超声探伤系统（共9篇）
超声探伤系统 篇1
摘要：介绍了可编程序控制器(PLC)在车轴超声自动探伤系统中的应用,对系统的硬件控制和软件作了详细的阐述。
关键词：可编程序控制器,超声波自动探伤系统,流程图
0 引言
可编程序控制器(programmable logic controller, PLC)是以微处理机为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置,是专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统。它可以取代传统的继电器完成开关量的控制,其按钮开关、行程开关或敏感元件可以作为输入信号,输出信号可以控制开关、电磁阀和步进电机等执行机构。它采用可编程序的存储器,在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令,通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程实现自动化。
1 自动超探机控制系统组成
超声波自动探伤机是用来检测机车车辆上车轴中的伤损和疲劳裂纹的检测设备,它由机械、液压、电气控制、计算机控制和超声波探伤等子系统组成。它的控制部分涉及机械制造、电子技术、微机控制、超声波检测和人工智能等学科领域,是一台典型的机电一体化超声波检测设备。
超声波自动探伤机的控制系统包括机械动作控制系统和计算机控制系统两大部分。机械动作控制系统的主要作用是PLC控制机械装置按工作流程顺序依次动作,如轮对超声波探头夹持、探头与所探测轮轴的密贴、探头移动、轮对转动和供给探测过程中所需的耦合液、以及探测结束后的机械复位、轮对推出等。计算机控制系统的主要作用首先是计算机通过I/O板控制PLC保持探测轮对工作状态,同时切换探头将数字式超探仪的超声信号传送给计算机,再通过A/D转换,由计算机对超声波形信号进行分析、判断,不停地循环切换探头、采样、分析和判断,直至探测结束或发现轮对缺陷,最后打印存储波形并输出。其控制系统框图如图1所示。
2 自动超探机控制电路设计
本系统可以采用日本三菱公司生产的FX2N—64MR型PLC控制器,通过硬件连接,软件编程,参数设定来实现整机安全有效地运行。
自动超探机的输入信号包括控制按钮和接近开关到位信号,共设置有21个输入点,并且设置有手动/自动选择开关;自动超探机的输出信号直接控制着强电拖动部分和电磁阀控制部分,共有21个输出点。其部分I/O分配情况:X3～X7为手动控制按钮,X10～X13为自动控制按钮,用来控制探头的移动和轮对的正反转。X15为“启动”,当有信号输入时,PLC按设定的控制程序开始工作,机械装置开始动作;X0为“停止”,当有信号输入时,PLC按设定的控制程序停止工作,机械装置立即停止动作。判断轮对是否到位使用电感式接近开关,其输入点地址为X16～X24。Y2～Y17的输出信号控制电磁阀的动作,Y20～Y22的输出信号控制轮对的正反转和探头移动。
3 自动超探机软件设计
由于超探机的探伤过程是一个比较复杂的控制过程,所以相应PLC控制器编程也比较复杂,首先,滚轮电机的正反转,编程时充分注意逻辑互锁关系。其次,为了提高探伤的可靠性,轮对的探测位置要准确、全面,编程时必须注意各探测点的切换和探测速度。再者,编程要合理,减少程序量,缩短扫描时间。PLC控制系统的程序流程如图2所示。
4 结语
本设备采用PLC控制,维护十分方便,故障率较低,较好地满足了生产的需要,取得了较为明显的经济效益。
参考文献
[1]汪晓光,王艳丹.可编程控制器原理及应用[M].2版.北京:机械工业出版社,2002.
超声探伤系统 篇2
二、超声波探伤仪开机后，屏幕显示混乱或无法执行该怎么办？
1．关机，等待1分钟后再开机；
2．将仪器初始化；
3．按不能开机情况处理。
三、超声波探伤仪关机后立即开机，为何会鸣叫报警或没有回波？ 答： 造成这一现象的原因是由于开关机间隔时间太短，用户应在关机后等待30秒后再开机。
四、超声波探伤仪无回波是什么原因？
1．探头是否接对；
2．探头方式是否正确，如果探头设置为双晶，而接入的是单探头，则不会有回波；
3．是否在仪器屏幕显示的工作状态下工作；
4．探头线是否正常，探头与探头线接触是否正常，用户可用一个镊子（金属）以接触探头座的内芯，如果有杂波，则仪器良好；
5．增益、位移和声程是否正常；
6．是否存在较高的抑制，如有应将抑制降为0；
7.无回波时的简单处理方法：按<功能>键，再按“9.参数清零”，清除当前通道，接着用一根新探头线连接直探头，在耦合良好的薄型试块上探测，如有回波则可能参数设置错误或探头线接触不良；若无回波，则可用一个镊子接触，观察有无杂波；若仍无回波，则与友联公司联系。
五、超声波探伤仪门内的回波调到多高，读数较准确？
答：一般将回波幅度调至40％～80%，回波与DAC或AVG曲线的当量误差最小；门内回波的波峰高度调至20％～100%时，位置读数较准确；而回波幅度高于屏幕，或波幅太低（比如低于20％），则位置读值及当量都可能有误差。
六、超声波探伤仪不能打印是怎么回事？
1．打印线是否是随机提供的打印线；
2．打印线连接不正确或连接不良；
3．打印机未正常供纸；
4．连接打印电缆时，一定要关掉探伤仪，否则可能会损坏探伤仪；
5．打印机是否与EPSON LQ-1600K，HP LJ6L或Epson C6
1兼容；
6．打印机工作是否正常。
七、为什么超声波探伤仪双晶探头无回波？
1．探头设置是否为双晶探头；
2．探测范围是否在探头焦距范围内；
3．灵敏度是否太低。
八、为什么超声波探伤仪无法制作DAC曲线？
1、在制作DAC曲线中采集测试点时，未按 <-> 键冻结回波；
2、按<-> 键时，参数区提示不是“DAC”三字；
3、按<-> 键时，屏幕上显示的回波幅度太低。
九、为何制作DAC曲线时，曲线形状不够美观？
答：在制作DAC曲线时，一定要采集到每一点的最高反射波，用户应反复移动探头，使反射体的最高波出现在屏幕上。
十、为何制作DAC曲线时，10mm孔和20mm孔的回波找到了，而30mm孔的回波却找不到？
答：在制作DAC曲线前，要先确认工件声速、探头的零点K值等是否正确，而且一定要将抑制调为0，否则高度低于抑制的回波将不显示，导致找不到回波。
十一、为何制作DAC曲线时，近距离的波幅反而低？
答：探头和试块的耦合不良，未找到最高波；探头近场区的影响（比如：用K1探头测深10mm孔比测深20mm孔的回波低）。
十二、为什么超声波探伤仪键盘操作失灵？
1．该键盘被锁定（即在此时不应操作此键）；
2．未按住键盘中的接触点；
3．未按屏幕提示操作键盘；
注：按仪器键盘，查看是否有声音，有声音则键盘正常。
十三、超声波探伤仪数据文件丢失怎么办？
存贮在仪器内的数据一般不会丢失，如果在短时间内丢失应注意：
1．是否执行了删除操作；
2．是否经历过激烈的撞击；
3．是否长时间未开机且未充电。
十四、超声波探伤仪杂波干扰强烈或回波左右移动或忽有忽无是什么原因？
1、探头和探头线接触不良，此时去掉探头线，现象应消失；
2、电源线或充电器有干扰，去掉充电器直接使用电池，现象应消失；
3、探头或探头线离屏幕太近，引起屏辐射。
十五、为什么超声波探伤仪声音报警无效?
