李钢，韩保材

（北钢管业（营口）有限公司，辽宁营口115007）

一种钢板缺陷100%超声波在线检测装置

李钢，韩保材

（北钢管业（营口）有限公司，辽宁营口115007）

介绍了一种210通道钢板缺陷100%超声波在线检测装置；详细介绍了超声波检测装置的平面布置、机械结构、电控设备的系统配置、传动系统配置、电气设备布置、设备工艺原理、技术指标和功能等。该钢板缺陷100%超声波检测装置，其头部探伤和尾部探伤均采用钢板固定、探头移动的方式；边部探伤可沿板宽方向进行调整以适应不同的钢板宽度，在探伤过程中随着板形对钢板边部进行跟踪浮动探伤；实现了壁厚的全覆盖探伤，达到了钢板缺陷100%超声波检验及工况要求。

直缝焊管；大直径；钢板；超声波探伤；在线检测；全覆盖

近年来，油气输送管线建设得到了空前发展，世界油气输送干线已达260万km［1］。借助国家大力开发西部油气输送管线建设中的陕京天然气管线，中哈及西气东输一线、二线、三线等管线工程以及中俄西伯利亚天然气管道工程，我国大力发展了大直径直缝焊管的生产，使我国的焊管工业装备与技术得到了促进与提高。大直径直缝焊管高压输送是石油天然气长输、高压、大流量管道的发展趋势［2］。国外单管输气干线的输气能力已达到460～500亿m3/a，在西气东输二线管道工程中的直缝埋弧焊管，采用12 MPa的输送压力，钢管的钢级为X80，管径为1 219 mm，壁厚≥18 mm［3］。大直径直缝焊管的原料为热轧钢板，板厚6～40 mm，板宽655～4 500 mm，板长8.0～12.2 m。未来直缝焊管质量与性能要求将不断提高，对焊管的原料（钢板）质量也提出了相应的要求［4］。钢板中常见的缺陷有分层、夹渣、裂纹和白点等，其中分层和夹渣是钢板缺陷中最为常见的，而超声波探伤是检测钢板缺陷的一种行之有效的方法［5］。

1 超声波探伤原理及特点

1.1 超声波探伤原理

超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并从一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法［6］；当超声波束自零件表面从探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面就分别发生反射波，在显示屏上形成脉冲波形，根据显示的脉冲波形来判断缺陷的位置和大小。

1.2 超声波检测的特点

（1）在不同质界面上具有反射的特性。

（2）指向性越好，频率越高。

（3）传播能量大。

（4）检测装置穿透能力强，探测深度最大可达数米。

（5）灵敏度高。

（6）设施安装结构简单化，仅需从一面接近被检验物体。

（7）可以实现在线检测，检测效率高，可立即提供缺陷检验结果。

（8）装置运行及操作安全，不会对人体及周围环境造成危害。

目前，对于高压油气输送埋弧焊管用钢板超声波探伤标准的确定，在管线设计过程中常常根据管线的使用环境、承压等因素来选择不同的基础标准。国内现在使用较多的油气管线制造基础标准，包括APISpec 5L—2012《管线钢管规范》（45版）、GB/T 9711—20l1《石油天然气工业管线输送系统用钢管》等，同时针对某些特殊项目也采用DNVOS-F101∶2007《海底管线系统》、DEP 31.40.20.37-Gen.等标准［7-10］。钢板超声波检测装置的性能直接影响到直缝埋弧焊管生产线产品质量的控制。

1.3 探头覆盖分析

北钢管业（营口）有限公司JCOE直缝埋弧焊管生产线原料（钢板）规格为：长9.0～18.4m，宽1.2～5.1 m，壁厚6.3～64.0 mm。为了确保钢板缺陷100%超声波全覆盖检验，采用了以下方式。

