CN103063744A - 一种基于移动龙门架式的弯曲钢管超声波自动探伤系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移动龙门架式的弯曲钢管超声波自动探伤系统。包括移动式龙门架、进给气动伸缩杆、传动蜗杆、传动蜗轮、传动杆、电机安装板、调整轨道和进给伺服电机构成的移动龙门架式进给机构；包括均由检测滑块、梯形丝杠、检测伺服电机、检测气动伸缩杆、超声探头架绕管材回转机构和链式超声探头架构成的两套弯管超声波检测机构；包括一组均由液压缸、液压活塞杆以及安装在液压活塞杆上的V型支撑架构成的液压支撑架，一组液压支撑架构成弯管保持底座。本发明能实现对大口径弯曲钢管进行超声波自动探伤，有效提高了对弯曲钢管无损探伤的精度和效率并降低了工人的检测劳动强度。

Description

一种基于移动龙门架式的弯曲钢管超声波自动探伤系统

技术领域

    本发明涉及一种弯曲钢管超声波自动探伤系统，尤其涉及一种基于移动龙门架式的弯曲钢管超声波自动探伤系统。

背景技术

弯曲钢管是油气长输送管道的重要组成部分，长输管道通过许多地形复杂、气候条件恶劣的地区， 因此，在管道敷设中需要使用大口径热煨弯管。近20年来，弯管在国内外大直径、高压油气输送管线中得到越来越广泛的使用。适用于不同工况环境的大直径、厚壁、低温、高压弯管的应用研究也在不断深入，并且取得了一些工程应用成果，弯管的应用领域也越来越广泛。

弯管在使用中受力状态复杂，且在弯制过程中工艺难度大，影响质量性能的因素多，弯管的制造及其质量（包括力学性能和尺寸极限偏差等方面）的优劣，直接影响到油气输送管道的安全、可靠性和投资经济效益。如果安全可靠性差，管道将会发生爆炸破裂，导致生命财产严重受损。造成恶劣的社会影响也是难以估计的；如在弯管制作中产生废品，也将会造成重大的经济损失。因此，对弯管在生产制造过程中采用合理的无损检测方法进行产品质量控制是十分必要的。

无损检测作为弯管生产中必不可少的一个环节，对于在弯管生产过程中及时发现缺陷，保证弯管的生产质量有着重要作用，国家有关部门要求生产企业必须按照产品标准开展高压弯管的检测。目前的检测系统可对直管进行自动连续和点动探伤检测，但是长期以来，在国内相关石油管道生产行业内，弯管无损检测基本都采用人工作业方式进行检测，在工人用手工方式完成磁粉检测后再使用便携式超声检测仪进行检测，对弯管的检测结果仍然停留在经验和各种图表上，不仅过程繁琐，工作量大，检测效率低，而且受制于人的主观性影响，对于检测缺陷的及时发现也存在一定的误判。传统的弯管手动检测方法和检测仪器无论在检测速度还是检测精度上都无法满足企业大批量的弯管生产要求，而大口径弯管的自动检测系统的研发在国内外却依然处于空白状态，因此，十分有必要开发一套大型弯管超声波自动化无损检测系统。

发明内容

针对弯曲钢管检测中普遍使用便携式超声检测仪进行人工无损检测的现状，本发明的目的在于提供一种基于移动龙门架式的弯曲钢管超声波自动探伤系统。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括移动龙门架式进给机构，两套结构相同的弯管超声波检测机构以及弯管保持底座；

移动龙门架式进给机构：包括移动式龙门架、进给气动伸缩杆、传动蜗杆、传动蜗轮、传动杆、电机安装板、调整轨道和进给伺服电机；移动式龙门架关于待检测弯管中心轴线对称放置，移动式龙门架的一侧通过定位销和进给气动伸缩杆的一端连接，传动杆的一端垂直固连在进给气动伸缩杆的另一端，传动杆的另一端能绕电机安装板上的孔转动，传动蜗轮安装在传动杆上，进给伺服电机安装在电机安装板上，传动蜗轮与安装在进给伺服电机上的传动蜗杆啮合，电机安装板安装在调整轨道上，移动式龙门架两侧底部各装有绕竖直方向无限旋转的滚轮；

