xiàn)場需要而研 制開發(fā)的一個(gè)實(shí)用軟件包 。 3. 1 校驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì) 當(dāng)設(shè)備

17、經(jīng)過調(diào)整后 , 在正式探傷之前 , 首先進(jìn)行的就是離線 校驗(yàn) , 離線校驗(yàn)的目的主要由兩個(gè)方面 :一方面檢驗(yàn)設(shè)備的狀 態(tài) , 特別是探頭的機(jī)械狀態(tài)在離線校驗(yàn)階段都可以發(fā)現(xiàn) , 還有探 頭線圈的好壞 , 因?yàn)樘筋^的線圈都是經(jīng)過處理封裝在探頭內(nèi)部 的 , 在沒有進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)僅憑肉眼是無法觀察到的 , 另一方面就是 通過離線校驗(yàn)獲得最佳的探傷工藝參數(shù) , 例如勵(lì)磁電流 , 不同直 徑的鋼管選擇不同的勵(lì)磁電流 。離線校驗(yàn)軟件模塊如圖 6所 示 。離線校驗(yàn)的另一個(gè)重要的目的就是通過使用與需要探傷的 鋼管直徑 、 壁厚 、 材質(zhì)都相同的標(biāo)準(zhǔn)樣管進(jìn)行校準(zhǔn)以后 , 獲得傷 痕級別以及類型判斷的識別標(biāo)準(zhǔn) 。 由于

18、橫向校驗(yàn)過程與縱向校 驗(yàn)的過程基本是一樣的 , 所不同的就是縱向校驗(yàn)時(shí)探頭的線圈 數(shù)為 32個(gè) , 而橫向探傷時(shí)需要處理的信號量為 64個(gè) 。 圖 6顯示 的是正在進(jìn)行校驗(yàn)的縱向校驗(yàn)軟件 ,軟件用棒圖的形式按照比 例顯示了 32個(gè)線圈的瞬時(shí)信號幅度 , 這樣在傷痕的移動過程 中 , 通過信號棒圖可以很方便的看出傷痕處于哪幾個(gè)線圈的位 置 。 圖 6 縱向探傷離線校驗(yàn)軟件模塊離線校驗(yàn)的一個(gè)重要目的是對各個(gè)線圈的增益進(jìn)行校準(zhǔn) , 雖然各個(gè)線圈的制造以及信號傳輸過程都是相同的 , 但是由于 各個(gè)元器件制造過程中的差異和經(jīng)過長線傳輸以后 , 信號到達(dá) 計(jì)算機(jī)中還是有差異的 , 所以必須對其進(jìn)行校準(zhǔn) 。

19、校準(zhǔn)的方法 就是用標(biāo)準(zhǔn)樣管上的傷痕對每一個(gè)線圈進(jìn)行覆蓋 , 然后取出該 線圈的最大輻值 , 然后以 32個(gè)線圈中的某一個(gè)線圈作為標(biāo)準(zhǔn)對 各個(gè)通道進(jìn)行增益調(diào)整 , 使得系統(tǒng)工作在校準(zhǔn)后的增益值的時(shí) 候 , 相同的傷痕經(jīng)過不同的通道采集出來的數(shù)據(jù)是相同的 , 這樣 在正式探傷中可以保證信號的傳輸和放大部分不會對探傷的靈 敏度造成影響 。 3. 2 探傷模塊設(shè)計(jì)探傷模塊軟件是整個(gè)系統(tǒng)軟件的重要部分 , 是否能夠準(zhǔn)確 無誤的檢測出傷痕缺陷是探傷模塊的關(guān)鍵所在 , 同時(shí)還需要正 確的控制夾緊棍以及探頭的動作 , 保證鋼管在生產(chǎn)線上的順利 通過 , 最后在鋼管通過打標(biāo)器的時(shí)候在傷痕的位置進(jìn)行噴標(biāo) 。 在探

20、傷過程中 , 系統(tǒng)通過讀取入口光電管和出口光電管以及入 口編碼器和出口編碼器的值來計(jì)算鋼管在生產(chǎn)線上的準(zhǔn)確位 置, 并以此為依據(jù)來控制夾緊棍和探頭的抬起和加壓動作 , 并在系統(tǒng)取得探傷結(jié)果以后通知打標(biāo)器在傷痕的具體位置進(jìn)行噴 標(biāo) 。 同時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)分析 , 并將分析結(jié)果反饋給 打標(biāo)器 , 如果鋼管有缺陷 , 在鋼管離開探傷區(qū)以后 , 鋼管輸送線 還需要將 “ 可疑” 鋼管進(jìn)行剔除 , 便于操作人員進(jìn)行進(jìn)一步的處 理 。 如圖 7所示 , 為一鋼管的橫向檢測信號圖 。從圖中可以清 晰看出該段鋼管有大小不等的四個(gè)缺陷 。圖 7 , , 一個(gè)是鋼管, , 。4 結(jié)論本文結(jié)合天津鋼管公司漏磁探傷設(shè)備改造 , 針對無縫鋼管 在線探傷過程中的實(shí)時(shí)控制過程和漏磁信號采集與分析系統(tǒng)進(jìn) 行了研究 , 并在此基礎(chǔ)上研制了專用的程控增益漏磁