1．声音报警关闭；
2．波幅不在波门报警幅度范围内。
十六、为何在参数菜单中，探头K值与折射角的正切值并不相等? 答：由于仪器精度的原因，在计算K值与折射角时可能会出现误差，但误差值一般在0.5度以内，不会影响探伤精度。
十七、为何有时探伤时调声程，屏幕冻结，死机？
答：在“声程-1”状态下调节声程，应注意不可一直按住<+>或<->键不放，这样仪器会因反应速度的问题而死机。应该在按<+>或<->键时有少许停顿时间，或直接用“声程-2”来调节。
十八、为何有时垂直读值准确而水平读值不准？
超声探伤系统 篇3
关键词：探头旋转,超声波探伤,Profinet,故障安全型
0 引言
超声波探伤是目前无缝钢管无损检测中最重要、最适合的检测手段,在无缝钢管的生产中占据着举足轻重的地位[1]。为了保证无缝钢管产品质量,超声波探伤时需要对管体进行横向、纵向缺陷的检测,同时对壁厚进行测量。通常的超声波探伤方式有探头旋转、钢管直线前进,探头不动、钢管螺旋前进,探头直线扫查、钢管原地旋转这三种方式[2]。其中探头旋转、钢管直线前进的超声波探伤(后简称探头旋转超声波探伤)方式具有探伤速度快、效率高、无磨损等优点,但是检测时旋转探头要保持稳定的转速、良好的水耦合效果以及与钢管的同轴度,同时也要保证生产的安全性,这就需要一套安全、可靠、高精度的控制系统进行控制。
在某钢管厂精整生产线中,探头旋转超声波探伤设备自动控制系统基于西门子ET200S,具有如下优点:(1)高可靠性,高稳定性,高安全性;(2)模块化设计,功能多样,柔性好;(3)更少的安装空间,更简单的接线方式;(4)更快速的故障诊断功能,支持热插拔;(5)应用Profinet工业以太网,实现PLC与变频器、编码器、工控机、HMI、现场工作站的实时数据通信。系统实现了设备旋转体主机转速、升降平台高度、供水系统以及钢管夹持定位及传送等控制功能。
1 探伤设备组成及工艺流程
如图1所示,探头旋转超声波探伤设备的机械部分包括入口夹送辊[3](夹送辊1、2)、出口夹送辊(夹送辊3、4)、旋转体主机、升降平台、供水系统、水过滤系统及喷标机构等装置。
探伤时,旋转体从检修位置运行到工作位置,升降平台整体根据输入钢管的外径规格调整到预定计算高度。供水系统检测水箱的水位,在水量充足的情况下由供水管路供水。旋转体开始旋转,当旋转体达到设定转速后,开始进行钢管的探伤。上料辊道经过手动或者自动控制,将钢管输送到入口夹送辊。入口和出口夹送辊控制钢管的直线前进,如果探伤发现钢管有缺陷,则根据缺陷类型发送喷标信息给喷标装置,同时工作台进行声光报警,并传递分选信号到下料辊道。当一支钢管探伤完成,下一支钢管紧随其后进行探伤,实现钢管的自动连续探伤。
2 电气控制系统组成
根据工艺流程以及设备的功能需求,选用ET200 S中IM151-8 F PN/DP的CPU单元作为主控单元进行硬件组态。探伤设备电气控制系统包含IM151-8F PN/DP主站,3个室内从站,4个夹送辊编码器,1个升降平台电动机编码器,3台具有安全功能的变频器,5个现场从站,工控机站以及HMI触摸面板。主站CPU基于Profinet工业以太网技术,实现与变频器、工控机、HMI、编码器、分布式I/O站点、远程站点之间的实时数据通信;该CPU具有类似于S7-300 314系列CPU的性能,同时与S7-300 CPU完全兼容,还具有故障安全型CPU的功能,完全能够满足上述探伤系统的自动控制需求。室内从站选用IM151-3 PN HF分布式接口模块,集成了2个端口的交换机,实现从站之间的网路互联;该从站不仅能够组态ET200S的标准模块,还能组态故障安全模块,具有故障报警功能;3个室内从站分别实现对控制台、信号处理柜、各个电气柜门用电子锁的I/O点的控制。编码器选用IHA60858多圈绝对式旋转编码器,其中4个编码器为4个夹送辊的口径(所夹持钢管的外径)提供定位,另一个编码器为平台高度调整提供定位。变频器采用西门子G120系列,功率模块带有内置的制动斩波器PM240,控制单元选用CU240E型;3台变频器分别对夹送辊电动机、旋转体电动机和升降平台电动机进行变频控制。现场从站选用ET200 Pro系列中的IM154-4 PN HF接口模块,该模块集成双口的以太网交换机,防护等级高达IP67,支持热插拔,永久接线功能,紧凑的模块化设计,易于安装,特别适合现场环境恶劣的场所;5个现场从站分别实现旋转体、旋转体小车平台、升降平台、供水系统以及夹送辊上的I/O点的控制。
探伤设备电气控制系统组成见图2,系统基于Profinet工业以太网进行通信,为提供更多的网络连接端口,选用西门子SCALANCE XB008以太网交换机,保证网络可靠稳定的运行。
3 系统功能
使用Step7进行硬件组态后,在SIMATIC Manager的程序中添加相应的功能块实现对探伤设备的控制。主要的控制功能包括:控制模式选择、钢管传送控制、旋转体进出和启停、夹送辊口径(所夹持钢管的外径)调整、供水系统控制、平台高度调整、润滑油自动供给、急停以及安全控制等。其中供水系统控制、润滑油自动供给容易实现,平台高度调整与夹送辊口径的调整方法类似,此处不再赘述;钢管传送控制、旋转体进出和启停的关键是配置好相应电动机的变频器参数。因此,后文对控制模式选择、变频器安全功能配置、夹送辊口径调整、急停功能等关键控制功能展开描述。
3.1 控制模式选择
钢管探伤控制模式分为自动、手动、半自动三种,在HMI上人工选择,三种模式在程序中处于互锁状态。HMI将模式选择信息传给PLC,PLC运行相应的控制程序。
自动模式是钢管探伤的正常生产模式,PLC接收钢管规格、旋转体速度、辊道速度等输入参数后,将输入参数转化成夹送辊口径、平台高度、变频器控制参数等信息,控制设备连续进行钢管的探伤。为有效测量钢管的长度和位置,只有PLC检测到设备中没有钢管时,才能切换到自动模式或半自动模式。在HMI上按下“自动”按钮,自动模式开启,当PLC给出准备好的信息,HMI上的绿色灯闪烁时,表示自动模式激活成功。
手动模式在对样管进行标定时使用,在此模式下钢管的运动由“双手-手持按钮盒”控制,即一只手按住按钮盒侧面的控制按钮,另一只手按压功能按钮,此时控制才有效,这样防止了误触功能按钮而出现安全事故。双手控制保证了钢管的前进后退、夹送辊的夹持动作在一个确定安全的状态下进行,该模式下钢管的传送速度处在一个低速状态。在HMI上按下“手动”按钮,手动模式开启,在任何状态下都可以切换到手动模式,即手动优先。
半自动模式在对样管自动校验时使用,在此模式下喷标装置被禁止使用,但是测长测速功能正常进行。当自动模式停止、设备空运行时,在HMI上按下“半自动”按钮,HMI上蓝灯闪烁,半自动模式激活。
3.2 变频器安全功能配置
钢管的传送由4个夹送辊通过2.2 k W的三相传送电动机驱动,传送变频器控制夹送辊电动机的速度,实现钢管直线运动0~60 m/min速度控制,控制精度在±3%以内。变频器参数使用Starter软件进行设置,控制模式为V/f方式,最大转速设置为3 600 r/min,参考电压有效值设置为1 000 V,参考电流有效值为49.8 A,转矩为84.66 N·m,参考温度为100℃,手动速度设置为150 r/min。钢管的传送需要电动机快速反应,因此将速度调节器斜坡上升时间和下降时间均设置为0.5 s。为了使电动机不出现意外的动作而产生安全事故,以及在紧急情况下安全停车,需要对变频器进行安全功能的配置,即对电动机监控功能STO、SS1、SLS、SDI进行配置。其中STO功能是防止静止的电动机出现意外加速,SS1功能是通过设定的斜坡下降时间对电动机进行安全制动,SLS功能是防止变频器出现超过速度限值的动作,SDI功能是保证电动机只能按照设定的方向转动。安全功能需要在Step7硬件配置和Starter软件里分别进行设置:在Step7硬件配置里,设置PROFIsafe数据交换类型选项为报文30[4](只有过程数据1(PZD1)有效,PZD2无效);PROFIsafe安全设备地址自动分配,这里为十六进制的C4;设置看门狗时间,注意看门狗时间要设置得比安全程序调用间隔大,这里设置为500 ms。在Starter软件里,在安全集成里选择PROFIsafe扩展功能,配置时将设备地址设置为之前的地址C4(这个地址与硬件配置的地址必须一致,否则不能建立安全通信),将STO的强制故障检查时间设置为8 000 h,通过单击拷贝参数和激活设置后,对变频器断电再上电就能对变频器进行安全功能的控制了。
旋转体变频器的参数设置方法与上述方法相同,控制模式同样为V/f控制方式,最大转速设置为3 000 r/min,参考电压有效值设置为1 000 V,参考电流有效值为93 A,转矩为190.99N·m,斜坡上升时间设置为60 s,斜坡下降时间设置为160 s。将STO的强制故障检查时间设置为9 000 h。
