CN103091400B - 一种基于超声波检测的弯曲钢管自动探伤系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波检测的弯曲钢管自动探伤系统。包括一组均由驱动辊、支撑滚轮、电机安装架、支撑滚轮安装架、支撑滚轮导轨架和驱动辊安装架构成的驱动保持架，一组驱动保持架组成弯管进给机构；包括均由竖直滑动导轨架、检测滑块、梯形丝杠、丝杠电机联轴器、检测伺服电机、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组成的两套弯管超声波检测机构。本发明采用弯管沿其轴向进给，超声波探头沿弯管周向运动进行检测的全表面探伤方法，能实现对大口径弯曲钢管的超声波自动探伤，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

一种基于超声波检测的弯曲钢管自动探伤系统

技术领域

本发明涉及一种弯曲钢管自动探伤系统，尤其涉及一种基于超声波检测的弯曲钢管自动探伤系统。

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超声波检测的弯曲钢管自动探伤系统。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括弯管进给机构和两套结构相同的弯管超声波检测机构；其中：

弯管进给机构：包括一组均由驱动辊、支撑滚轮、电机安装架、支撑滚轮安装架、支撑滚轮导轨架和驱动辊安装架组成的驱动保持架；驱动辊的两端安装在驱动辊安装架上，在驱动辊安装架的一侧为支撑滚轮导轨架，驱动辊安装架的另一侧为电机安装架，支撑滚轮安装架安装在支撑滚轮导轨架上，支撑滚轮安装在支撑滚轮安装架上，每个电机安装架上可安装进给伺服电机，多根驱动保持架等间隔排列组成圆弧形的弯管进给机构；

两套结构相同的弯管超声波检测机构：均包括竖直滑动导轨架、检测滑块、梯形丝杠、丝杠电机联轴器、检测伺服电机、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；两套弯管超声波检测机构关于待检测弯管中心轴线对称放置，弯管超声波检测机构安装在弯管进给机构的中部，两个检测滑块分别安装在竖直滑动导轨架上，嵌入竖直滑动导轨架内的检测滑块部分的螺纹孔与梯形丝杠形成螺旋副，梯形丝杠经丝杠电机联轴器与安装在竖直滑动导轨架底部的检测伺服电机连接，气动伸缩杆的一端安装在检测滑块上，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。

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。

所述的各驱动辊安装架之间均通过连接螺栓连接，通过调整各驱动辊安装架之间的夹角能改变由多根驱动保持架组成的弯管进给机构的曲率半径。

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：采用弯管沿轴向进给，链式超声探头架在弯管表面作周向运动进行检测的方法，弯管进给运动和链式超声探头架检测运动相互独立，运动控制实现较简单。

4：在将待检测弯管放置到驱动保持架上之后，弯管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（俯视方向）。

图2是本发明一套弯管超声波检测机构结构图。

图3是图2沿B-B向剖视图。

图4是本发明中检测探头架部分示意图。

图5是本发明单个探头安装架（装有超声波检测探头）示意图。

图6是本发明超声波检测探头示意图。

图7是本发明单根驱动保持架结构图。

图8是本发明进行超声检测时的工作示意图。

图中：1、连接螺栓，2、水池，3、支撑滚轮，4、驱动辊，5、进给伺服电机，6、待检测弯管，7、链式超声探头架，8、竖直滑动导轨架，9、检测滑块，10、气动伸缩杆，11、电机安装架，12、超声探头架绕管材回转机构，13、梯形丝杠，14、丝杠电机联轴器，15、检测伺服电机，16、进水管口，17、探头安装架，18、弹性皮筋，19、超声波检测探头，20、联轴器，21、支撑滚轮安装架，22、紧固螺栓，23、支撑滚轮导轨架，24、驱动辊安装架。

