基于可重構鉆桿厚壁厚超聲自動探傷技術研究

基于可重構鉆桿厚壁厚超聲自動探傷技術研究

0超聲自動化探傷目前，對厚桿管端病變區(qū)域的超聲波檢測主要是手動檢測。在檢測過程中,人為因素造成的漏檢和誤判問題較突出。而超聲自動探傷技術在鉆桿加厚區(qū)檢測中仍有一定難度,其主要原因是該區(qū)域存在因內外壁鐓粗而引起的壁厚不均的問題,要求超聲自動化探傷設備能夠根據(jù)壁厚變化情況調整超聲傳感器的探測位置及其靈敏度,實現(xiàn)加厚區(qū)的自動跟蹤和標定。目前國內外基本上都是采用便攜式探傷方式,結合經(jīng)驗對缺陷做出評定,檢測效率較低。文獻實現(xiàn)了鉆桿管端加厚區(qū)的超聲自動化檢測,但由于缺少有效的標定方法,難以實現(xiàn)缺陷的定量分析。鑒于此,筆者在實現(xiàn)鉆桿加厚區(qū)自動化超聲探傷的基礎上,提出一種新的標定方法——基于可重構鉆桿加厚區(qū)超聲自動探傷,用于自動修正缺陷當量隨壁厚變化曲線,從而為鉆桿缺陷定量分析提供依據(jù)。1檢測方法的選擇在對鉆桿與接頭進行摩擦焊接之前,鉆桿端部都要經(jīng)過鐓粗加厚處理。由于鉆桿加厚區(qū)的特殊結構,在進行自動化探傷時存在以下技術難點:①鉆桿加厚區(qū)長短不一;②加厚區(qū)壁厚相對較大,并且逐漸過渡到桿體厚度;③加厚區(qū)內、外壁的曲率均存在變化區(qū)間;④難以實現(xiàn)加厚區(qū)缺陷的定量化檢測。顯然,若采用常規(guī)自動化超聲探傷方式,并在同一靈敏度下完成掃描,則聲波入射方向與鉆桿外表面法線方向無法保持一致,并且難以分辨出不同當量的缺陷。因此,需要采用一種可跟蹤自適應的方法來改進常規(guī)的檢測方法,要求傳感器能夠針對檢測點的曲率變化實時做出調整,以保證聲波折射角不變。同時,還能重構出鉆桿表面曲率變化情況,對檢測結果進行修正,為建立動態(tài)下跟蹤判廢閘門提供依據(jù)。2實時跟蹤系統(tǒng)2.1探傷傳感器檢測單元實時跟蹤系統(tǒng)采用水浸探傷方法,探傷傳感器為聚焦式探頭,利用橫波掃描缺陷。為了完成鉆桿加厚區(qū)的全周掃描,采用鉆桿原地旋轉、檢測單元沿鉆桿軸線方向直行的方式。鉆桿加厚區(qū)內、外壁均有可能是斜面,因此在檢測過程中有必要對探傷傳感器的姿態(tài)進行調整,主要是跟蹤鉆桿外壁曲率變化情況,保證入射聲波折射角不變。利用測厚傳感器獲取鉆桿信息,反饋回運動控制單元,生成鉆桿輪廓線二維圖譜,從而指導探傷傳感器做出相應的調整。檢測單元如圖1所示。檢測過程中,測厚傳感器和探傷傳感器放在同一個運動機構上,均分布在鉆桿軸線正下方,兩者之間有一固定距離d,這樣測厚傳感器當前獲取數(shù)據(jù)是探傷點前方某一距離處探傷傳感器與測厚點沿螺旋線方向的偏差量,當探傷傳感器到達該點時才進行調整。1個周期結束后,依據(jù)圖譜對初步探傷結果進行修正,從而得到準確的探傷圖譜。2.2信號修正程序實時跟蹤系統(tǒng)包括運動控制單元、測厚傳感器固定式支架、探傷傳感器可調式支架、鉆桿加厚區(qū)輪廓生成程序、探傷信號分析程序以及檢測信號修正程序,其系統(tǒng)組成框架如圖2所示。檢測流程為:被檢測鉆桿原地旋轉,同時,運動控制單元帶動測厚傳感器及探傷傳感器對鉆桿加厚區(qū)進行初步掃描。