在编写安全功能程序时,首先建立一个FC块,设置为F-CALL;再建立一个FB块,设置为F-LAD,在FB块中进行安全功能程序的编写。然后设置安全功能程序组,编译程序后FC块将自动调用FB块。最后插入一个OB35循环中断组织块,设置循环中断时间为100 ms,在OB35中调用FC块,就此实现了对安全功能程序的周期执行。
3.3 夹送辊口径调整
夹送辊口径通过4台小功率电动机控制丝杠的转动调整,每台电动机由带安全功能的PLC软启动模块控制,位置信息由多圈绝对式编码器记录。该编码器具有25位精度,带Profinet接口,可直接在Step7中进行硬件组态。根据不同的钢管外径,PLC控制电动机正反转带动丝杆以改变夹送辊口径大小,实际位置由编码器检测。因此,夹送辊口径的调整实际上只要将口径调整量值转换成相应的编码器位置调整值即可,编码器位置调整值
式中:Emax、Emin分别为最大、最小口径对应的编码器位置值;Dmax、Dmin分别为最大、最小口径;DN为新设定口径;DO为当前口径。
当EΔ>0时,正向调整,当EΔ<0时,反向调整。实际调整控制时电动机驱动的丝杠与编码器的值存在少许的偏差,所以程序编写时,需要加入补偿参数。如果补偿参数值设置得过小,电动机就会出现来回振荡调整,如果设置得过大,又会降低调整精度,因此需要根据现场调试情况选择一个合适的补偿值。
3.4 急停功能
为了最大限度地避免设备的不安全状态,保护设备和人身安全,防止恶性事故的发生,在出现危险情况时需要启动急停按钮,控制系统立即作出反应并输出正确的信号,使设备安全停机[5]。急停输入模块采用F-DI模块,模块参数如下设置:激活状态设置为1,传感器评价模式为1 oo2模式(两重冗余信号中只要有一个触发信号被激活,就能执行预置的安全功能),互连类型为双通道对等,误差时间为300 ms。模块为急停按钮供电时必须采用模块内部传感器馈电连接。
急停按钮共3个,现场设备上2个,室内控制台上1个。当急停按钮按下时,将触发以下急停功能:设备上的24 V控制电源关闭;夹送辊停止任何动作,即使里面有钢管也要停下来;所有的气动元件泄压;平台升降停止;旋转体进出停止;转动中的旋转体在设定的安全时间之内减速并停止;供水停止;HMI界面上出现报警信息。从现场人员和设备安全的角度出发,在急停功能中还考虑了与现场上下料设备的连接,在按下急停按钮,上下料设备将切换到一个安全模式。当急停按钮恢复后,设备不能立刻恢复运行,需要安全程序确认和人工确认后再进行1 s延时急停复位才完成。急停功能可直接编写在第3.2节所述的FB块中,也可单独编写一个F-LAD功能块供其调用。
4 结束语
该钢管探伤设备自动控制系统采用基于Profinet工业以太网的故障安全型控制系统,实现了设备快速、安全、可靠的控制。三种不同的工作模式,满足设备不同控制需求。变频器的安全功能和急停功能实现对现场电动机的安全控制,减少了故障导致的设备、人员安全事故,并能在安全相关中断后快速恢复生产。该系统自生产以来,一直处于安全稳定的运行状态,故障率极低,给企业带来了良好的经济效益。
参考文献
[1]成海涛,晏如.我国无缝钢管行业发展的历程和思考[J].轧钢,2014,31(4):41.
[2]冶金无损检测人员技术资格鉴定委员会.金属材料的超声波探伤[M].北京:冶金无损检测人员技术资格鉴定委员会,2009.
[3]闫文秀.Sinamics在三辊无缝钢管连轧管机组的应用[J].冶金自动化,2013,37(5):61.
[4]王建军,洪志祥.马钢热轧横切线上的急停系统[J].冶金自动化,2013,37(2):87.
超声波探伤工安全操作规程 篇4
一、本作业岗位主要危险源（危害）
1、未按规定穿戴防护用品，导致人员伤害事故；
2、对作业场地缺乏检查，导致人员伤害事故；
3、设备电器部件老化、线路破损或PE线连接不可靠，导致触电事故发生；
4、高处作业没有采取防护措施，引发坠落事故。
二、工作准备与检查
1、必须规范着装，进入作业现场必须戴安全帽。
2、检查作业环境是否符合安全规定。
3、检查被探伤材料摆放是否平稳、可靠，确认安全后方可进行工作。
三、控制标准（安全方法和严禁事项）
1、熟悉本设备的结构性能和使用方法，遵守本安全操作规程。
2、使用仪器前必须对仪器导线、插头等有关设备及工具进行检查。检查合格后方可使用。仪器必须有可靠的接地线。
3、超声发射探伤仪的电源应使用胶皮软线或轻型移动电缆。电源线无裸露。
4、经常需要探伤的车间，在配电盘附近应装上备用固定电源，探伤者不得任意接线。
5、工作中如使用机油，要注意脚下，防止滑倒摔伤。
6、高处作业时，应遵守高处作业安全操作规程，并采取相应的防护措施，防止人和仪器从高空坠落。
7、在金属容器内探伤时，电源部分应置于容器外，操作者衣服应干燥。
超声探伤系统 篇5
具有自动扫描功能的大型超声探伤检测系统和单台手持式超声探伤仪不同,是采用伺服电机带动超声探头进行扫描检测。由于驱动伺服电机的电路在工作时会产生较强的电磁干扰,对超声探伤接收的波形往往会产生比较大的干扰[1,2,3,4]。由于对缺陷的判断是由计算机程序自动完成的,在扫描、运动过程中产生的干扰会严重影响检测的结果。目前,国内能够研制、生产大型的自动化超声检测设备的公司很少,大部分都是依靠进口,所以,一方面国内现有的文章大多是针对某个小型(或手持式)探伤仪(或探伤卡)个体内部电路的抗干扰或对超声信号进行的各种软件的处理进行研究,而对大型的、自动化的检测设备的干扰进行系统性分析的很少,另一方面,国外在这些高科技设备上的研制经验也很少会公开[5,6,7,8,9,10,11,12]。
本研究主要从系统集成角度探讨、论述大型超声自动探伤检测系统的干扰的解决方案,以及分析了笔者和一国内有名的大型超声设备提供商进行合作研制过程中的一些经验。
1 自动扫描超声探伤检测系统的干扰解决方案
1.1 自动扫描超声探伤检测系统的组成
自动扫描超声探伤检测系统一般是用于检测大型的平板、曲面、棒材等工件的,可以按照预定的轨迹控制探头(或者工件)做3个坐标以上的运动进行自动扫描检测,使检测效率和可靠性大大提高。一些高性能、多自由度(5~9个)的自动扫描超声探伤检测系统甚至还可以实现反求功能,自动扫描出工件的表面形状再进行超声探伤,使结果更准确、可靠。
自动扫描超声探伤检测系统一般由运动驱动系统、超声检测系统、缺陷分析系统等组成,如图1所示。其中,运动驱动系统是实现自动扫描的关键部分,由多个伺服电机来构成多自由度的扫描系统,以驱动探头或者工件运动;超声检测系统是实现超声波发射、接收、采样、波形显示等的功能系统;缺陷分析系统由计算机专用分析软件来实现,对接收、采样的超声波形进行缺陷的定性、定量分析。
该系统工作流程是在系统集成运动、探伤软件控制下,控制探头按照事先规划好的扫描轨迹(对于曲面可通过预扫描的方式进行)连续运动,系统根据探头运动的位置(反馈回来的位置)每隔一定位置间隔进行一次超声信号的发射、接收、采样,由分析显示模块同步对采样的超声信号进行分析、显示。该系统工作的特点在于超声检测是按位置间隔进行,而运动驱动则是处于连续工作状态。由于超声信号的采样是每个位置需要采样500~10 000个数据,才能有效分析出缺陷,而且信号的分析是实时进行的,对超声信号的信噪比要求比手持式探伤仪及非实时缺陷定性分析要高,这样能简化软件处理工作量,提高自动检测的速度和效率。
1.2 自动扫描超声探伤检测系统的干扰分析
超声探伤检测系统的干扰一般指的是除了目的超声波信号之外所有的电子信号噪声。从上述自动扫描超声探伤检测系统的组成、特性分析,干扰的来源主要有以下几种:
(1)功率半导体器件开关过程造成的电磁干扰:伺服电机的驱动电路往往采用各类现代功率半导体器件,如功率半导体、大功率晶体管(BJT)、晶闸管(SCR和GTO)、复合场控功率晶体管(IGBT)、功率场效应管(SIT和MOSFET)等。在这些器件开关过程中,都存在较高的di/dt,它们通过线路或者引线电感引起瞬态电磁噪声,频率可达几十千赫兹至几百千赫兹甚至更高,成为不可忽视的噪声源。另外PWM技术在场效应功率器件中的应用也是产生谐波噪声的一个重要因素。对超声信号的干扰主要就是运动驱动电路产生的。直流伺服电路关闭和开启下的超声波形如图2所示,从图中可以看出,超声波在伺服电路开启下出现了明显的周期性的干扰波。
(2)整流电路和高频开关电源造成的谐波干扰:检测系统中往往有一些元器件需要直流供电,而整流电路和高频开关电源造成的谐波干扰均可以传导耦合的方式造成对接在同一电网的其他设备的干扰。
(3)环境电网和其他设备造成的干扰:在工业电网中由于会接有各种电力设备,其运行往往会有大量的谐波和电磁噪声,会对电网的其他设备造成干扰。