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，本发明进行弯管超声波检测时采用待检测弯管6沿其轴向进给，链式超声探头架7在弯管表面作周向运动进行检测的方法，系统包括弯管进给机构和两套结构相同的弯管超声波检测机构。弯管进给机构包括一组均由驱动辊4、支撑滚轮3、电机安装架11、支撑滚轮安装架21、支撑滚轮导轨架23和驱动辊安装架24组成的驱动保持架；两套结构相同的弯管超声波检测机构均包括竖直滑动导轨架8、检测滑块9、梯形丝杠13、丝杠电机联轴器14、检测伺服电机15、气动伸缩杆10、超声探头架绕管材回转机构12和链式超声探头架7。

结合图2和图3所示，图2所示为一套弯管超声波检测机构。两套结构相同的弯管超声波检测机构关于进给机构的圆弧形中心线对称，分别负责待检测弯管6外半圆周和内半圆周的超声波检测。竖直滑动导轨架8为内部中空的可拆卸长方体柱，在安装检测滑块9的一侧上开有两条矩形槽作为导轨轨道，导轨架内部上下两端有滚动轴承安装架，梯形丝杠13通过滚动轴承安装在竖直滑动导轨架8的内部，检测滑块9通过导轨轨道嵌在竖直滑动导轨架8上，嵌入龙门架立柱内的检测滑块9部分的螺纹孔与梯形丝杠13形成螺旋副。梯形丝杠底部通过丝杠电机联轴器14与安装在导轨架底部的检测伺服电机15连接，因此在检测伺服电机15驱动下，检测滑块9可以沿竖直滑动导轨架8作竖直方向的运动。气动伸缩杆10的伸缩运动可以调整链式超声探头架7与待检测弯管6表面之间的距离。

结合图4所示，多个探头安装架17之间通过两侧的弹性皮筋18相连，组成链式超声探头架7，在链式超声探头架7的两端同样通过弹性皮筋18与超声探头架绕管材回转机构12相连。当链式超声探头架7不与待检测弯管6接触时，链式超声探头架7在超声探头架绕管材回转机构12上处于绷直状态。气动伸缩杆10的伸缩运动可以调整链式超声探头架7与待检测弯管6表面之间的距离，链式超声探头架7通过气动伸缩杆10推动与待检测弯管6表面接触后，气动伸缩杆10继续给链式超声探头架7施加压力，由于弹性皮筋18伸长后的张紧力作用而使链式超声探头架7紧贴在待检测弯管6表面。超声探头架绕管材回转机构12与检气动伸缩杆10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12可绕气动伸缩杆10的中点转动。当检测滑块9沿竖直滑动轨道架8作向上或向下的滑动时，气动伸缩杆10同时作伸缩运动使链式超声探头架7与待检测弯管6之间保持恒定压力，超声探头架绕管材回转机构12绕气动伸缩杆10的中点作一定角度偏转而使链式超声探头架7始终正向贴合在待检测弯管6表面，从而使链式超声探头架7绕待检测弯管6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7仅仅是作沿圆周的周向运动，因此执行机构检测滑块9与气动伸缩杆10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5和图6所示，链式超声探头架7由多个探头安装架17通过弹性皮筋18连接而成。超声波检测探头19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17上都设计有4个进水管口16，用于外接软管供水。每个探头安装架17均可以在里面安装1个四通道的超声波检测探头19，超声波检测探头19可以选用横波斜探头或者纵波直探头。超声波检测探头19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19通过连接螺钉安装在探头安装架17上。超声波检测探头19两端的带螺纹孔金属块比超声波检测探头19稍厚，从而当超声波检测探头19安装在探头安装架17上时，超声波检测探头19顶面和探头安装架17之间有一定间隙，使进水管口16接入的用作耦合的水能顺畅均匀的流到超声波检测探头19的检测面上。

弯管进给机构由处于弯管超声波检测机构前的前进给机构和处于弯管超声波检测机构后的后进给机构两部分组成，两部分的进给中心线处于同一圆弧上。在待检测弯管6通过超声波检测机构时的管段处于悬空状态，可以确保超声波检测机构可对弯管作完整的周向检测。

