CN109752460B - 一种深长孔管类件可视化超声无损检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种深长孔管类件可视化超声无损检测装置及方法属于装备材料腐蚀监检测领域。该装置由超声测量模块、机械运动模块、控制模块、耦合加注及辅助模块组成；超声测量模块包括超声波脉冲发射/接收器，超声发射/接收器内含高速A/D转换器；机械运动模块包括扫查装置、探头及其夹持装置、磁力驱动装置。扫查装置能在两个方向上运动，是磁性驱动轮步进的X轴和模组体检测的Y轴。扫查过程中，X轴步进电机带动同步轮‑带传动，使磁性驱动轮转动，达到步进的目的；Y轴模组体的步进电机带动探头做往复运动。Y轴探头每动一次，穿插X步进一次，即生成栅格式扫查图像。采用非接触的喷水耦合。本发明应用范围广、检测能力强、自动化程度高。扫描范围广。

Description

一种深长孔管类件可视化超声无损检测装置及方法

技术领域

本发明属于装备材料腐蚀监检测领域，涉及一种深长孔管类件可视化超声无损检测装置及方法。

背景技术

装备深长孔管类件在其应用领域发挥着重要作用，而服役过程中常常存在许多安全隐患。油气工业管类件使用量大，适用面宽，同时其报废量也大。我国每年产生约70万吨废旧油管、抽油杆，不仅占用场地，还造成了巨大的资源浪费。另外，管道腐蚀带来的安全隐患也不容忽视，国内外新闻报道中，因管道腐蚀引发的油气泄漏事故时有发生。对管道腐蚀失效隐患的监检测不到位，尤其是对输油管道存在的重大隐患没有进行科学有效的排查和治理，是这些事故发生的共同原因。无论是管类产品生产过程中的在线质量检测鉴定，还是在役管线的定期维护和检修都是预防事故发生的关键工作。废旧油管再制造修复及无损检测能够解决油田油管堆积和腐蚀结垢问题，延长油管使用寿命3倍以上，同时确保服役安全，经济效益和社会效益十分显著。此外，采用合适的无损检测手段保障战略储备油库及供应管线等再制造军用品的质量已成为排除安全隐患、确保装备安全服役亟待解决的问题，具有重大的军事效益和环境效益。然而，再制造深长孔管类件通常管内空间狭小，难以容纳检测设备，同时再制造过程中引入非均质多孔隙防腐耐磨涂层，且存在材料交界面，因此其内壁缺陷检测成为了工业生产及实际服役过程中难以攻克的突出问题。

本发明综合考虑以上背景和现状，针对装备深长孔管类件在服役过程中易发生腐蚀失效，及其在再制造生产过程中缺乏行之有效的在线监测方法及设备等问题，采用超声检测技术，研发了装备深长孔管类件专用监检测仪器，克服了再制造涂层非均质、噪声高、声衰减大、孔隙及界面对成像产生干扰等问题，可以为再制造装备管类件的质量控制提供理论依据和技术支撑。

发明内容

本发明的目的在于研制一种无损、高效、精准的深长孔管类件检测设备，对深长孔管类件进行定性、定量检测与评估，填补现有技术的空白，具有清晰、直观、精准等优点，可为提高管类件检测效率和精度，实现装备再制造的产业化、信息化、智能化生产及其在线、在役检测提供理论依据和技术支撑。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种深长孔管类件可视化超声无损检测装置及方法，其特征在于：该装置由超声测量模块、机械运动模块、控制模块、耦合加注及辅助模块组成，可对深长孔管类件进行超声自动在线、在役检测；能够进行内壁缺陷的定性和定量检测、成像与质量评估；扫查速度、声束覆盖率合理，检测效率高。

1.一种深长孔管类件可视化超声无损检测装置，其特征在于：该装置由超声测量模块、机械运动模块、控制模块、耦合加注及辅助模块组成；

超声测量模块包括超声波脉冲发射/接收器，超声发射/接收器内含高速A/D转换器；

机械运动模块包括扫查装置、探头及其夹持装置、磁力驱动装置。

各装置部分之间的连接为：扫查装置与磁力驱动装置固定连接，探头及其夹持装置与扫查装置紧固连接；探头夹持装置保证探头始终沿法向接触管外壁，保持声束方向垂直于管件法平面。

扫查装置上包含：扫查模组主体一套，步进电机一个，步进电机通过螺栓固定到模组主体上，并通过联轴器与模组主体内部同步轮轴相连。

扫查装置能在两个方向上运动，分别是磁性驱动轮步进的X轴和模组体检测的Y轴。扫查过程中，X轴步进电机带动同步轮-带传动，使磁性驱动轮转动，达到步进的目的；Y轴模组体的步进电机带动探头做往复运动。Y轴探头每动一次，穿插X步进一次，即生成栅格式扫查图像。