(4)和其他设备不同的地方在于,自动扫描超声检测系统中还存在检测信号(超声波、高频信号)对驱动控制电路、计算机等其他电路的干扰。
从传播途径看主要是导线传导的耦合噪声、经公共阻抗的耦合噪声和电磁场的耦合噪声。
从干扰对超声信号的影响看,未采取有效抗干扰措施的电路的干扰波形和有效的超声波形无法有效区别,如图2(b)所示。在后续软件处理中可以使用阀门控制线对干扰进行处理。由于干扰比较强,如用太低的阀门线(阀门线1),则不能有效去除干扰,造成缺陷的误判,如果取高些(阀门线2),则可能把有效缺陷信号也给去除,造成缺陷的漏检。即使通过一些其他分析方法(如频谱分析、小波分析等)能将缺陷和干扰做一定程度定性的区别,但对于一些定量分析和实时性要求高的检测是无法满足的,这样会给后续软件的处理增加很大的难度和工作量。所以,对于自动扫描超声检测系统来说,从系统集成层面考虑降低系统整体的噪声是至关重要的,而不是对个体电路或通过后续软件处理的方法来解决干扰。
1.3 干扰解决方案
因为有大量的文章研究探伤仪、探伤卡伺服驱动等个体电路的抗干扰方法及软件的处理方法,同时相应的技术也很成熟,没有必要再去对这些进行研究。本研究的重点是从系统集成角度探讨、论述对于自动扫描超声探伤检测系统的干扰解决方案以及实施经验。
对于自动扫描超声探伤检测系统的干扰解决方案,笔者从系统的电路集成方案、隔离、滤波、屏蔽几方面来分析。
1.3.1 合理的电路集成方案
采用合理的电路集成方案是保证自动化扫描系统受到的干扰尽可能小,系统具有优良的检测性能的关键。从系统集成看,自动扫描超声检测设备电路主要由运动驱动电路、控制电路、超声检测电路组成,下面从这几部分电路的特点、抗干扰要求、常用方案的特性、抗干扰能力来确定具有合理的抗干扰能力的自动扫描超声探伤检测系统的电路集成方案:
(1)运动驱动电路。运动驱动电路是实现自动化扫描的关键,同时也是超声信号比较主要的干扰源。根据供电电源可分为直流伺服驱动电路和交流伺服驱动电路。直流伺服驱动电路一般是采用变压器降压后经整流为直流电供电,功率驱动器件常采用场效应管,采用PWM技术控制,特点是简单、成本低,但其缺点是有电刷、易磨损。交流伺服驱动电路采用交流电供电,功率驱动器件常采用复合场控功率晶体管(IG-BT),其特点是电路复杂、成本高,但无电刷、易维护。上述两种方式的直流伺服驱动系统由于采用直流电驱动,电路中电流畸变、谐波小,对超声信号干扰小,但由于其控制往往采用PWM方式进行,处理不好的话,反而会导致超声信号出现和调制脉冲频率相同的尖峰干扰,如图2(b)所示。而且控制电路和功率驱动电路往往共用参考地,无隔离(如意大利的MCS Plus直流伺服系列等),易通过传导耦合传递干扰,而交流伺服电路目前随着交流伺服驱动技术越来越成熟,电路中的谐波噪声只要采取措施得当,干扰并不大(如图4所示),而且控制电路和功率驱动电路往往相互隔离,从系统集成的角度考虑更易采取一些措施减小干扰的影响,所以,建议在自动扫描超声探伤检测系统采用交流伺服系统实现自动扫描。
(2)控制电路。运动控制可以采用运动控制卡、独立的运动控制器、PLC等。独立的运动控制器、PLC抗干扰性好,容易和超声电路隔离,如果是一些简单的、标准的工件,可以采用。运动控制卡一般直接装在工控机中,可以实现比较复杂的工件的扫描(如曲面等),同时容易和超声采样、分析程序模块集成化,更容易保证运动位置和扫描位置的同步。运动控制卡一般通过接口卡和运动驱动电路相连接,从抗干扰角度来说要求接口卡具有光电隔离的措施,使之能有效地隔离运动驱动电路的干扰。所以,从更易于实现软件系统的集成考虑,在大型的多自由度自动扫描系统中建议采用运动控制卡及具有光电隔离的接口卡来实现运动控制和干扰的隔离。
(3)超声检测电路。超声检测电路实现超声的发生、接收、采样、数据存储、传送,既是主要的被干扰对象,同时其高频信号对其他电路也会产生干扰。常用于自动扫描系统中的超声检测部件类型有数字式超声探伤仪和超声探伤卡。数字式超声探伤仪既可单独手动探伤,又可用于自动探伤,可以存储一定的数据,同时又可通过如RS-485等通讯接口将数据高速传送至计算机进行分析、处理,从电路来说,也易于和运动控制电路、计算机等隔离,但缺点也比较明显,尽管其和计算机之间能够高速通讯,但对于自动扫描系统来说仍然满足不了产生的大量数据的传送速度,会影响自动扫描的速率。超声探伤卡的特点是直接安装在工控机中,使用方便,采样的数据可以直接传送至工控机内存中,速度和存储空间能完全满足扫描速率的要求,超声的发射、接收、采样、传送易于集成至软件系统中,电路中均有优异的隔离措施,避免超声信号对工控机数字电路的干扰,同时,一般随带的驱动程序中已经集成了软件滤波等抗干扰的功能,能有效消除超声波频率之外的噪声干扰,给后续软件的处理带来很大方便。所以,建议使用超声卡来实现超声的检测电路。
(4)可靠的部件、元器件。选择可靠性高的元件能有效保证系统工作的稳定性和抗干扰能力,如检测系统采用的运动控制卡、超声采样卡一般均采用计算机内安装的板卡,所以计算机要选用适合在工业现场使用的抗干扰能力优异的工控机(如西门子工控机、研华工控机),这也是运动控制卡、超声采样卡工作稳定、可靠的重要保证。
从上述部件的电路方案的分析、选择看,自动扫描检测系统的运动驱动电路选择交流伺服系统,控制电路采用运动控制卡,超声检测系统采用超声卡。这样的系统集成虽然单个部件不是干扰最小的系统,但是,从系统集成的层面上它既保证一定抗干扰能力,又保证良好的检测性能,同时又非常容易实现硬件、软件系统的各种功能集成的系统,这也是经过实际验证的比较优异的系统集成方案。而后续讨论的抗干扰措施也是基于这个方案来进行的。
1.3.2 系统的隔离
隔离是有效阻截、衰减噪声的措施。按上述系统集成方案进行的自动扫描超声检测系统需要的隔离包括:强电(运动驱动系统)、弱电电路(控制电路、计算机等)的隔离,工业用电环境和设备用电的隔离。强电、弱电电路的隔离措施通常是在它们之间使用光电隔离接口板来建立起两者联系的同时又将直接传导耦合的干扰有效隔离。另外,强电、弱电电路之间的隔离还包括空间上的隔离,可以将各强电器件(如伺服电机驱动器等)和弱电器件(如计算机等)分开放在不同的电气柜,有效隔离通过辐射的干扰。工业用电环境中由于存在大量的各种干扰,不仅会影响超声信号,而且会影响工控机、运动控制卡等的正常工作,甚至伺服驱动电路等的正常工作也会受到影响,所以,与设备的一些重要器件之间必须采取一些有效的隔离措施。比如对工控机和直流电源的供电电源均可安排隔离变压器,有效地抑制来自电源以及其他电路的各种干扰。隔离变压器的原、副绕组一般采用分置于不同的心柱上,对整个变压器,最好能罩一个屏蔽外壳。
1.3.3 系统的滤波
滤波是对传导干扰十分有效的方法。本研究在超声扫描系统中主要使用的是电源滤波器,用来防止电网输电线中的各种高频、超高频及瞬态噪声,通过传导耦合进入各部分电路。选用滤波器的时候,必须注意L、C元件的参数要与负载阻抗的匹配,如果不合适的话,不仅收不到效果,还可能导致新的噪声。一般来说,像批量生产的工业产品应该尽可能选用同厂配套的滤波器,如伺服驱动器、工控机等一般都会有和相应型号配套的滤波器供选用。另外,磁环可以说是在滤波中一个成本低廉,又非常有效的抗干扰的元件。将整束电缆穿过一个铁氧体磁环,在磁环上面绕几匝其实就构成了一个共模扼流圈,能使正常有用的信号很好地通过,又能很好地抑制高频干扰信号的通过。在实际应用中,要根据干扰电流的频率特点来调整磁环的匝数。匝数越多,对频率较低的干扰抑制效果越好,而对频率较高的噪声抑制作用较弱。通常当干扰信号的频带较宽时,可在电缆上套两个磁环,每个磁环绕不同的匝数,这样可以同时抑制高频干扰和低频干扰。一般在伺服驱动器的电源输入侧和电机输出侧均可安放1~2个磁环,会有不错的效果。
1.3.4 系统的屏蔽
屏蔽是实现电磁干扰防护的最基本也是最重要的手段之一。屏蔽的有效性取决于完善的屏蔽和屏蔽体良好的接地。目前实施方案中伺服电机的动力线、超声信号线均要从电柜拉至机架处,长度近20 m,存在强烈的电磁辐射干扰,而控制线则易受干扰,所以,对上述3类线都要实施屏蔽。在电路中伺服电机的动力线和控制线均采用屏蔽电缆,其中伺服电机的动力线须在线的两端均良好接地。屏蔽层在接地时不能破坏其屏蔽层的完整性,在电机端须和电机管接头的外壳360°全面接地,在伺服驱动器输出端须在尽量靠近输出端子处用电缆夹子等尽可能360°范围压在可靠接地的金属安装板上(如图3所示)。控制线一般采用双绞屏蔽线,可有效防止噪声干扰,其屏蔽层可单端接在源端处的信号参考电位处(0 V)。如果要求比较严格的情况,可采用双绞双屏蔽电缆,但在超声检测系统设计过程中,双绞屏蔽线已经完全满足要求。超声探头线由于是从工件检测处引至超声卡处,线长,且和其他电缆一起走线,既要防止外部对信号的干扰,也要防止超声波对其他电路的干扰,必须要屏蔽。厂家提供的线一般是不带屏蔽的,所以,本研究在实际应用中是采用在探头线上套上编织严密的铜网线来实现屏蔽,同时屏蔽层也必须可靠接地。