结合图7所示，驱动辊4的两端通过滚动轴承安装在驱动辊安装架24上，驱动辊4表面有橡胶层，用以增大驱动辊4和待检测弯管6之间的滚动摩擦力。在驱动辊安装架24的一侧有支撑滚轮导轨架23，支撑滚轮安装架21通过紧固螺栓22安装在支撑滚轮导轨架23上，支撑滚轮3通过滚动轴承安装在支撑滚轮安装架21上。在驱动辊安装架24的另一侧有电机安装架11，每个电机安装架11上可以根据需要安装进给伺服电机5，进给伺服电机5通过联轴器20和驱动辊4连接，进给伺服电机5带动驱动辊4转动从而带动待检测弯管6作沿弯管轴向的进给运动。驱动辊4从安装进给伺服电机5一侧向支撑滚轮3一侧剖面半径有小幅度减小，从而可以保证在弯管进给时待检测弯管6能始终靠在支撑滚轮3上。可以手工调节支撑滚轮安装架21在支撑滚轮导轨架23上的位置，从而使支撑滚轮3沿待检测弯管6曲率半径方向作水平调节。当调整好支撑滚轮安装架21与支撑滚轮导轨架23之间的相对位置后，支撑滚轮安装架21与支撑滚轮导轨架23之间通过紧固螺栓22固定，确保支撑滚轮3上可承受一定的作用力。因驱动辊4剖面直径减小梯度较小，因此待检测弯管6对支撑滚轮3的作用力并不会很大。

各驱动辊安装架24之间通过底角边缘的连接螺栓1连接，一方面可以保证所有驱动辊安装架24处于同一圆周上，另一方面也可以根据待检测弯管6的弯曲弧度改变各驱动辊安装架24之间的夹角，从而调整由多根驱动保持架组成的圆弧型弯管进给机构的曲率半径大小，使待检测弯管6沿弯管进给机构中心线放置在弯管进给机构上时，待检测弯管6曲率中心和弯管进给机构曲率中心重合。再通过调节每根支撑滚轮3的位置，使多根支撑滚轮3组成的圆弧的曲率中心和弯管进给机构的曲率中心相同。这样可以使不同管径的待检测弯管6都沿着弯管进给机构的中心线作进给运动，保证弯管进给方向的准确性。

在超声波检测机构的下方安放有水池2，用于收集作溢水耦合超声波检测时流出的水。由于在超声波检测机构前后驱动保持架之间的空隙较大，为了确保待检测弯管6在进行超声波检测时能平稳通过，在水池的一侧设计有用于支撑弯管的滚轮。

整个系统的工作流程如下：

1.根据该批次待检测弯管6的弯曲弧度大小调整各驱动保持架之间的间隔，使弯管进给机构中心线的曲率半径和弯管中心轴线的曲率半径相等，再调整各支撑滚轮3的位置，使待检测弯管6沿弯管进给机构中心线放置时，弯管外壁内圈恰好能紧贴在支撑滚轮3上。将待检测弯管6沿弯管进给机构中心线放置在弯管进给机构上。

2.进给伺服电机5带动各自连接的驱动辊4转动，从而带动待检测弯管6沿弯管进给机构中心线方向进给。同时打开水阀，使进水管口16进水，准备进行超声检测。

3.当待检测弯管管段到达弯管超声波检测机构时进给伺服电机5停止工作，待检测弯管6停止进给，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弯管周向进行超声波检测。首先两套弯管超声波检测机构的气动伸缩杆10分别伸长使各自的链式超声探头架7与待检测弯管6接触并继续伸长给链式超声探头架7施加一定压力，由于链式超声探头架7中各探头安装架17之间使用弹性皮筋18进行连接，因此在压力作用下各弹性皮筋18伸长使链式超声探头架7紧贴在待检测弯管6外壁上。接着两套弯管超声波检测机构中的检测伺服电机15分别开始工作使两侧的检测滑块9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气动伸缩杆10也分别相应作伸长或收缩运动，检测滑块9和气动伸缩杆10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12和气动伸缩杆10之间为铰链连接的转动副，超声探头架绕管材回转机构12可绕气动伸缩杆10连接点转动，因此只需对检测滑块9和气动伸缩杆10进行定量的运动控制，就可以使链式超声探头架7在沿待检测弯管6作周向运动的同时，与待检测弯管6之间还能始终保持恒定压力，从而链式超声探头架7能始终贴附在待检测弯管6表面。

