CN101614705A - 大直径厚壁压力容器堆焊层剥离超声检测成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大直径厚壁压力容器堆焊层剥离超声检测成像系统，包括机械扫查装置、控制系统上下位机、超声数据处理成像系统等，其中机械扫查装置还包括磁轮吸附组件、机械横梁组件、垂直移动组件、超声探头夹具组件等，机械扫查装置由磁轮吸附组件吸附固定安装在压力容器壁上，控制系统上下位机驱动直流伺服电机带动超声探头夹具组件完成粗扫或精扫，磁轮吸附组件具有调节作用，可适应不同直径厚壁压力容器的检测，成像处理系统可生成直观的剥离区域平面图像，本发明采用模块化设计，方便现场应用。系统运行平稳，自动/手动控制相结合，可满足不同运行要求的控制，适用于石油化工或核电工业的厚壁压力容器堆焊层剥离检测。

Description

大直径厚壁压力容器堆焊层剥离超声检测成像系统

技术领域

本发明涉及一种容器焊层剥离超声检测成像系统，特别是一种应用于现场大直径厚壁压力容器堆焊层层间剥离的半自动超声检查、数据分析的超声检测成像系统，属利用超声技术对物体进行检测的半自动检测系统。

背景技术

在石油化工和核电领域存在大量的大直径厚壁压力容器。以化工厂的加氢反应器为例，加氢反应器是加氢裂化装置的关键设备，其主体材质多为21/4Cr-1Mo。由于该容器在高温、高压以及临氢条件下运行，长期使用后会导致如下问题：堆焊层与母体材质的层间剥离和堆焊层表面开裂等，堆焊层的层间剥离一旦产生，在以后的设备连续运行过程中会导致堆焊层层间剥离区域的扩大，同时还会引起压力容器堆焊层层下裂纹的产生。大面积的层间剥离以及层下裂纹的产生将影响到压力容器的使用寿命，并带来安全生产隐患。如果能及时发现堆焊层层间剥离并定期进行跟踪检测，将有利于安全隐患的及时发现和排除，并为厚壁压力容器的使用寿命评估提供可靠的检测分析数据。

目前，针对堆焊层层间剥离的检测方法通常是采用超声波直探头手动扫查，当发现底面回波异常或者堆焊层界面回波显著时，根据超声信号以及相关标准判定层间剥离是否存在，并对剥离区域进行人工确定和剥离面积计算。手动检测主要存在如下缺点：

检测效率低；

检测结果不直观；

手持探头进行扫查，检测结果重复性差；

检测结果的评价受人为因素影响较大，可比性差；

检测结果无法保存，可追溯性差；

随着运行时间的延长，目前大部分石油化工或核电领域的大直径厚壁压力容器已经接近或超过使用年限，堆焊层剥离问题也成为影响其安全可靠运行的主要问题。根据运行和检测的经验表明，多数层间剥离集中发生在某一特定区域，并且在此区域存在诸多小面积剥离区域，要手工绘制这些小剥离边界区域需要花费大量的检测时间，对此有关行业研发新产品，如中国专利申请号为200610009690.2(管节点焊缝超声相控阵检测成像系统)等，虽已达到一定的精度，但结构比较复杂。因此，有必要开发一种堆焊层剥离半自动超声检测系统，提高检测效率，缩短检修工期。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于现场检测的大直径厚壁压力容器堆焊层剥离超声检测成像系统。该系统能够对容器进行分块检查，即区域内自动扫查，尤其适用于容器的抽检和指定区域检测；自动识别缺陷；实时显示缺陷的相对位置、真实形状及大小；对缺陷准确定位与定量；记录、存储扫查结果；可实现全区域扫查和定点、定区域扫查。

本发明是这样实现的：一种大直径厚壁压力容器堆焊层剥离超声检测成像系统，包括机械扫查装置、控制系统上下位机、超声检测板卡、超声数据处理成像系统，其特征在于；所述的机械扫查装置还包括磁轮吸附组件、机械横梁组件、直流伺服电机、超声探头夹具组件、行程开关、垂直移动组件、零位传感器，其中所述的磁轮吸附组件通过磁力吸附将所述的机械扫查装置固定安装在厚壁压力容器的外壁，通过所述机械横梁组件中的丝杠及所述垂直移动组件中的同步带的传动带动所述超声探头夹具组件沿着被检测工件表面在水平向或垂直向移动，在固定全区域内粗扫或在指定小区域内精扫，整个扫查轨迹以可调节等间距的栅格形式进行，所述的行程开关用于限定x/y轴方向运动的最大行程范围，所述的零位传感器用于捕获x/y轴方向运动的零点位置；所述的超声探头夹具组件将探头采集到的数据传输到所述超声数据处理成像系统的超声检测板卡进行数据在线分析和处理，超声数据处理成像系统和所述的控制系统上位机是通过以太网连接实现数据通信和信号协同，控制系统上位机和下位机采用485总线分布式方式连接，控制系统上位机的所有控制指令以及信号数据通过485总线与控制系统下位机进行交互，实现系统功能。