1.3.5 合理的接地
接地不仅仅是安全的保证,同时也给各电路、各系统提供一个参考电位。良好的接地系统可以使由地产生的直接传导干扰、信号地产生的辐射干扰、各部分地电位差引起的地电流等等的干扰得到有效地抑制。在实际应用中,要保证接地系统要具有很低的公共阻抗,比如电气柜的元件安装板采用镀锌板(不用环氧树脂板),而且最好采用整块金属板,各器件的金属外壳最好以面积最大的部分直接安装在金属板上,来最大限度地减小各器件地电位之间的公共阻抗。强电、弱电电路,各电气柜的各器件分别在各部分电路中一点相接,然后再在整个设备中一点共同接地。各部分之间地电位必须保证极低的阻抗。
1.3.6 合理布线
由于在设备的机架、导轨上分布有众多的动力线、信号线,容易相互干扰,要合理安排走线,如信号线和动力线最好分线槽走线,如超声信号线和电机动力线不能放置在同一线槽中。
1.4 实际效果
本研究按照上述方案实施的一台9坐标轴自动扫描超声检测系统的实际效果如图4、图5所示。交流伺服驱动下采用超声卡采样标准试样,在计算机中显示的超声波形如图4所示,从中可以看出明显的始波、表面反射波、缺陷波、底波,无明显的干扰波。超声扫描软件自动扫描的图像如图5所示,可见3个人工缺陷孔的成像(分别是Φ1 mm,Φ2 mm,Φ5 mm的孔)。
2 结束语
对于自动扫描超声检测系统,只有先确定相对合理的、能满足一定抗干扰要求的系统集成方案,然后从系统集成的层面上考虑措施降低干扰,才能既使系统的整体干扰处于可控的范围,使后续信号处理的难度、工作量大大降低,同时又使大型的自动扫描检测系统的扫描效率(速度)和质量(缺陷识别)得到有效保证,设备的成本又相对较低。
随着技术的发展以及检测材料、环境等等的不同,合适的系统集成方案不尽如本研究所述的方案,相应的抗干扰措施也应随之变化。本研究仅仅提出一种从系统集成的角度考虑问题的思路,供各位专家、同行指正、交流。
参考文献
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超声探伤系统 篇6
对普通无缝钢管的超声自动化无损检测研究工作始于90年代初[1]。但近期调研了衡阳、上海、南昌、湖州和常州等地的钢管厂,发现国产的钢管自动化超声探伤设备至今多数只采用PLC作为控制器,缺乏上位机的实时监控,探伤人员需在现场探伤设备,耗费大量精力,而且这种方式受人为因素的影响很大,不利于提高产品质量和生产效率。特别目前对钢管的质量要求也越来越高,迫切需要全自动的探伤设备。针对此问题和需求,在原来的控制系统基础上增加工控机作为上位机进行实时监控,组成一套全自动检测系统,不仅可以提高系统的稳定性、可靠性,而且实现检测过程回放,大大节约人力成本。
文中设计的控制系统是将工控机作为上位机,PLC作为下位机,还采用变频调速技术,控制钢管螺旋送进速度和方向。上位机和下位机之间采用RS-232进行串口通信。此外,采用UPS(Uninterruptible Power System)电源作为上、下位机的供电电源。最后,经过实际生产运行证明,该控制系统稳定可靠。
2 系统组成及控制过程
2.1 系统组成
根据设备和探伤工艺要求,钢管全自动超声探伤控制系统包括电气部分和机械部分,其中电气部分包含IPC工控机、PLC、传感器、按钮、继电器、电磁阀、变频器和电机等,工控机用于对整个系统的监控、PLC为控制系统的核心;机械部分包括上料台架、下料分选架、探伤主机升降台、钢管输送辊道、各种气缸、链轮(或带轮)、支架和耦合泵等。
系统硬件组成框图如图1所示。
系统控制核心部件的功能原理如下。
(1)工控机
上位机采用IPC工控机用于对整个控制系统的监控,主要用来设置运行参数、在线修改运行参数、监控系统运行、报警及故障显示和管理权限等。如接受操作员对工控机下达的控制命令,通过串口发送给PLC,并实时采集PLC的反馈信息,智能判断后通知操作人员,并将检测过程保存起来,以便过程回放。
(2)PLC
下位机的主控部分采用FX2N-64MR的PLC,它主要完成数据的采集、运算、执行用户程序和检测运行状态,实现最终的控制。PLC通过串口接收工控机的操作命令,同时还负责控制辊道电机、继电器、电磁阀、接收外部传感器和按钮信号,并实时将控制状态反馈给工控机。
2.2 控制过程
本控制系统主要实现全自动功能,使得自检、监控、探伤、复查、数据保存和报告输出一体化操作。所有的机械动作都是由气缸和电机相互配合来完成,工控机通过RS-232串口与PLC进行通信控制气缸动作、电机运转和各种检测状态的切换。机械传动、气动控制、各类电机启动/停止等都由PLC控制。总体结构控制框图如图2所示。
当调试、检修或突发事件时,可根据需要通过键盘(或鼠标)进行远程控制,或是在操作面板上分别按下相应启动或停止按钮,现场进行手动操作。
正常情况下由PLC进行自动控制。合上自动开关,系统正常启动后,由接近开关J1控制上料架的拨料杆顶升,每次只拨动一支钢管翻入上料辊道内,实现自动有序地上料;钢管进入辊道后,上料架的拨料杆回缩。钢管到位后,接近开关J2控制上料辊道上的4组压轮装置的气缸杆有序回缩,让主动压轮(由电机拖动)先后压着钢管,使钢管呈螺旋状送进;延时一段时间后,4组主动压轮装置各自有序复位,为下一次上料动作作准备。钢管进入检测区时,耦合泵喷水,超声探伤开始。钢管送进到下料辊道时,接近开关J3控制下料辊道上的4组压轮装置的气缸杆有序回缩,让主动压轮(由电机拖动)先后压着钢管,使钢管继续呈螺旋状送进;当一支钢管探伤完毕后,4组主动压轮装置的各自有序复位。然后接近开关控制下料架上的斜面拨料板升起,钢管自动滚入下料槽内。最后根据探伤结果反馈过来的信号,接近开关J4/J5控制选装置分开探伤合格和不合格的钢管,分别翻入不同的斜槽内。
3 监控系统设计
监控系统的主要任务是提供人机交互界面,实现全自动探伤系统的实时监视和控制。通过串口RS232实现上位机与PLC的通信,实时读取PLC各状态位的信息,作出分析判断并发送控制命令给PLC,实现对PLC的实时监视与自动控制。因此上位机与PLC的通信为本监控系统的关键。
系统采用C++Builder作为开发平台,并选择PComm外部控件作为串口通讯控件[2]。FX2N系列PLC配有连接器,可以通过通信程序直接与上位机通信,它与上位计算机链接通信有两种方式:一种是由上位机向PLC发送初始命令;另一种是PLC向上位机发送初始化命令。为了实现对PLC的实时监控,本系统采用第一种方式,即上位机具有先权,启动通信的方式。通过PLC与上位机的通信,系统就实现了由上位工控机直接控制各部分的动作,从而实现了真正意义上的自动化。
3.1 控制协议格式
PLC与上位机通信时,由FX通讯用户手册[3]可知,采用控制协议格式4。如图3、图4所示,A、C两部分是工控机发送数据到PLC;B部分是PLC发送数据到工控机[4]。
图3中ENQ为询问(通讯请求);站号用来确定工控机在访问哪一台PLC;PLC标识号是用于识别三菱A系列PLC的MELSECNET(Ⅱ)或MELSECNET/B网络中的CPU,FX系列PLC的标识号是FFH;命令用来指定要求的操作,例如读、写操作等,分别为BR、WWR、BW、WW;报文等待时间是工控机要求的一个延迟时间,以实现发送和接收状态的转换,可以在0~150毫秒之间设定(以10毫秒为单位);字符区域为数据传送的对象;校验和代码用来检验接收到的信息中数据是否正确,将报文的第一个控制代码与校验和代码之间所有字符的十六进制数形式的ASCⅡ码求和,把和的最低两位十六进制数作为校验和代码。
3.2 通讯程序设计
在上位监视控制系统中上位机与PLC的串口通信是独立的功能模块,为此将通讯程序封装成一个类,方便系统的各个模块调用,并在类中封装一个定时器,实现对PLC执行状态的实时监控。
在类的构造函数中打开串口并进行初始化,类的析构函数中关闭串口,并根据PLC与计算机的链接协议格式4编写公有成员函数,包括对PLC强制置位、复位、读写、状态查询和状态定时查询等,并定义一个全局状态结构变量,方便各个模块调用,也防止重复定时查询PLC状态。
1)初始化
(1)变量定义
#define STX 0x02
#define ETX 0x03
#define FORCE_ON'7'
#define FORCE_OFF'8'
#define PLC_READ'0'
#define PLC_WRITE'1'
int COMM_PORT=2;