耦合方式采用非接触的喷水耦合。水泵和直流电源作为辅助装置，其中水泵为水耦合探头提供耦合环境，直流电源为装置提供电源，用水作为耦合剂，需要加装水泵进行供水，再由输水管线对探头位置进行供水，保证探头与工件表面的完好接触。

2.应用所述装置的方法，其特征在于：

1)、将扫查装置提起吸附于被检工件上。先开启控制模块中的电脑。开启扫查装置开关；

2)、调整扫查范围、延时和增益扫查参数，使A扫波形显示在界面上；调整X、Y方向扫查参数，打开供水开关，排出气泡后，启动扫描。

3)、扫查过程中可随时暂停扫描；某处扫查结束后，停止扫描，更换位置以继续扫查。

4)、通过电机控制，设置扫查时速度与范围，X轴为磁轮步进，Y轴为扫查轴步进。

5)、控制探头位置，找准缺陷位置和设置起始位置，停止功能可在运动过程或扫查过程中进行立即停止。

6)、扫查时，可显示范围内A扫波；通过调节增益值，放大A扫波的高度；通过延迟功能，把目标区域A扫波显示在A扫界面内；

7)、波幅成像，由接收到反射波幅高低产生；或者距离成像；

8)、显示缺陷面积并计算总缺陷面积所占百分比，判断工件是否合格。

9、)扫查结束后，依次关闭供水开关、扫查装置开关及电脑。

10)、选择保存或不保存数据及图像。通过图像载入功能对检测开始时保存的数据进行回放，并可随时暂停和结束回放过程。

采用如上所述的技术方法，本发明具有以下优越性：

一.应用范围广、检测能力强、自动化程度高。扫描范围广，能在管道上进行圆周扫查，自适应73mm-300mm多种管径，最小外管径可低至73mm；不仅完成了对再制造前、后管件的检测任务，同时也扩展了可视化无损检测装置的使用领域，除了对特定管材进行检测以外，还可以扩展到大型管状设施及平滑精密焊缝，如石油化工、船舶工业、管道焊接、核能检测等应用场合的工件检测，包括石油、天然气、市政供水管道/复合管、罐体、船舶、板材中腐蚀减薄、气孔、疏松、穿透性裂纹、再制造涂层结合不良等缺陷的快速C扫描成像检测。

二.能从外部实现深长孔的有效检测，简单方便，无需设置内置探头，避免了小管径对探头尺寸的限制；多种防水设计，防止溅水对设备运行的影响；小巧便携、可操控性强，体积小，紧贴工件，只需预留径向爬行空间85mm，有利于在受限空间内正常作业；遵循模块化的设计原则，可根据使用需求添加更多附属模块装置，兼容性强，便于进行设备的后续改进升级。

三.加入磁性驱动轮，磁性吸附力强，保证本设备能够沿垂直、水平、倒立表面进行检测作业；易操控，遥控检测，由软件自动控制磁力移动装置，减少了人工操作的失误；突破了以往对管线故障诊断需要停产检测的弊端，无需停止使用，实现了在役检测，从而减小了检测维修对生产的影响，保证了生产的进度；检测效果受工作环境影响小，检测结果稳定可靠。

附图说明：

图1装置构成示意图

图2各模块及其组成部分

图3超声数据采集图

图4超声波脉冲发射/接收器

图5扫查装置整体设计图

图6探头和探头夹持装置设计图

具体实施方式：

(1)超声测量模块是整个装置的核心，主要进行数据采集、图像处理、定量分析三个步骤。其中，数据采集由超声发射/接收器和步进/伺服电机共同完成，采用一个超声波脉冲发射/接收器，内含高速A/D(模/数)转换器，由一个单晶水浸探头获取超声数据，由运动控制器发射脉冲信号，实现步进/伺服电机的精准运动；每发射一组脉冲，实际步进的距离是0.5-2mm，通常设置为1或1.5，从而实现位置信息的反馈；A扫描与位置信息相结合生成超声C扫描图像。工控机采集到超声数据后，传送和转换器件及周围环境的影响会导致重建后超声图像质量下降，对其进行去噪处理以提高图像质量，保证缺陷特征提取的稳定性，提高检测精确度。对材料进行超声检测的过程中，各类缺陷的回波特征具有明显差异，因此对超声回波信号进行重构得到的图像中应包含反映缺陷物理特性的诸多信息，包括缺陷的尺寸、深度、形状、分布，利用threshold函数图像分割技术，可以实现缺陷的边缘阈值提取，在测量管壁剩余厚度的同时实现缺陷的可视化显示，对检测结果进行评定，从而对缺陷进行进一步的定性和定量表征，进而判断管类件是否合格；本发明不同于一般超声检测设备的一次测量方式，而是在金属层底波即金属-陶瓷结合处底波、陶瓷层底波处分别生成两张C扫描图像，将两张图像进行叠加，从而将管壁结合处缺陷及陶瓷层缺陷同时显示在一张C扫描图像上，防止结合处缺陷造成陶瓷层漏检，适应双层复合材料管检测；