所述的磁轮吸附组件是可调节的，通过其中活动齿轮沿固定齿轮的旋转运动，可以调节磁轮吸附组件相对于所述机械横梁组件的转角，从而调节机械横梁组件与被检容器壁之间的距离。

所述的控制系统上下位机是一个二维的运动控制系统，可以实现全区域和指定区域扫查，控制方式可以在手动/自动之间切换，水平向和垂直向的扫查速度可在设定范围内做到无极可调，两个方向的运动误差均在1mm范围内。

所述的超声数据处理成像系统是采用模块化设计，它包括设置调整模块、实时采集模块、成像处理模块、历史数据回放模块，设置调整模块包括声速校准、探头延迟设置、灵敏度设定等；实时采集模块包括信号采集及控制、实时A扫波形的显示等；成像处理模块包括A扫/C扫成像显示、剥离的测量及评价等功能。对检测数据的分析可以生成剥离区域的直观平面图像，用于判定剥离的形状和大小。

本发明由于采用上述结构其有益效果在于：堆焊层剥离超声检测成像系统实现了大直径容器的堆焊层剥离半自动超声检测，避免了由于手动检测带来的效率低下，检测结果重复性差，检测数据可追溯性差的缺点，推动了检测过程的自动化，提高了检测结果的可重复性、可靠性、可对比性和可追溯性。整个系统采用模块化设计思想，整个机械扫查装置由多个组件或者部件组成，安装与拆卸方便，极大的方便现场工程应用，同时也便于机械扫查装置的维护、改进以及运输。超声实时成像，检测结果更加直观，可比性高。采用计算机系统辅助判别缺陷，可根据缺陷波以及底波情况自动选择合适的判别及评价算法，检测数据评价更快速。采用计算机系统进行辅助定位，可快速便捷地确定剥离边界。该系统可以用于石油化工或核电领域大直径厚壁压力容器的堆焊层层间剥离检测，也可用于其他类似情况下的压力容器堆焊层层间剥离检测。

附图说明

图1为本发明的结构方框图；

图2为本发明机械扫查装置的结构示意图；

图3为本发明的控制系统上下位机的结构示意图；

图4为本发明的工作流程图。

图中：1.机械扫查装置；2.控制系统下位机；3.控制系统上位机；4.超声检测板卡；5.超声数据处理成像系统；6.磁轮吸附组件；7.机械横梁组件；8.直流伺服电机；9.超声探头夹具组件；10.行程开关；11.垂直移动组件；12.零位传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种大直径厚壁压力容器堆焊层剥离超声检测成像系统，它包括机械扫查装置1、超声检测板卡4、超声数据处理成像系统5、控制系统上下位机3、2组成。其中，控制系统上位机3和下位机2采用485总线分布式方式连接，控制系统上位机3的所有控制指令以及信号数据通过485总线与控制系统下位机2进行交互，实现系统功能；超声探头夹具组件(9)(如图2所示)将探头采集到的数据传输到成像处理系统5的超声检测板卡4，进行数据的在线分析和处理；由超声数据处理成像系统5和控制系统上位机3通过以太网连接实现数据的通信和信号协同。

如图2所示，机械扫查装置1包括磁轮吸附组件6、机械横梁组件7、直流伺服电机8、超声探头夹具组件9、行程开关10、垂直移动组件11、零位传感器12组成。两个电机(即直流伺服电机8，因两电机是相同的，故只给一个标号8)分别用于接收来自运动控制系统的水平向和垂直向的控制指令信号。磁轮吸附组件6通过磁轮组件的磁力吸附将整个机械扫查装置1固定安装在厚壁压力容器的外壁，通过直流伺服电机8和机械横梁组件7中的丝杠及垂直移动组件11中的同步带传动，带动超声探头夹具组件9沿着被检测工件表面在水平向或垂直向移动，在固定全区域内粗扫或在指定小区域内精扫，整个扫查轨迹以可调节等间距的栅格形式进行。零位传感器12用于捕获x/y轴方向运动的零点位置，行程开关10用于限定x/y轴方向运动的最大行程范围，这些信号都通过驱动单元反馈到控制系统上位机3中。磁轮吸附组件6是可调节的，通过其中活动齿轮沿固定齿轮的旋转运动，可以调节磁轮吸附组件6相对于机械横梁7的转角，从而调节机械横梁组件7与被检容器壁之间的距离。