(2)串口通讯类初始化
int ret;
ret=sio_open(COMM_PORT);//选择通讯端口2
ret=sio_ioctl(COMM_PORT,B9600,P_EVEN|BIT_7|STOP_1);//串口通讯设置
ret=sio_SetReadTimeouts(COMM_PORT,600,600);
MState=new TTimer(NULL);//实例化时钟
MState->Interval=3000;//定义时钟触发时间为3秒
MState->OnTimer=MachineStateTimer;//时钟事件函数
MState->Enabled=true;
2)串口通讯类重要函数举例
(1)强制置位函数
int ret;
cook_force_addr(addr);
strcpy(cmd+2,cooked_addr);
cmd[0]=STX;
cmd[1]=FORCE_ON;
cmd[6]=ETX;
ret=sio_write(COMM_PORT,cmd,9);
ret=sio_read(COMM_PORT,cmd,1);
(2)向PLC写数据函数
int count,ret;
cook_rw_addr(addr);sscanf(data_size,“%d”,&count);
memset(cmd,0,256);
strcpy(cmd+2,cooked_addr);
strcpy(cmd+6,data_size);
strcpy(cmd+8,data);
cmd[0]=STX;
cmd[1]=PLC_WRITE;
cmd[8+count觹2]=ETX;
sum(8+count觹2+3);
memset(data,0,count觹2+4);
ret=sio_write(COMM_PORT,cmd,8+count觹2+3);
ret=sio_read(COMM_PORT,data,count觹2+4);
(3)向PLC读数据函数
(4)Timer事件
query_machine_state();//PLC状态查询函数
SendMessage(FindWindow(NULL,“main_form”),WM_MYMSG,0,0);
4 结束语
本文所设计的钢管全自动超声探伤机的控制系统,把通讯程序封装成一个类的程序设计,系统的各个模块调用方便,可移植性好;只要对所研发的控制系统稍微改动一下通信设置和通信格式,便可以与不同的厂家、不同型号的PLC通信,适应性好。系统的启动/停止,以及自动/手动的控制可由上位机直接控制,在现场也可以直接进行手动操作,调控灵活方便。在原来多通道探伤一体化仪器工控平台上增加对PLC的监控功能,即可大大提高其性价比。经过实际生产运行证明,该系统控制稳定,运行可靠。
参考文献
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[3]FX通讯用户手册(RS-232C,RS485)[Z].三菱电机株式会社.
油田套管超声探伤技术研究 篇7
1. 套管超声波探伤方法研究
套管超声波探伤技术是利用超声波在传输过程中的反射和折射规律来进行探伤的, 当超声波传输到套管表面时, 在套管的表层会发生超声波的折射和反射现象, 超声波的折射和反射规律和光的折射反射规律一致, 当超声波折射到套管内部时, 就会在套管内壁和外壁之间来回的反射。套管内部如果出现裂纹和孔隙, 这些裂纹和孔隙可以作为一个新的波源, 波源反射的超声波将会被超声波接受探头接受。如果套管内部没有损坏, 探头则接收不到相应的反射波。通过对探头接受到的回波信号分析, 可以确定套管内部损坏程度的大小。横向超声波探伤技术, 主要用来探伤套管的横向损坏, 通过将探头对准套管的中心, 在套管的上部以一定的角度, 利用超声波发射探头向套管表面发射超声波, 超声波会在套管内外壁之间来回的反射, 通过对每个点发射波信号的强弱分析, 就可以判断出该位置套管是否发生损坏。同时还可以确定在横向方向上套管内部损坏程度的大小。纵向超声波探伤技术主要是用来探测套管内部圆周方向的套管损伤, 该方法在套管圆周截面上, 超声波探头和套管截面存在一定的角度, 超声波发射探头在套管的上部发射超声波, 超声波会在套管截面方向上, 在套管的内外壁之间来回的反射, 由于截面形状因素的限制, 探头发射的超声波会被探头接受一部分, 其余大部分还是入射到套管内部中。接触式超声波套管探伤技术主要指的是将测量探头直接和套管接触, 这种方式可以保证探头和套管良好的连接, 在探头的设计中要保证探头和套管的良好接触, 需要根据套管的曲率半径来设计相应曲率半径的探头, 从而保证探头和套管表面良好的耦合, 同时在套管和探头之间要涂抹相应的超声波耦合剂。这种探头和套管直接接触的方式, 超声波的能量损失小, 因此监测的范围相对大一些。但是该方法在操作的过程中, 受到人为操作方式限制, 超声波入射套管方式差别较大, 造成了套管内超声波各种波形的混杂, 从而降低了超声波探伤的精度。套管的半径越小, 这种现象越明显, 因此该类型的探伤方法不适合小直径的套管探伤。水浸法超声波探测技术的探头和套管不直接接触, 而是利用水作为套管和探头的耦合剂, 在探测的过程中, 将套管浸到水中。该技术可以避免探头和套管的直接接触, 从而有效的减少了探头的损坏, 同时该方法可以使用大功率的超声波探头, 而且适用于套管的自动化探伤, 极大的减少了套管探伤的时间, 提高了探伤的效率。该方法采用的耦合剂为水, 不需要特殊的耦合剂, 使用成本低, 因此得到了广泛的应用。但是由于该方法探头和套管不直接接触, 超声波在水中传播时会损耗一定的能量, 到达套管的超声波能量不是很高, 该技术超声波探头检测的范围要相对的小一些, 为了能够保证超声波探伤能够完全的监测整个套管表面, 需要将套管不断的旋转, 该方法的使用需要配备相应的机械设备。局部水浸超声探测探伤技术指的是将待监测的套管一部分放入到水中, 再把超声波探头放到水中或者部分放到水中, 这种方式可以节约大量的水资源, 而且在探伤的过程中, 套管放到水中的时间较短, 减少了套管在水中的浸泡时间。这种方式也是利用水作为耦合剂, 超声波在水中传输时能量会衰减, 所以该方法也不能一次完全的将套管整个表面检查完, 需要一定的机械装置来辅助移动和转动套管。
2. 新型套管超声探伤复合探头技术研究
在套管超声波探伤的过程中, 套管的探伤速率是探头设计的重要参数, 在利用自动套管超声探伤技术中, 通常情况下采用的是螺旋式前进方式, 通过研究可以得到, 探头的探伤速度和探伤的螺旋间距以及探头的检测范围有关, 在探伤的过程中, 探头在横向上的探伤面积和纵向的探伤面积不同, 探头在横向上的监测面积要比纵向上的监测面积要大, 在本设计中探头的横向监测范围为纵向的监测范围的两倍, 这样可以提高套管超声探伤的效率。超声波探头的探测范围和探头的形状也有很大关系, 我们改变了探头晶片的参数, 提高了探头的探测范围, 将现有的探头晶片分成的两部分, 将其对称的放置。套管超声探伤探头的频率和套管的组成、制造工艺、探头结构参数等有关, 因此需要综合考虑影响探头频率的各种因素。在使用焦点探头时, 探头的频率增加, 会导致超声波束焦距的减小, 这样可以提高薄壁套管的检测精度, 对于厚壁的套管探测的精度要相对降低。而且当探头的焦距减小时, 探伤的速度也会相应的减小。因此不能盲目的增加超声波探伤探头的频率, 要根据实际条件确定合适的探头频率, 本设计采用的探头频率为四兆赫兹。超声波在入射到套管表面时, 一部分的超声波会反射到水中, 另外一部分的超声波会折射到套管中, 当超声波以不同的角度入射时, 折射后套管中的折射波也不同, 通过实验可以得到当超声波的折射角为四十度时, 超声波的透射能量最高, 因此选择该角度相对应的入射角为
20°。
3 结束语
油田套管的探伤是保证套管质量, 减少油气生产事故的有效途径, 因此需要加强油田套管超声探伤技术研究, 文章研究了套管超声探伤技术的原理方法, 并且提出了一种新型的超声波探伤探头技术, 确定了该套管超声探头的关键参数。通过研究提高了油田套管探伤的精度, 对于促进油田的安全稳定生产具有一定的意义。
摘要：在石油开采过程中, 需要用到大量的套管, 套管是油井生产重要材料。近年来随着油田油井数量的增多, 使用套管数量也在不断的增加。油田套管的质量缺陷会影响到油田的正常生产, 严重的会给油田带来巨大的经济损失。文中通过调研分析, 研究了套管超声波探伤的原理方法, 并且研究了一种新型的超声波复合探头技术。通过研究对于提高油田套管的探伤质量具有重要的意义。
关键词：油田,套管,超声波,探伤,探头,精度
参考文献
[1]沈里亚.超声波探伤原理及其应取[M].北京:机械工业出版社, 1982.