机械运动模块包括扫查装置、探头及其夹持装置、磁力驱动装置。采样频率为5MHz，扫描速度最高设置值可达220mm/s，通常设置为150mm/s。各装置部分之间的连接为：扫查装置的模组体7与磁性吸附动力装置的外壳1通过8枚M4内六角螺栓固定连接，探头及其夹持装置与扫查装置模组体7上滑块用4枚M6的沉头螺栓紧固连接，仪器整体通过磁性吸附动力装置外壳1后部接头输出2条连接线与控制装置相连。

磁力驱动装置内部包含：外壳1两套，同步传动轮-带2两组，磁性驱动轮3四组，配备40:1减速机的步进电机4两组。同步传动轮-带2每组含有3个同步轮和1条同步带，同步轮依靠3mm平键和1组90°分布紧钉分别布置在减速机输出轴和磁性驱动轮3主轴上，以同步带驱动。磁性驱动轮3主轴在轴承位加装轴承后，置入外壳1的轴承孔内限制其移动自由度，步进电机4用4枚M4沉头螺栓固定于外壳1上。

探头及其夹持装置上包含：OLYMPUS的5MHz平探头5一个，探头调整固定支架6一套。探头5置入探头调整固定支架6上的圆孔内，调整旁边螺栓松紧，以夹紧固定探头。

扫查装置上包含：扫查模组主体7一套，步进电机8一个，步进电机8通过4枚M3螺栓固定到模组主体7上，并通过联轴器与模组体7内部同步轮轴相连。

扫查装置可在两个方向上运动，分别是磁性驱动轮步进的X轴和模组体检测的Y轴。扫查过程中，X轴步进电机带动同步轮-带传动，使磁性驱动轮转动，达到步进的目的；Y轴模组体的步进电机带动探头做往复运动。Y轴探头每动一次，穿插X步进一次，即生成栅格式扫查图像。

具有多闸门功能，X轴和Y轴位置精确度可达到±1.5mm，并可调节扫查分辨精度，实现三维C扫描成像。分辨精度最高可达0.5*0.5mm，即实际中可测直径略大于0.5mm以上缺陷；以分辨精度为3×3mm进行扫描时，考虑到实际测量情况，含更换设备位置、调节参数等人工操作造成的损耗时间，标准检测速度为0.7m²/h，装置配备一个24V水泵，一根5m长同轴电缆，用于数据传输、指令控制和耦合控制。牵引装置使用大扭矩步进电机和磁性驱动轮，组合驱动力为35kg，具有足够大的磁力完成旋转吸附。扫查装置由步进电机提供驱动力，内置40:1减速机，增大驱动力，使四组吸轮保证装置能够稳定地吸附在管道外壁上。表面覆有防滑橡胶的磁性驱动轮提供附着力，保证了运行的平稳。所用超声探头为OLYMPUS高频超声平探头，频率为5MHz。探头的直径为16mm，高度为72.40mm。探头夹持装置固定在直线模组上，随着模组中的同步带进行同步运动，是连接模组与探头之间的机构。采用万向节式探头夹持器外加不锈钢保护套，可保证探头始终垂直于被检面，保护套可减少粗糙的被检面对探头的磨损。探头夹持装置有三个活动部件，探头通过耦合装置和弹簧机构的共同作用，可自动调整探头方位，让探头始终沿法向接触管外壁，保持声束方向垂直于管件法平面。保留有25mm的水膜层厚度调节范围，在加注水时形成水腔，保证探头与工件之间完全被水充满，保证扫查的精度，遇到不平整表面时，也能够使探头远离工件，保护探头免受损伤。夹持调节装置，可以自适应调节探头与模组的角度，从而适应管径在73mm-300mm范围内的管件。将探头放置在夹持器上进行检测时，得到A扫图像，调整闸门，使其达到所需检测的表面对应的波形位置时，开始扫描，生成该段管道的对应C扫描图像。计算机中包含的数据采集和分析报告软件可以自动存储A、C扫描图像和厚度测量值，并可实时查看。磁力驱动装置由步进电机和磁性驱动轮组成；每个牵引装置有一组步进电机，磁性驱动轮表面上涂有防滑橡胶。使用磁力驱动装置后，能使扫查装置在垂直、水平、倒立等方向上完成对工件的扫查。磁铁采用超强磁性的钕铁硼，该材料具有许多显著特征，其分子非常活跃，极易与空气中的氧气发生氧化腐蚀反应，且脆性大，因此需要在其表面做多层处理，首先在表面进行镀锌钝化处理，防止磁性的降低。同时，又在表面涂防滑橡胶，增加摩擦力提高负载，同时橡胶能起到缓冲作用，防止磁铁破碎。采用具有邵氏硬度等级65A的聚氨酯橡胶，既能保证磁铁不会破碎，也能保证在承受吸轮压力的同时很好地支撑车体。使用时，采用四组驱动轮保证有足够的吸附能力，使装置能够吸附在管道外壁上。磁铁采用轴向充磁的方式，磁感线的方向沿着轴线方向，这样的充磁方式能够保证磁性驱动轮的外圆任意一点的磁性相同，在接触到金属管时，不会出现因为两点之间的磁性不同，而导致吸轮转动不稳定的情况。磁性驱动轮整体直径41mm，厚度为45mm。采用磁铁与铁块复合连接的方式，在保证支撑整个车体的同时，又增大了吸轮的吸附力；