探伤选用的晶片尺寸为8mm×30 mm；探伤方式采用中部梳状探伤+2个浮动边部探伤+1组头尾部探伤；1个探头盒里装有4个上下交错的晶片，晶片重合按有效声束重合15%来考虑，确保做到100%全覆盖探伤；最终1个晶片的有效工作长度为19.125 mm（30mm×75%×85%，其中30mm为晶片的长度，30 mm×75%为有效声束的长度，30 mm× 75%×85%为有效声束重合15%的最终有效工作长度，其长度值为19.125 mm）。对于检测6～65 mm板厚的分层探伤，采用两种不同焦距探头，从而实现壁厚的全覆盖：第一种5P10×25FG10Z探头，用于探测6～40 mm板厚；第二种5P10×25FG20Z探头，用于探测35～65 mm板厚。头部探伤和尾部探伤均采用钢板固定、探头移动的方式；边部探伤可沿板宽方向进行调整以适应不同的板宽，在探伤过程中随着板形对钢板边部进行跟踪浮动探伤。钢板探伤探头布置如图1所示。

图1 钢板探伤探头布局示意

2 设备结构和功能

钢板超声波探伤机工艺平面布置如图2所示。

图2 钢板超声波探伤机工艺平面布置示意

2.1 机械结构

钢板超声波探伤机机械结构实物和三维模拟分别如图3~4所示。

（1）跟线拖链：包括设备所需的各种电缆及控制线路采用链轨式带有防护板的工程塑料拖链，极大地保护各种电缆，并且能屏蔽各种有害干扰。

（2）预湿装置：对钢板表面预湿，对探伤耦合起保障作用。

图3 钢板超声波探伤机机械结构实物

图4 钢板超声波探伤机机械结构三维模拟

图5 头尾探伤机构

图6 边部探伤机构

图7 中部探伤机构

（3）压紧辊：在探头架前后有两组压紧辊，提高了钢板的稳定性，使钢板与探头更好地耦合，防止钢板因跳动影响探伤效果［11］。

（4）头尾探伤部分：安装1套探头架。当钢板放到辊道上并对中后，由自动检测系统控制电机驱动探头架直线行进对头、尾探伤，靠轮跟踪采用气缸随动［12］。头尾探伤机构如图5所示。

（5）边部探伤部分：每边各安装1套探头架。当钢板放到辊道上并对中后［13］，由自动检测系统控制电机驱动两边探头架行进到探伤要求的合适位置，板边跟踪采用气缸随动。边部探伤机构如图6所示。

（6）中部探伤部分：中部共49组探头分单列在两个门架上一字排布，梳状扫查从而达到标准探伤要求。根据钢板不同厚度，滑板可以在减速电机驱动下进行升降，保持探头架与钢板之间有130～150mm的合理距离。中部探伤机构如图7所示。

探头夹持器与探头采用万向节连接，就探头与钢板而言，探头具有3个空间自由度和3个旋转自由度。探头夹持器采用两连杆结构，探伤过程中有足够的自由度来满足钢板凸起、不平、偏摆等各种状态，完全保证探伤的需要。探头起落架上的每个气缸都单独控制。根据钢板宽度由PLC控制落下探头的数量。

（7）龙门架：采用Q235钢板焊接，整体经退火处理后加工而成，刚度大，稳定性好。

（8）刮水风干装置。刮水后，钢板表面还有一定水分，用风刀对钢板表面再次进行吹干［14］。

2.2 电气控制系统结构

（1）系统配置。系统控制通过S7-300系列PLC来完成，Profibus总线分布式I/O传输，71.12 cm大屏幕组态人机界面。设备安装于控制柜内，操作开关及报警灯安装于操作台面板。探伤系统操作简便，有一键自动探伤功能。进出板区、探伤区等有互锁设计接口，方便连锁控制，避免钢板间碰撞，也避免探架与钢板的碰撞。操作台上带监控功能，可对探伤过程进行全程监控。PLC选用西门子S7-300系列CPU模块，分布式I/O选用西门子ET-200系列。PLC编程软件采用西门子STEP7 V5.4软件［15］。PLC系统带CP 343以太网通信模块，方便联网及数据采集。控制系统配置如图8所示。