大棒材超声波探伤方法 篇8
关键词：检验,超声波,探伤,大棒材,波形
1 概述
西宁特钢大棒材探伤采用超声波探伤检测系统, 根据国家标准规定和用户的要求, 不管是一般用途还是特殊用途的大棒材钢材基本上都需要进行超声波探伤。随着用户对大棒材产品内在质量、性能、规格要求的不断提高, 对大棒材的探伤也越来越要求严格。那么针对大棒材钢材进行无损检测的技术在目前国内外钢结构领域应用也比较广泛。
2 超声波探伤原理及特点
超声波检测是目前应用最为广泛的无损检测方法之一。超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处, 并由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, 当超声波束自零件表面由探头通至金属内部, 遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波, 在荧光屏上形成脉冲波形, 根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。超声波检测与其他方法相比, 它的主要优点有:穿透能力强, 探测深度可达数米;灵敏度高, 可发现与直径约十分之几毫米的空气隙反射能力相当的反射体;在确定内部反射体的位向、大小、形状及性质等方面较为准确;仅须从一面接近被检验的物体;可立即提供缺陷检验结果;可检测材料内部尺寸很小的缺陷、可较准确地测定缺陷的长度和深度位置;超声波检验, 既不破坏成品, 半成品的完整性, 又能为产品的质量提供可靠的依据;还具有设备轻便, 运用灵活, 对人体及环境无害, 可作现场检测, 被广泛应用于工业生产。但超声波探伤法由于纵波脉冲反射法存在的盲区和缺陷取向对检测灵敏度的影响, 对位于表面和近表面的某些缺陷常常难以检测, 由于材料的某些内部组织如晶粒度、金相组成、非均匀性、非致密性等, 会使缺陷检测的灵敏度和信噪比变差, 从而不能直观地显示材料中缺陷的形态和类型, 因此需要操作者具有一定的工作经验和完整的探伤理论知识, 才能对材料中存在的缺陷进行正确的判断, 从而确定处理的方法。因此, 对超声波探伤中缺陷伤波的正确判别, 具有很大的重要意义。
3 检测方法
现场探伤检测采用纵波和横波接触法。纵波用来检测棒材内部缺陷, 适合于检测棒材内部的分层、夹渣和球状裂纹;横波用来检测棒材表面和内部的纵向线状缺陷。
3.1 仪器、探头及耦合剂选用
3.1.1 仪器
仪器应符合JB1834-76《A型脉冲反射式超声波探伤仪技术条件》所规定的技术性能指标, 并应具有衰减器。西宁特钢大棒材探伤探测仪器选用CTS-22探伤仪。
3.1.2 探头
接触法探伤采用工作频率为2.5-5MHZ;晶片直径或边长为10-20MM的直探头、双斜探头及线聚焦探头。根据需要也可采用其他类型的探头, 西宁特钢大棒材探伤选用单晶直探头和单晶斜探头两种探头。
3.1.3 耦合剂
接触法探伤采用20#-40#机油或其他介质作耦合剂。
3.2 检测方法
3.2.1现场探伤检测采用纵波和横波接触法, 选用单晶直探头和单晶斜探头。
3.2.2探测仪器选用CTS-22探伤仪
调整底波反射度为80%高, 此时面板旋钮位置, 衰减器33 d B, 增益5, 抑制4, 发射强度“强”。
3.2.4查形式:在探伤检测扫查中, 对整支钢大于2/3圆周、横向扫查, 方式见图1所示。
4 波形的分析
超声波探伤除了确定工件中缺陷的位置和大小外, 还应尽可能叛定缺陷的性质。不同性质的缺陷危害程度不同, 例如裂纹就比气孔危害大的多。因此, 缺陷定性十分重要。
4.1 根据加工工艺分析缺陷性质
工件内所形成的各种缺陷与加工工艺密切相关, 如焊接过程可能是气孔, 夹渣, 裂纹等。铸造过程就可能产生缩孔, 疏松等。锻造过程就可能产生夹层, 折叠, 白点等。
4.2 根据缺陷的特征分析缺陷性质
对于平面缺陷, 在不同的方向上探测, 其回波高度不同。在垂直于缺陷方向探测, 缺陷回波高, 在平行于缺陷方向探测, 缺陷回波低, 甚至没缺陷回波。一般的裂纹, 夹层, 折叠等缺陷就是平面形缺陷。
对于点状缺陷, 在不同方向上探测, 缺陷回波无明显变化。一般的气孔, 小夹渣等是点状缺陷。
对于密集形缺陷, 缺陷波密集互相彼连, 在不现的方向上探测, 缺陷回波类似。一般白点, 疏松, 密集气孔等属于密集形缺陷。
4.3 根据缺陷波型分析缺陷性质
静态波形:单个缺陷一般是独立出现的, 而密集缺陷是杂乱出现且互相彼连。
动态波形:不同性质的密集缺陷的动态波形对探头移动的敏感程度不同。白点对探头移动很敏感。但夹渣对探头的移动不太敏感。
4.4 根据底波分析缺陷的性质
工件内部存在缺陷时, 超声波被缺陷反射使底面的声能减少, 底波高度降低, 甚至消失。当缺陷波很强, 底波消失时, 可认为是大面积缺陷, 如夹层, 裂纹等。
当缺陷波与底波共存时, 可认为是点状缺陷 (如气孔, 夹渣等) 或面积较小的其他缺陷。
当缺陷波为互相彼连高低不同的缺陷波, 底波明显下降时, 可认为是密集缺陷, 如白点, 疏松, 密集气孔和夹渣等。
当缺陷波和底波都很低, 或两者都消失时, 可认为是大而倾斜的缺陷或是疏松。若出现“林状回波”, 可认为是内部组织粗大。
结束语
在大棒材超声波检验过程中, 发现在伤波显示中存在大小、长度不等的缺陷, 其中缺陷分布于钢材的局部、头部或贯穿整支钢材, 缺陷伤波反射有连续和不连续的形式, 最后总结出了检测方法和缺陷伤波判别定性结果。
参考文献
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[2]任森智, 张新胜.我国钢结构焊缝无损检测探析[J].山西建筑, 2007.5
建筑钢结构超声波探伤研究 篇9
近现代建筑技术在设计、制造和安装等技术方面都达到了较高水平, 建筑结构不断地向自重轻、可靠性高的方向发展。钢结构在现代化建筑的建设中使用率日益增高, 全国各地已建造许多大规模而且结构复杂的钢结构, 尤其频繁应用于厂房建设和设备安装。焊接在钢结构连接中用得最多, 其施工质量对钢结构的建成质量有巨大的直接影响。在项目建设过程中, 常采用超声波无损探伤技术检验焊缝质量, 以确保钢结构的建成质量。
一、超声波探伤技术
利用超声波经过焊缝结构的不同介质产生的反射, 遇到缺陷和构件底面时就分别发生反射波束, 在超声波探伤仪显示屏上形成了脉冲波型, 根据显示屏上脉冲波型的位置和波幅高度来判断缺陷位置和指示长度。现在普遍用的是数字式超声波探伤仪, 一般可进行数据采集、计算、记录和判别, 可自动设置灵敏度。因此, 操作简捷、探测效率高、可高空操作, 适用于检测建筑钢结构各种焊缝结构质量。超声波探伤技术依据超声波探头的K值大小和类型、标准试块表面粗糙度、焊缝探伤面宽度以及校准仪器的综合性能的标准数据进行检测, 查看回波曲线的特征, 确定焊缝内部缺陷的类型。
1. 检测要求
(1) 探伤检测人员必须掌握超声波探伤的基础技术, 具有足够的焊缝超声波探伤经验, 并掌握一定的材料、焊接基础知识。检测人员只有考取相关的资格证书, 才能从事相应的检验工作。