控制模块由直线模组、伺服电机和工控机组成。直线模组扫查长度范围为300mm；伺服电机提供往复扫查的动力，反馈扫查的位置信息；工控机为设备提供总体控制。用水作为耦合剂，采用水泵输送的方式。在水喷溅时，壳体能确保电机使用环境的相对稳定。传动方式采用同步轮-同步带的传动方式，传动比为1：1，工作时无滑动；维护保养方便，运输费用低；环境适应性好，恶劣条件下能正常工作。采用电机+减速机一体化设计，能够在保证正常使用的前提下，减小整体的尺寸，同时一体化设计还能保证连接精度，以及机构运行的稳定性。工控机采用10芯航插线与设备相连接，并与水泵的控制线相连接，另有超声屏蔽线，将所有的运动控制以及成像集成到工控机中，实现了对管件的自动化检测；

耦合方式采用非接触的喷水耦合。相比其它类型的耦合剂，采用水为超声传导耦合剂具有天然的优势，其成本低，并且能够在随时随地大量取用，其作用是改善探头与试件间声能的传递，同时起到减少探头和试件之间摩擦的润滑作用，防止被检面磨损探头，便于移动。水泵和直流电源等作为辅助装置，其中水泵为水耦合探头提供耦合环境，直流电源为装置提供电源，减少了工作环境对电源的限制。用水作为耦合剂，需要加装水泵进行供水，再由输水管线对探头位置进行供水，保证探头与工件表面的完好接触。采用LX-1211微型直流无刷水泵。在两端壳体处加装链条，用来固定导线、水管、以及超声屏蔽线。将所有的线通过链条进行固定后统一连接到工控机中，其意义在于线材本身重量较大，若单独连接工控机与爬行机构会在机口处将线拉断，因此需要加装链条对线进行固定。

1、使用时，通过把手将扫查装置提起吸附于被检工件上。先开启电脑和扫查装置开关，再打开测试软件。

2、调整扫查范围、延时和增益等扫查参数，使A扫波形适宜地显示在界面上；选择波幅/距离成像的检测方式及材料声速，调整闸门位置框选波形；调整X、Y方向扫查参数，打开供水开关，排出气泡后，启动扫描。

3、具有扫描控制功能，为方便观察某处A扫波形，可调整闸门位置和宽度；扫查过程中可随时暂停扫描；某处扫查结束后，可停止扫描，更换位置以继续扫查。

4、通过电机控制，设置扫查时速度与范围，X轴为磁轮步进，Y轴为扫查轴步进。

5、可通过手动控制功能人为控制探头位置，方便找准缺陷位置和设置起始位置，停止功能可在运动过程或扫查过程中进行立即停止。

6、扫查时，可显示范围内A扫波；通过调节增益值，放大A扫波的高度；通过延迟功能，把目标区域A扫波显示在A扫界面内；可根据被检测工件选择材料声速；PRF可重复超声发射频率；

7、装置默认为波幅成像，由接收到反射波幅高低产生；必要时可手动直接切换为距离成像，即图像根据工件厚度变化生成，在该模式下可设置距离阈值，低于或高于该值显示为缺陷。