两套结构相同的弯管超声波检测机构：均包括检测滑块、梯形丝杠、检测伺服电机、检测气动伸缩杆、超声探头架绕管材回转机构和链式超声探头架；检测滑块分别安装在移动式龙门架两内侧的竖直滑动轨道上，嵌入龙门架立柱内的检测滑块部分的螺纹孔与梯形丝杠形成螺旋副，梯形丝杠与安装在移动式龙门架立柱下部的检测伺服电机连接，检测气动伸缩杆的一端安装在检测滑块上，检测气动伸缩杆的另一端与超声探头架绕管材回转机构形成转动副，链式超声探头架两端分别通过弹性皮筋与超声探头架绕管材回转机构连接；

弯管保持底座：包括一组均由液压缸、液压活塞杆以及安装在液压活塞杆上的V型支撑架构成的液压支撑架。

所述的链式超声探头架由多个探头安装架通过弹性皮筋串接而成，每个探头安装架内均安装一个四通道的超声波检测探头。

本发明的有益效果是：

1、能够实现对弯管曲率半径为6D（D为弯管外壁直径），弯管外壁直径为600~1200mm，管长为2~5m的大型弯曲钢管进行超声波自动检测。

2、链式超声探头架通过配置使用横波斜探头和纵波直探头可实现对管材的轴向缺陷、周向缺陷和分层缺陷进行无损检测。

3、采用移动式龙门架沿弯管轴向进给，链式超声探头架在弯管表面作周向运动进行检测的方法，探伤系统的进给和检测运动相互独立，运动控制实现较简单。

4、在将待检测弯管放置到弯管保持底座上之后，探伤系统的进给和检测过程均在计算机控制下自动进行，检测软件可根据接收的超声回波信号自动发现和定位缺陷，从而大大提高了弯管超声波检测效率，降低了工人的劳动强度。

附图说明

图1是本发明的总体示意图。

图2是本发明移动龙门架式进给机构示意图。

图3是本发明进给机构动力传递部分局部放大图。

图4是本发明移动式龙门架底部滚轮局部放大图。

图5是本发明移动式龙门架左半侧的剖视图。

图6是图5的B-B剖视图。

图7是本发明检测探头架部分示意图。

图8是本发明单个探头安装架（装有超声波检测探头）示意图。

图9是本发明超声波检测探头示意图。

图10是本发明液压支撑架示意图。

图中：1、待检测弯管，2、移动式龙门架，3、超声探头架绕管材回转机构，4、检测气动伸缩杆，5、检测滑块，6、滚轮，7、矩形围栏，8、液压支撑架，9、链式超声探头架，10、进给气动伸缩杆，11、传动蜗杆，12、电机安装板，13、进给伺服电机，14、传动杆，15、调整轨道，16、传动蜗轮，17、梯形丝杠，18、检测伺服电机，19、进水管口，20、探头安装架，21、弹性皮筋，22、超声波检测探头，23、液压缸，24、液压活塞杆，25、V型支撑架

具体实施方式

以下结合附图和实施方式对本发明作进一步的描述。

结合图1所示，本发明进行超声波检测时采用移动式龙门架2沿待检测弯管1轴向进给，链式超声探头架9在弯管表面作周向运动进行检测的方法。系统由弯管保持底座，移动龙门架式进给机构以及两套结构相同的弯管超声波检测机构组成，弯管保持底座包括一组均由液压缸23、液压活塞杆24以及V型支撑架25构成的液压支撑架8，移动龙门架式进给机构包括移动式龙门架2、进给气动伸缩杆10、传动蜗杆11、传动蜗轮16、传动杆14、电机安装板12和进给伺服电机13，两套结构相同的弯管超声波检测机构均包括检测滑块5、梯形丝杠17、检测伺服电机18、检测气动伸缩杆4、超声探头架绕管材回转机构3和链式超声探头架9。