如图3所示，控制系统上位机3通过485总线连接到控制系统下位机2的两个智能伺服驱动单元A，进而连接到执行电机，从而控制超声探头夹具组件9在水平x轴向运动的速度、加速度、位置等参数，同时探头夹具的x向位置脉冲信息，经由码盘反馈给伺服驱动单元，再传送到控制系统上位机3。对y轴方向的运动，控制系统上位机3通过伺服驱动单元B连接到执行电机，从而控制超声探头夹具组件9在Y轴方向上的运动参数，同样Y轴向的位置脉冲信息也经由码盘反馈到伺服驱动单元。

下面结合附图1～图4阐述大直径厚壁压力容器堆焊层剥离超声检测成像系统的作业过程：首先安装机械扫查装置1中的机械横梁组件7、垂直移动组件11、超声探头夹具组件9。安装零位传感器12和行程开关10。然后配置超声数据处理成像系统5和控制系统上下位机(3、2)，并连接各供水、供电及信号线缆。确认无误后，启动超声数据处理成像系统5，并设置检测参数，启动控制系统上下位机(3、2)，设置运动控制参数。在系统配置完毕之后，启动控制系统上位机3与超声数据处理成像系统5的通信，并进行超声探头夹具组件9的零位校正动作。至此，系统准备完毕。

控制系统上位机3启动相应程序，通过控制系统下位机2传递控制指令到机械扫查装置1中的直流伺服电机8，同时触发超声数据处理成像系统5检测。机械扫查装置1中的传动装置带动超声探头夹具组件9和超声探头，使其沿设定的轨迹运行。同时超声探头夹具组件9通过超声采集/存储系统，将信号传输给数据后处理系统。控制系统上位机3实时检测探头的位置坐标并发送给超声数据处理成像系统5。超声数据成像系统5检测系统的运行状况，并实时接收控制系统上位机3发送的探头位置信号，然后将检测结果以及探头位置信息打包存储，以便用于分析处理。在探头运动停止后，将存储的超声检测数据进行软件降噪和缺陷的判别及修正，并将检测结果成像或打印输出。

Claims (4)

1.一种大直径厚壁压力容器堆焊层剥离超声检测成像系统，包括机械扫查装置(1)、控制系统上下位机(3)(2)、超声检测板卡(4)、超声数据处理成像系统(5)，其特征在于；所述的机械扫查装置(1)还包括磁轮吸附组件(6)、机械横梁组件(7)、直流伺服电机(8)、超声探头夹具组件(9)、行程开关(10)、垂直移动组件(11)、零位传感器(12)，其中所述的磁轮吸附组件(6)通过磁力吸附将所述的机械扫查装置(1)固定安装在厚壁压力容器的外壁，通过所述机械横梁组件(7)中的丝杠及所述垂直移动组件(11)中的同步带的传动带动所述超声探头夹具组件(9)沿着被检测工件表面在水平向或垂直向移动，在固定全区域内粗扫或在指定小区域内精扫，整个扫查轨迹以可调节等间距的栅格形式进行，所述的行程开关(10)用于限定x/y轴方向运动的最大行程范围，所述的零位传感器(12)用于捕获x/y轴方向运动的零点位置；所述的超声探头夹具组件(9)将探头采集到的数据传输到所述超声数据处理成像系统(5)的超声检测板卡(4)进行数据在线分析和处理，超声数据处理成像系统(5)和所述的控制系统上位机(3)是通过以太网连接实现数据通信和信号协同；控制系统上位机(3)和下位机(2)采用485总线分布式方式连接，控制系统上位机(3)的所有控制指令以及信号数据通过485总线与控制系统下位机(2)进行交互，实现系统功能。

2.根据权利要求1所述的一种大直径厚壁压力容器堆焊层剥离超声检测成像系统，其特征在于所述的磁轮吸附组件(6)是可调节的，通过其中活动齿轮沿固定齿轮的旋转运动，可以调节磁轮吸附组件(6)相对于所述机械横梁组件(7)的转角，从而调节机械横梁组件(7)与被检容器壁之间的距离。

3.根据权利要求1所述的一种大直径厚壁压力容器堆焊层剥离超声检测成像系统，其特征在于所述的控制系统上下位机(3)、(2)是一个二维的运动控制系统，可以实现全区域和指定区域扫查，控制方式可以在手动/自动之间切换，水平向和垂直向的扫查速度可在设定范围内做到无极可调，两个方向的运动误差均在1mm范围内。

4.根据权利要求1所述的一种大直径厚壁压力容器堆焊层剥离超声检测成像系统，其特征在于所述的超声数据处理成像系统(5)是采用模块化设计，它包括设置调整模块、实时采集模块、成像处理模块、历史数据回放模块，设置调整模块包括声速校准、探头延迟设置、灵敏度设定等；实时采集模块包括信号采集及控制、实时A扫波形的显示等；成像处理模块包括A扫/C扫成像显示、剥离的测量及评价等功能。对检测数据的分析可以生成剥离区域的直观平面图像，用于判定剥离的形状和大小。

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