结合图8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9初始位于和待检测弯管6同一高度位置，检测伺服电机15工作使检测滑块9作上升运动，同时气动伸缩杆10作伸长运动，从而链式超声探头架7沿弯管表面做顺时针运动，当链式超声探头架7的一端到达待检测弯管6检测剖面圆周竖直方向最高点后检测伺服电机15反转，检测滑块9下降，气动伸缩杆10收缩，使链式超声探头架6作逆时针运动回到原检测位置，随后检测滑块9继续下降，气动伸缩杆10作伸长运动，当链式超声探头架7的一端到达待检测弯管6检测剖面圆周竖直方向最低点后检测伺服电机15再次反转，检测滑块9上升，气动伸缩杆10作收缩运动，链式超声探头架7回到原检测位置，最后气动伸缩杆10收缩使链式超声探头架7离开待检测弯管6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7是作一个回摆运动，因此对同一片区域链式超声探头架7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波检测后，各进给伺服电机5再次工作带动弯管前进一小段距离，之后各进给伺服电机5停止工作，弯管超声检测机构重复步骤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。整根弯管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.进给机构带动已检测弯管离开检测系统，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 (3)

1.一种基于超声波检测的弯曲钢管自动探伤系统，其特征在于：包括弯管进给机构和两套结构相同的弯管超声波检测机构；其中：

弯管进给机构：包括一组均由驱动辊（4）、支撑滚轮（3）、电机安装架（11）、支撑滚轮安装架（21）、支撑滚轮导轨架（23）和驱动辊安装架（24）组成的驱动保持架；驱动辊（4）的两端安装在驱动辊安装架（24）上，在驱动辊安装架（24）的一侧为支撑滚轮导轨架（23），驱动辊安装架（24）的另一侧为电机安装架（11），支撑滚轮安装架（21）安装在支撑滚轮导轨架（23）上，支撑滚轮（3）安装在支撑滚轮安装架（21）上，每个电机安装架（11）上能安装进给伺服电机（5），多根驱动保持架等间隔排列组成圆弧形的弯管进给机构；

两套结构相同的弯管超声波检测机构：均包括竖直滑动导轨架（8）、检测滑块（9）、梯形丝杠（13）、丝杠电机联轴器（14）、检测伺服电机（15）、气动伸缩杆（10）、超声探头架绕管材回转机构（12）和链式超声探头架（7）；两套弯管超声波检测机构关于待检测弯管（6）中心轴线对称放置，弯管超声波检测机构安装在弯管进给机构的中部，两个检测滑块（9）分别安装在竖直滑动导轨架（8）上，嵌入竖直滑动导轨架（8）内的检测滑块（9）部分的螺纹孔与梯形丝杠（13）形成螺旋副，梯形丝杠（13）经丝杠电机联轴器（14）与安装在竖直滑动导轨架（8）底部的检测伺服电机（15）连接，气动伸缩杆（10）的一端安装在检测滑块（9）上，气动伸缩杆（10）的另一端与超声探头架绕管材回转机构（12）形成转动副，链式超声探头架（7）两端分别通过弹性皮筋（18）与超声探头架绕管材回转机构（12）连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波检测的弯曲钢管自动探伤系统，其特征在于：所述的链式超声探头架（7）由多个探头安装架（17）通过弹性皮筋（18）串接而成，每个探头安装架（17）内均安装一个四通道的超声波检测探头（19）。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声波检测的弯曲钢管自动探伤系统，其特征在于：所述的各驱动辊安装架（24）之间均通过连接螺栓（1）连接，通过调整各驱动辊安装架（24）之间的夹角能改变由多根驱动保持架组成的弯管进给机构的曲率半径。