结合图2、图3和图4所示，移动式龙门架2关于待检测弯管1的中心轴线对称放置，移动式龙门架2两侧的底板上各安装有四个绕竖直方向无限旋转的滚轮6，因此移动式龙门架2移动时可任意转变运动方向。移动式龙门架2靠近待检测弯管1曲率中心的一侧通过定位销和进给气动伸缩杆10的一端连接，传动杆14的一端垂直固连在进给气动伸缩杆10的另一端，传动杆14的另一端通过滚动轴承安装在电机安装板12上，传动杆14可绕电机安装板12旋转。传动蜗轮16安装在传动杆14上，进给伺服电机13安装在电机安装板12上，传动蜗轮16与安装在进给伺服电机13上的传动蜗杆11啮合，电机安装板12安装在调整轨道15上。因此进给伺服电机13工作可以带动传动杆14转动，进而带动进给气动伸缩杆10转动，从而使移动式龙门架2作圆周运动。电机安装板12可按要求沿调整轨道15改变安装位置。按待检测弯管1的曲率半径调整进给气动伸缩杆10的伸长长度，再调整电机安装板12的安装位置，使进给气动伸缩杆10安装在移动式龙门架2上时，传动杆14转动中心和待检测弯管1的曲率中心重合，从而进给伺服电机13带动传动杆14转动时，移动式龙门架2能沿着待检测弯管1的中心轴线方向运动。

结合图5和图6所示，图5所示为一侧的移动式龙门架2内部结构图，移动式龙门架2另一侧结构完全相同。移动式龙门架2的两侧立柱为内部中空的可拆卸长方体立柱，在移动式龙门架2立柱的内侧开有两条矩形槽作为竖直滑动导轨，立柱内部上下两端有滚动轴承安装架，梯形丝杠17通过滚动轴承安装在龙门架立柱的内部，检测滑块5通过滑动轨道嵌在龙门架立柱上，嵌入龙门架立柱内的检测滑块5部分的螺纹孔与梯形丝杠17形成螺旋副，梯形丝杠17通过联轴器与安装在移动式龙门架立柱底部的检测伺服电机18连接。因此在检测伺服电机18驱动下，检测滑块5可以沿移动式龙门架2立柱作竖直方向的运动。

结合图7所示，多个探头安装架20之间通过两侧的弹性皮筋21相连，组成链式超声探头架9，在链式超声探头架9的两端同样通过弹性皮筋21与超声探头架绕管材回转机构3相连。当链式超声探头架9不与待检测弯管1接触时，链式超声探头架9在超声探头架绕管材回转机构3上处于绷直状态。检测气动伸缩杆4的伸缩运动可以调整链式超声探头架9与待检测弯管1表面之间的距离，链式超声探头架9通过检测气动伸缩杆4推动与待检测弯管1表面接触后，检测气动伸缩杆4继续给链式超声探头架9施加压力，由于弹性皮筋21伸长后的张紧力作用而使链式超声探头架9紧贴在待检测弯管1表面。超声探头架绕管材回转机构3与检测气动伸缩杆4的中点之间通过铰链形成转动副，因此超声探头架绕管材回转机构3可绕检测气动伸缩杆4的中点转动。当检测滑块5沿移动式龙门架2立柱的竖直滑动轨道上作向上或向下的滑动时，检测气动伸缩杆4同时作伸缩运动使链式超声探头架9与待检测弯管1之间保持恒定压力，超声探头架绕管材回转机构3绕检测气动伸缩杆4的中点作一定角度偏转而使链式超声探头架9始终正向贴合在待检测弯管1表面，从而使链式超声探头架9绕待检测弯管1作周向运动，完成对该管段的周向超声波检测。由于链式超声探头架9仅仅是作沿圆周的周向运动，因此执行机构检测滑块5与检测气动伸缩杆4之间的运动关系较简单，通过工控机设定可以方便实现对两者的运动控制。