依據(jù)測厚傳感器得到的水鋼界面波以及壁厚值自動生成輪廓線,并反饋回運動控制單元,指導探傷傳感器支架調整姿態(tài),從而采集得到1組含有聲程和相應缺陷回波高度的數(shù)據(jù)。1個周期結束后,自動將缺陷信號數(shù)據(jù)修正,得到最終結果。3修改數(shù)據(jù)的算法和實驗驗證3.1缺陷回波高度計算的因子在檢測過程中,探傷傳感器獲得的缺陷信號數(shù)據(jù)是沒有規(guī)律的,需要對其進行修正,從而完成整個加厚區(qū)的超聲自動化探傷標定工作。數(shù)據(jù)修正算法的思想如下:(1)在標準試樣上選取至少2個不同厚度處的缺陷,分別得到其聲程S與缺陷回波高度H的影響因子α和β。計算式為:α=1n∑i=1nS(i+1)S(i)(1)β=1n∑i=1nH(i+1)H(i)(2)α=1n∑i=1nS(i+1)S(i)(1)β=1n∑i=1nΗ(i+1)Η(i)(2)(2)對刻有缺陷的鉆桿進行1次掃描,獲得1組厚度、聲程和缺陷回波高度的數(shù)據(jù)。根據(jù)厚度可以換算得到理想聲程S0,將其與實際聲程ST比較,得到待檢鉆桿上聲程的影響因子γ。計算式為:γ[j]=ST[j]S0[j](3)γ[j]=SΤ[j]S0[j](3)(3)由式(1)和式(2)可以得到待檢鉆桿上缺陷回波高度的影響因子δ,則δ[j]=fj(α,β,γ[j])。(4)根據(jù)δ對實際波高進行修正。即有:HT[j]=H0[j]δ[j](4)ΗΤ[j]=Η0[j]δ[j](4)3.2鉆桿加固區(qū)檢測方法在1根外徑為?127mm的鉆桿端部加厚區(qū)上加工9個?1.6mm的通孔,如圖3所示,基本上均布于同一母線上,其與接頭末端距離為L。采用實時跟蹤系統(tǒng)對該鉆桿進行檢測,1個周期結束后,將測厚傳感器采集得到的數(shù)據(jù)進行整理,自動生成輪廓線。截取通孔所在徑向截面的內、外壁輪廓線,如圖4所示。由圖可以看出,這根鉆桿外壁只有在140～160mm之間變化較大,而壁厚從加厚帶最厚處20.06mm過渡到桿體最薄處8.13mm。通過曲面重構后,探傷傳感器自動跟蹤外壁曲率變化情況,將探傷儀增益設定為43.5dB,檢測得到所有通孔的數(shù)據(jù)如表1所示。其中,聲程是聲波在鋼中傳播的路程,波高是在一定的增益下,通孔回波波峰占探傷儀屏幕滿屏的百分數(shù)。經(jīng)修正后的聲程和波高見表1。采用最小二乘法對以上數(shù)據(jù)進行擬合,得到修正前、后的壁厚分別與聲程和波高之間的關系曲線,如圖5所示。從修正后的曲線可以看出,對于鉆桿加厚區(qū)上的通孔來說,隨著壁厚加大,探測聲程呈線性增長,同時缺陷波高也逐漸上升,從而驗證前述修正算法基本可行。因此,在檢測鉆桿加厚區(qū)時,首先選擇1根樣管,在其上不同厚度處加工9～10個人工缺陷。然后采用該系統(tǒng)進行檢測,檢測傳感器根據(jù)重構的輪廓自動調整姿態(tài),得到缺陷處對應壁厚以及探傷數(shù)據(jù),修正后擬合成壁厚與波高的關系曲線。最后在批量自動化檢測中,系統(tǒng)會依據(jù)該曲線在不同厚度處自動調整探傷儀增益值,保持加厚區(qū)缺陷信號的一致性,達到缺陷定量檢測的目的。4探傷傳感器的自適應識別(1)采用水浸探傷方法,利用測厚傳感器可以自動生成鉆桿內、外壁輪廓線。(2)基于重構的輪廓線,可以實時調整探傷傳