（2）传动系统配置。钢板头尾探伤装置行走采用伺服电机驱动，探伤控制定位精确；钢板边部探伤装置移动采用伺服电机驱动，板边随动方便并且无电气干扰。

（3）电气设备布置。

电气控制系统整体结构如图9所示。

图8 控制系统配置

图9 电气控制系统整体结构

3 设备工艺原理、技术指标和特点

3.1 探伤工艺流程

钢板由辊道输送到探伤区域前→PLC控制驱动钢板到探伤区→钢板对中完成→启动钢板前进→钢板端部传感器检测到钢板板头→钢板预湿，钢板板头到达预定位置，前部压辊落下→钢板前进至头尾部探伤区域停止，钢板头部150 mm 100%探伤→钢板板头到达预定位置，后部压辊落下→钢板前进至边部探伤区域，钢板边部102 mm 100%（或50 mm 100%）探伤→钢板前进至中部探伤区域，中部探头落下进行梳状100%（或50%）探伤→钢板板头到达预定位置，风干架落下、风机启动→钢板端部传感器检测到钢板板尾→预湿停止，钢板板尾到达预定位置，前部压辊升起→钢板前进至头尾部探伤区域停止，钢板尾部150 mm 100%探伤→钢板板尾到达预定位置，后部压辊升起→边部探伤停止，返回原始位置→钢板板尾到达预定位置，中部探伤探头升起→钢板板尾到达预定位置，风干架升起、风机停止→出料→探伤过程结束→等待下一循环。

3.2 工艺要求

（1）探伤方式：探头架固定，钢板纵向输送，探头梳状扫查方式对钢板表面进行100%（或50%）探伤。

（2）耦合介质：水耦合。

（3）检测完成后，经辊道运送到相邻的铣边岗位。

（4）检验能力≥16张/h。

（5）换不同规格钢板时系统调整时间约为50 min。

（6）纵波探头采用8 mm×30 mm双晶分割探头，有效扫查长度为25.5mm（即30mm×85%）。

通道配置见表1。

表1 通道配置

3.3 工艺设置

（1）探伤缺陷类型：分层、夹渣等体积性缺陷。

（2）探头布置及扫查范围。共210通道，对钢板进行100%探伤（图1）；头尾部2组，每组3通道，共6个通道，头尾部150 mm 100%探伤，头尾部探头布局如图10所示；边部2组，每组4个通道，共8个通道，两边各200 mm 100%探伤，边部探头布局如图11所示。

图10 头尾部探头布局示意

6～40 mm钢板采用8 mm×30 mm双晶分割探头［16］，焦距为10～15 mm；30～65 mm钢板采用8 mm×30 mm双晶分割探头，焦距为15～25mm。钢板双晶分割探头工作原理如图12所示。

图11 边部探头布局示意

图12 钢板双晶分割探头工作原理示意

3.4 技术参数

超声波频率0.5～15.0MHz

发射脉冲频率500～4 000 Hz

水平线性≤1%

垂直线性≤3%

分辨率≥30 dB

电噪声电平∧8%

信噪比≥26 dB

动态范围≥26 dB

总衰减量110 dB，最小衰减步长1 dB

探伤灵敏度余量≥52 dB（试样高度200mm，Φ2 mm、深度25 mm的平底孔）

衰减精度任意相邻12 dB的误差≤1 dB

探伤速度3～15m/min

缺陷定位误差-50~+50mm（纵向）

系统误报率≤2%（在试板上）

系统漏报率0（在试板上）

检测能力≥16张/h

系统的稳定性4 h飘移≤2 dB

盲区边部≤5 mm，端部≤50 mm，表面≤1.5mm

3.5 技术性能与特点

（1）钢板板体探头分布在两个门架上［17］；探头间距连续可调，满足探伤工艺要求；机械系统运行平稳可靠，探头架与夹持器没有明显的间隙；设备所有外表面平整、平滑过渡。