结合图8和图9所示，链式超声探头架9由多个探头安装架20通过弹性皮筋21连接而成。超声波检测探头20工作时与弯管外壁之间的耦合方式采用溢水耦合方式，因此在每个探头安装架20上都设计有4个进水管口19，用于外接软管供水。每个探头安装架20均可以在里面安装1个四通道的超声波检测探头22，超声波检测探头22可以选用横波斜探头或者纵波直探头。超声波检测探头22的两端各粘有两块带螺纹孔的长方体金属块，超声波检测探头22通过连接螺钉安装在探头安装架20上。超声波检测探头22两端的带螺纹孔金属块比超声波检测探头22稍厚，从而当超声波检测探头22安装在探头安装架20上时，超声波检测探头22顶面和探头安装架20之间有一定间隙，使进水管口19接入的用作耦合的水能顺畅均匀的流到超声波检测探头22的检测面上。

结合图10所示，液压支撑架8由液压缸23，液压活塞杆24和V型支撑架25构成。V型支撑架25安装在液压活塞杆24上，两侧伸展的钢板成V字型，可以使不同管径的待检测弯管1均沿多个液压支撑架8组成的弯管保持底座的中心线放置。可以通过调整各液压支撑架8的排布位置，从而使多个液压支撑架8排布成的弯管保持底座曲率半径和待检测弯管1的中心轴线曲率半径相同，待检测弯管1可以平稳放置在弯管保持底座上。当链式超声探头架9对某一管段进行超声波检测时，用于支撑该管段的液压支撑架8下降，使待检测管段上无液压支撑架8相接触，可以确保两套弯管超声波检测机构可对弯管作完整的周向检测。

在超声波检测机构的周边有矩形围栏7，用于收集作溢水耦合超声波检测时流出的水。

整个系统的工作流程如下：

1.根据该批次待检测弯管1弯曲弧度大小调整各液压支撑架8之间的间隔，使多个液压支撑架8组成的弯管保持底座的圆弧形中心线曲率半径和待检测弯管1的中心轴线曲率半径相等。再调整进给气动伸缩杆10的长短和电机安装板12的位置，使进给气动伸缩杆10安装在移动式龙门架2上时，传动杆14的转动中心和弯管保持底座的圆弧形中心线曲率中心重合。将待检测弯管1放置在弯管保持底座上。

2.进给伺服电机13带动传动蜗杆11转动，传动蜗杆11通过带动传动蜗轮16使传动杆14转动，从而使进给气动伸缩杆10作水平平面的转动，进给气动伸缩杆10带动移动式龙门架2沿待检测弯管1中心轴线方向进给，同时打开水阀，使进水管口19进水，准备进行超声检测。

3.当移动龙门架式进给机构到达待检测管段时进给伺服电机13停止工作，移动式龙门架2停止运动，同时该管段下方的液压支撑架8下降，两套弯管超声波检测机构分别开始对该小段弯管的两侧沿周向进行探伤检测。首先两套弯管超声波检测机构中的检测气动伸缩杆4分别伸长使各自的链式超声探头架9与待检测弯管1接触并继续伸长给链式超声探头架9施加一定压力，由于链式超声探头架9中各探头外壳之间使用弹性皮筋21进行连接，因此在压力作用下各弹性皮筋21伸长使链式超声探头架9紧贴在待检测弯管1外壁上。接着两套弯管超声波检测机构中的检测伺服电机18分别开始工作使两侧的检测滑块5分别作上升或下降运动，方向相反，两套弯管超声波检测机构中的检测气动伸缩杆4也分别相应作伸长或收缩运动，检测滑块5和检测气动伸缩杆4的运动关系由工控机控制，由于超声探头架绕管材回转机构3和检测气动伸缩杆4之间为铰链连接的转动副，超声探头架绕管材回转机构3可绕检测气动伸缩杆4的一端转动，因此只需对检测滑块5和检测气动伸缩杆4进行定量的运动控制，就可以使链式超声探头架9在沿待检测弯管1上作周向运动的同时，与待检测弯管1之间还能始终保持恒定压力，从而链式超声探头架9能始终贴附在待检测弯管1表面。