(2) 根据建筑钢结构的构件形状、焊接技术, 产生的缺陷部位的可能性、缺陷延展方向的可能性和验收焊缝等级要求等选择探测面。
(3) 注重选择探头频率和K值, 根据探头频率和构件厚度分析构件衰减度和穿透力。对高频率探头、大衰减度和差穿透力的构件, 超声波探伤不适用于检测其焊缝。因为频率高探头具有大区场度的近场和较大的衰减, 不利于超声波探伤。但频率和分辨率都很高的构件, 在可穿透的条件下, 频率愈高愈便于探测。在超声波探伤实际进行中, 必须全面分析各种因素, 合理选择探头的频率。但选择的探头频率一定要保证探伤灵敏度, 所以应尽量选择频率较低的探头。一般地, 钢结构焊缝超声波探伤检测选择使用2~5 MHz探头, 薄壁构件和钢网架杆件两种钢结构的焊缝选用5 MHz的探头。
探头角度必须根据材料的厚度、焊缝坡口类型和估测的缺陷种类来选择。建筑钢结构的板厚比较小, 一般使用K2.0或K2.5探头;钢网架杆件的板材的壁比较浅薄, 适宜使用K3探头。
(4) 耦合剂的透声性必须良好且流动性要适宜, 不应对材料和人体有损伤作用。为了容易使用和清理, 最好使用普通的浆糊。
2. 探测焊缝内部缺陷
(1) 对接焊缝探伤
1) 初探
检验前, 探伤人员应了解受检工件的材质、结构、厚度、焊接方法、焊接种类、坡口形式、焊缝余高、沟槽等情况。调好DAC曲线, 提高探伤灵敏度4~6 dB, 使评定线高于示波屏高度20%以上, 调好补偿增益到4 dB, 用锯齿型、平行、斜平行扫查焊缝。在斜探头扫查焊缝时, 注意显示屏上的回波信号。在焊缝上标记波幅超过评定线的回波位置, 定量缺陷。
锯齿型扫查极易探测焊缝的常见缺陷, 特别是纵向缺陷和斜纵向缺陷, 是斜探头检测焊缝的基本方法。受焊缝熔合区热影响, 熔合区中极易出现横向或斜横向缺陷, 必须使用平行和斜平行扫查进行探测。平行扫查适用于磨平余高的焊缝, 斜平行扫查适用于有余高的焊缝。平行扫查是使探头沿焊缝方向平行扫查;斜平行扫查要把探头放在焊缝余高的两侧, 前端面倾斜朝向焊缝, 中心轴线和焊缝呈10°~20°的夹角, 沿焊缝边缘进行两个方向扫查。对电渣焊缝还应增加与焊缝中心线成45°的斜向扫查。以上三种扫查方法是斜探头探测对接焊缝的基本方法, 必须相互结合和补充。三种方法的扫查速度都应在150 mm/s以下, 而且相邻两次探头移动间隔至少保证探头宽度10%能重叠, 以便能最大限度探测到缺陷。
2) 精探的扫查方法和初探雷同, 不同的是扫查速度较慢。精探仔细探测初探标记的曲波, 探测缺陷真正的最高回波, 并记录位置和指示长度。精探时, 综合前后、左右、转角、环绕等四种基本探测方式, 针对目标缺陷, 精探分为三个步骤。
(1) 探测目标缺陷最大回波, 确定回波的位置
初查能采用较高的灵敏度探测缺陷, 精探定回波区位, 判定回波在DAC曲线上Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的区位, 通常不记录和评定Ⅰ区以下的缺陷。超过评定线的信号, 应注意其是否具有裂纹等危害性缺陷特征。如有怀疑时, 应采取改变探头角度、增加探伤面、观测动态波型、结合结构工艺特征作判定。
(2) Ⅱ、Ⅲ区的回波要明确目标缺陷的定位, 排除伪缺陷
根据示波屏上最高回波的水平和垂直距离来确定目标缺陷的实际位置, 作出水平位置在检测区内与外的定论。若水平位置在检测区之外, 则目标缺陷为伪缺陷, 排除;若水平位置在检测区之内, 则可以初步判定为缺陷。根据垂直距离, 利用K值判定回波实际深度和水平距离。
(3) 缺陷的定量和记录
位于Ⅱ区或Ⅱ区以上的反射波只有一个波峰高点的缺陷, 采用降低6dB相对灵敏度法测长。如反射波峰值起伏变化, 有多个高点, 则以缺陷两端反射波极大值之间探头的移动长度确定为缺陷指示长度, 即端点峰值法。
(2) T型焊缝的探伤
T型焊接接头的坡口形式可分为单边V型和双单边V型 (即K型) , 采用埋弧自动焊技术, 14 mm厚度以下的焊接接头也可能不开坡口。用配合间隙代替, 即Ⅰ型坡口。检验T型焊缝除平板对接接头探伤外, 还要优先使用小晶片频率高的大K值探头进行如下探测方式:1) 采用斜探头在腹板一端利用前两次波探伤;2) 在翼板外侧沿焊缝采用直探头探伤;3) 采用斜探头在翼板外侧利用一次波探伤;4) 利用二次波在翼板内侧采用K 1斜探头探伤。T型焊缝大部分缺陷如气孔、夹渣、未焊透裂纹、未熔合裂纹、纵向裂纹或、斜纵向裂纹等都能极易探测出来。偶尔由于角度问题, 漏检部分未焊透至根部。
第二种方式探测未焊透、气孔、夹渣、平行或斜平行的翼板裂纹和未熔合缺陷的灵敏度很高。探测前调好距离波幅曲线和灵敏度, 测定、标记焊缝的位置, 辨别缺陷波、底波和焊缝外轮廓回波。钢结构构件板材较薄, 推荐选择频率2.5 MH z的双晶直探头。第三种探测方式定位非常方便, 探测灵敏度也很高, 适用于探测纵向缺陷和横向缺陷, 但外侧无法看到焊缝。探测前也要测定、标出焊缝的具体位置, 而且要避免焊缝外轮廓端角反射波的影响。第四种探测方式适用于检测坡口的未熔合和辅助其他探测方式, 便于进行正确综合判定。
T型接头结构和焊接形式很特殊, 不能采用统一的探伤程序。根据不同的坡口形式、焊接技术、缺陷类型、母材材质、板厚匹配、验收级别等组合不同的探测方法进行探伤。同时, 选择检测面和探头要考虑各种缺陷出现的可能性, 使声束垂直于焊接接头的主要缺陷。
二、识别评定
斜探头用于翼板外侧探伤, 沿焊缝两侧垂直方向扫查。焊角的反射波异常强烈, 但不一定存在焊缝内部缺陷。如果翼板外侧探伤探测到焊缝存在内部缺陷, 缺陷波出现的位置应是焊角反射波的前面。
T型焊缝使用直探头探伤, 要区分底波与层状撕裂、未焊透的回波。像层状撕裂, 钢结构中出现的机率小。只有比较厚的板T型焊缝才会出现, 因为低合金钢和低碳钢具有良好可焊性, 不易被撕裂破坏。底波比较稳定, 探测时移动探头不会剧烈变化。层状撕裂和未焊透由于不规则倾斜角度, 波形幅度剧烈变化, 移动探头位置也会随之移动。
三、缺陷评定
超声波探伤不会准确探出缺陷的性质和类型, 缺陷的性质特征和类型应根据缺陷回波的特征来确定。采用特定的探头在一个或多个声束方向进行转动、环绕、前后、左右等多种扫查方式, 寻找和观察回波的包络线和波形动态的规律。根据焊接技术、焊接接头结构、缺陷位置等特点, 尽可能准确地判断缺陷性质特征和类型, 用以综合评定单个或全部缺陷。
四、结语
超声波探伤常用于建筑各种钢结构各种焊缝内部探查的无损探测, 结合钢结构的制造技术, 运用不同检测组合的方法、技术和识别评定, 探测钢结构焊缝中各种内部缺陷。必要时采取相应的返修措施, 在保证各构件焊缝质量的基础上确保建筑物钢结构的整体质量。
摘要：建筑钢结构的构件需焊接制作才能完成, 焊缝的质量是直接影响构件质量的主要因素。超声波探伤是比较广泛使用的无损检测技术, 主要适用于探测钢结构焊缝内部缺陷。本文就对此问题进行了探讨, 以确保钢结构建设的质量。
关键词：建筑钢结构,超声波探伤
参考文献
[1]邹冰.建筑钢结构无损检测的质量控制[J].江西建材, 2011 (12) .
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