（2）超声波探伤系统耦合良好，具有耦合监视和区别于缺陷波报警的声光报警功能；采用软件和底波闸门监视底波耦合状态，系统有自动区分识别探头架升起无底波和探头架落下探伤过程中耦合不良两种状态，即失波报警功能。

（3）探伤设备采用专用样板进行设备的调试和校验，提高了设备校验的效率。

（4）探伤系统抗干扰能力强，不受车间内变频谐波干扰。

（5）系统提供各种规格钢板超声波探伤的探头调整参数值；并可调用、修正、储存当前规格探伤参数文件。保存各个通道仪器参数和探伤条件。

（6）探伤监视功能。显示各个通道的A型波形（可采用窗口切换显示），显示整个钢板的展开图，显示各通道的探伤条件和探伤进度。

（7）探伤数据记录。探伤结果可显示；检测结果明确记录报伤通道，可将缺陷的位置和长度以数据、展开图等方式直观显示，记录每个缺陷在钢板上的位置。自动记录超标缺陷的A型波形。

（8）自动保存和管理数据。可以按板号、班次等信息进行查询、打印报表，打印内容主要包括：检验日期、时间、钢板规格、钢级、炉批号、班别、检验标准、板号、检验员代号、报警通道、探伤结果等信息。探伤结果可以自动储存，随时打印、刻录，可以进行转存。

（9）探伤结果评价。可以回放任意单个缺陷A型波形；自动生成探伤报告，以展开图显示，并打印。

（10）可根据用户的要求，修改报表格式，以中英文对照方式适合国内外监造使用。不同规格钢板的校验参数、标准型号均可以存储并选择使用。

4 结论

该套钢板超声波自动探伤设备是基于工业级PC机的多通道全数字式超声波探伤设备，采用Windows 7操作系统，并保留计算机的各种周边设备接口。超声波信号通过A/D转换后，利用PC机进行完全数字信号处理。仪器软件为Windows应用软件，液晶监视器显示探伤界面。

该设备自动化程度高，探伤全过程无需人工干预，由计算机自动控制实现，具有手动、自动切换功能。

总体设计时，在软件、硬件配置、容积、接口及操作系统软件编程上，充分考虑日后系统升级换代等，留有接口和余量。

该套装置应用在JCOE生产线中作为钢板自动探伤装置，能够实现对直缝埋弧焊管来料钢板的在线100%自动探伤功能，且运行稳定可靠、效率高，完全能够满足生产线的工艺要求。

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On-line 100%Coverage Ultrasonic Detec tion System for Steel Plate Defec t

LIGang1，HAN Baocai2
（Beisteel Pipe（Yingkou）Co.，Ltd.，Yingkou 115007，China）

Elaborated in the paper isan on-line 210 channel，100%coverage ultrasonic detection system for steel plate defects，involving such aspects as the layout，themechanical structure，system configuration of the electric control equipment，configuration of the drive system，arrangement of the electric facilities，process principle of the equipment，the technical data and functions，etc.With this detection system，for detection of both head and tail of the steel plate，the operation mode is getting the material fixed，and the probe moved.For p late edge detection，adjustment is made along the width direction of the plate according to the width of specific plate.During the operation，the system can perform tracking-floating detection of the plate edge along with the profile of the plate. Thus，full thickness coverage detection is realized with the system，havingmet the requirements for steel plate 100% UT inspection and the working conditions.

SAWL pipe；large-sized；steel plate；ultrasonic detection；on-line detection；full coverage detection

TG115.285

B

1001-2311（2016）06-0077-06

2016-05-10；修定日期：2016-08-24）

李钢（1969-），男，硕士，工程师，主要从事JCOE机组制管和设备维护工作。