结合图2所示，以图中弯管剖面左半圆周的超声检测进行说明，检测滑块5初始位于和待检测弯管1同一高度位置，检测伺服电机18工作使检测滑块5作上升运动，同时检测气动伸缩杆4作伸长运动，从而链式超声探头架9沿弯管表面做顺时针运动，当链式超声探头架9的一端到达待检测弯管1检测剖面圆周竖直方向最高点后检测伺服电机18反转，检测滑块5下降，检测气动伸缩杆4收缩，使链式超声探头架9作逆时针运动回到原检测位置，随后检测滑块5继续下降，检测气动伸缩杆4作伸长运动，当链式超声探头架9的一端到达待检测弯管1检测剖面圆周竖直方向最低点后检测伺服电机18再次反转，检测滑块5上升，检测气动伸缩杆4作收缩运动，链式超声探头架9回到原检测位置，最后检测气动伸缩杆4收缩使链式超声探头架9离开待检测弯管1表面，完成一次弯管周向超声检测。在检测过程中，由于链式超声探头架9是作一个回摆运动，因此对同一片区域链式超声探头架9会经过两次，提高了检测的精度。

4.当完成一次弯管周向超声检测后，进给伺服电机13再次工作带动移动式龙门架2前进一小段距离，之后进给伺服电机13停止工作，弯管超声波检测机构重复步骤3中的运动完成对该段弯管的超声检测。

重复上述工作，进而完成对整根弯管的超声检测。移动式龙门架2的进给运动和弯管超声波检测机构的检测均在工控机控制下自动完成。

5.卸下已检测弯管并放置下一根未检测弯管开始下一轮检测。

Claims (2)

1.一种基于移动龙门架式的弯曲钢管超声波自动探伤系统，其特征在于：包括移动龙门架式进给机构，两套结构相同的弯管超声波检测机构以及弯管保持底座；

移动龙门架式进给机构：包括移动式龙门架（2）、进给气动伸缩杆（10）、传动蜗杆（11）、传动蜗轮（16）、传动杆（14）、电机安装板（12）、调整轨道（15）和进给伺服电机（13）；移动式龙门架（2）关于待检测弯管（1）中心轴线对称放置，移动式龙门架（2）的一侧通过定位销和进给气动伸缩杆（10）的一端连接，传动杆（14）的一端垂直固连在进给气动伸缩杆（10）的另一端，传动杆（14）的另一端能绕电机安装板（12）上的孔转动，传动蜗轮（16）安装在传动杆（14）上，进给伺服电机（13）安装在电机安装板（12）上，传动蜗轮（16）与安装在进给伺服电机（13）上的传动蜗杆（11）啮合，电机安装板（12）安装在调整轨道（15）上，移动式龙门架（2）两侧底部各装有绕竖直方向无限旋转的滚轮（6）；

两套结构相同的弯管超声波检测机构：均包括检测滑块（5）、梯形丝杠（17）、检测伺服电机（18）、检测气动伸缩杆（4）、超声探头架绕管材回转机构（3）和链式超声探头架（9）；检测滑块（5）分别安装在移动式龙门架（2）两内侧的竖直滑动轨道上，嵌入龙门架立柱内的检测滑块（5）部分的螺纹孔与梯形丝杠（17）形成螺旋副，梯形丝杠（17）与安装在移动式龙门架立柱下部的检测伺服电机（18）连接，检测气动伸缩杆（4）的一端安装在检测滑块（5）上，检测气动伸缩杆（4）的另一端与超声探头架绕管材回转机构（3）形成转动副，链式超声探头架（9）两端分别通过弹性皮筋（21）与超声探头架绕管材回转机构（3）连接；

弯管保持底座：包括一组均由液压缸（23）、液压活塞杆（24）以及安装在液压活塞杆（24）上的V型支撑架（25）构成的液压支撑架（8）。

2.根据权利要求1所述的一种基于移动龙门架式的弯曲钢管超声波自动探伤系统，其特征在于：所述的链式超声探头架（9）由多个探头安装架（20）通过弹性皮筋（21）串接而成，每个探头安装架（20）内均安装一个四通道的超声波检测探头（22）。

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