8、显示缺陷面积并计算总缺陷面积所占百分比，根据所设置阈值，判断工件是否合格。

9、扫查结束后，依次关闭供水开关、扫查装置开关、软件及电脑。

10、可选择保存或不保存数据及图像。通过图像载入功能对检测开始时保存的数据进行回放，并可随时暂停和结束回放过程。

Claims (2)

1.一种深长孔管类件可视化超声无损检测装置，其特征在于：该装置由超声测量模块、机械运动模块、控制模块、耦合加注及辅助模块组成；

超声测量模块包括超声波脉冲发射/接收器，超声波脉冲发射/接收器内含高速A/D转换器；

机械运动模块包括扫查装置、探头及其夹持装置、磁力驱动装置；

控制模块由直线模组、伺服电机和工控机组成；探头夹持装置固定在直线模组上，随着模组中的同步带进行同步运动，探头夹持装置是连接模组与探头之间的机构；所述探头夹持装置自适应调节探头与模组的角度，从而适应管径在73mm-300mm范围内的管件；

机械运动模块的连接为：扫查装置与磁力驱动装置固定连接，探头及其夹持装置与扫查装置紧固连接；探头夹持装置保证探头始终沿法向接触管外壁，保持声束方向垂直于管件法平面；

磁力驱动装置包含：外壳（1）两套，同步传动轮-带（2）两组，磁性驱动轮（3）四组，配备40:1减速机的步进电机（4）两组；同步传动轮-带（2）每组含有3个同步轮和1条同步带，同步轮依靠3mm平键和1组90°分布紧钉布置在减速机输出轴和磁性驱动轮（3）主轴上，以同步带驱动；磁性驱动轮（3）主轴在轴承位加装轴承后，置入外壳（1）的轴承孔内限制其移动自由度，步进电机（4）用4枚M4沉头螺栓固定于外壳（1）上；

探头及其夹持装置上包含：OLYMPUS的5MHz平探头（5）一个，探头调整固定支架（6）一套；探头（5）置入探头调整固定支架（6）上的圆孔内，调整旁边螺栓松紧，以夹紧固定探头；

扫查装置上包含：扫查模组主体（7）一套，步进电机（8）一个，步进电机（8）通过4枚M3螺栓固定到模组主体（7）上，并通过联轴器与模组主体（7）内部同步轮轴相连；

扫查装置的模组主体（7）与外壳（1）通过8枚M4内六角螺栓固定连接，探头及其夹持装置与扫查装置模组主体（7）上滑块用4枚M6的沉头螺栓紧固连接；

耦合方式采用非接触的喷水耦合；水泵和直流电源作为辅助装置，其中水泵为水耦合探头提供耦合环境，直流电源为超声无损检测装置提供电源，用水作为耦合剂，需要加装水泵进行供水，再由输水管线对探头位置进行供水，保证探头与工件表面的完好接触；

扫查装置能在两个方向上运动，分别是X轴方向即磁性驱动轮步进方向和Y轴方向即模组主体上滑块移动的方向；扫查过程中，X轴步进电机带动同步轮-带传动，使磁性驱动轮转动，达到步进的目的；Y轴模组主体的步进电机带动探头做往复运动；Y轴方向上探头每动一次，穿插X轴方向上磁性驱动轮步进一次，即生成栅格式扫查图像。

2.应用如权利要求1所述的一种深长孔管类件可视化超声无损检测装置的方法，其特征在于：

1)、将扫查装置提起吸附于被检工件上；先开启控制模块中的电脑；开启扫查装置开关；

2)、调整扫查范围、延时和增益扫查参数，使A扫波形显示在界面上；调整X、Y方向扫查参数，打开供水开关，排出气泡后，启动扫描；

3)、扫查过程中可随时暂停扫描；某处扫查结束后，停止扫描，更换位置以继续扫查；

4)、通过电机控制，设置扫查时速度与范围，X轴为磁轮步进方向，Y轴为滑块带动探头步进方向；

5)、控制探头位置，找准缺陷位置和设置起始位置，停止功能可在扫查过程中使探头进行立即停止；

6)、扫查时，显示范围内A扫波；通过调节增益值，放大A扫波的高度；通过延迟功能，把目标区域A扫波显示在A扫界面内；

7)、波幅成像，由接收到反射波幅高低产生；或者距离成像；

8)、显示缺陷面积并计算总缺陷面积所占百分比，判断工件是否合格；

9、)扫查结束后，依次关闭供水开关、扫查装置开关及电脑；

10)、选择保存或不保存数据及图像；通过图像载入功能对检测开始时保存的数据进行回放，并可随时暂停和结束回放过程。

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