CN1412552A - 大口径管道环焊缝相控阵超声波自动检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大口径管道环焊缝相控阵超声波自动检测系统，该检测系统包括主控部分、专用管道爬行器部分、超声波晶片阵列探头部分、上位机智能图形处理部分、电缆部分、专用装备车，超声波晶片阵列探头部分安装于专用管道爬行器部分上，主控部分、上位机智能图形处理部分安放在专用装备车内，用装备车内的主控部分、上位机智能图形处理部分通过电缆部分与专用管道爬行器部分连接。该系统具有体积小和重量轻的相控阵探头、参数变化具有更大的灵活性、系统可检测管道直径范围大、可从4英寸到56英寸、全厚度/直径检测必要的探头数量少，操作的成本低等优点。

Description

大口径管道环焊缝相控阵超声波自动检测系统

背景技术

在管道焊接质量的检测中，传统检测主要采用目视检测、射线检测、手工超声波检测等，其中，目视检测为最早使用的方法，一般也用于小口径管道的焊缝质量。对于大口径管道(一般指管径1米以上)环形对接焊缝来说，如果采用射线检测将是非常困难的，首先要在管子的环焊缝上贴上一圈带暗盒的增感胶片，探伤人员操作射线探伤机发射x射线，将焊缝质量情况拍摄下来，然后在暗室显影、定影、冲洗、凉干得到焊缝照片，再由专用人员评判焊缝质量。这种方法在试验室有铅房保护的情况下，工作人员的健康安全还需要加以关注，然而在管道野外施工的情况下，没有很好的保护措施，会对施工人员构成威胁，对操作人员更需要注意防止射线对人体造成的危害。另外，大口径管道每一道管口都需要很多增感胶片，资金耗费巨大，还需要大量的时间来贴片、拍摄、显影、定影、冲洗、凉干、评判。不能参与工程施工的流水作业，严重影响工程进度。

随着我国管道建设的发展和施工设备的自动化程度的提高，全自动焊接设备的应用成为一种趋势。对于全自动焊接设备完成的焊缝的质量检测，传统的检测技术早已不适应发展的需要。

近来，自动化超声检测技术又应用于石油天然气长输管线对接焊缝质量的检测，自动化超声检测技术发展势头强劲，早期的全自动超声检测系统是将多个探头组合在一起形成探头盘，每个探头具有固定的声束发射方向和聚焦深度，从而达到覆盖整个焊缝分区，通过机械自动扫查，完成焊缝检测。但是，常规多探头自动超声检测系统在对不同壁厚、不同管径、不同材质管道焊缝质量的检测中存在着系统调整难度大和探头适应范围窄以及设备笨重的缺点。

综合起来，射线照相检测及超声波检测技术虽然为石油天然气长输管道对接焊缝质量的检测工作发挥了很大的作用。但是，传统的线照相检测及超声波检测存在着许多缺点：

1、检测速度慢，特别是对管道环焊缝检测，其检测速度更为慢，严重影响所涉及的工程进度。

2、检测结果带有主观因素，并与操作人员的水平与责任性有关。

3、缺陷深度方向或缺陷的自身高度的测量困难很大，因此工程临界分析采用ECA难以实现。

4、射线探伤对人体健康有严重的伤害，工作量超标可以造成人体白细胞下降甚至导致白血病。

5、对不同壁厚、不同管径、不同材质管道焊缝质量的检测中存在着系统调整难度大和探头适应范围窄以及设备笨重。

发明内容

针对上述传统超声检测存在的问题，本发明提供一种大口径管道环焊缝相控阵超声波自动检测系统。

为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：该相控阵超声波自动检测系统包括主控部分、专用管道爬行器部分、超声波晶片阵列探头部分、上位机智能图形处理部分、电缆部分、专用装备车，其中，

超声波晶片阵列探头部分安装于专用管道爬行器部分上，

主控部分、上位机智能图形处理部分安放在专用装备车内，

专用装备车内的主控部分、上位机智能图形处理部分通过电缆部分与专用管道爬行器部分连接。

所述的主控部分包括工业控制计算机、发射部分、接收部分以及贮存于工业控制计算机的控制软件；

所述的专用管道爬行器部分包括行走导轨、晶体与契块组件、传动机构、耦合液输出单元。

所述的超声波晶片阵列探头部分包括左右晶体阵列；

所述的上位机智能图形处理部分包括一上位机、人机界面、显示器；

所述的电缆部分包括三根支电缆共128根超声连线，其中，一根为电机驱动电缆，一根编码器电缆，一根控制电缆。

所述的工业控制计算机的控制软件中有一个完整和成熟的数据模型，可将上位机传下的数据经过各种计算和处理形成了该焊缝检测的控制数据和程序，如：焦点位置、折射点位置、各声束参与发射和接收的晶体编号、各晶体发射和接收的延时时间。

所述的工业控制计算机选用了标准的14个插槽，包括4个PCI槽口和10个ISA槽口，其中的CPU主板、网卡插在PCI槽口上，两块发射板和四块接收板插在ISA槽口上。

所述的行走导轨可方便地夹固和拆卸于被测管道上，导轨带有齿条，能使爬行器精确走位；

所述的晶体与契块组件为晶体和晶体前的有机材料组成契形组件，契块之间的间距和横向位置可以通过精密丝杆调节，契块组件受压力作用通过滚轮压在管道的接触面上，并保持一定的间隙，当接触面受到大阻力时，自动抬起机构会使契块抬起，防止碰撞损坏契块；

所述的传动机构包括伺服电机、光盘编码器、电机驱动控制与地址码处理器；

所述的耦合液输出单元为设置在契块组件中的契块带有多个耦合液的输出小孔，在耦合液受泵的压力时，能使耦合液均匀喷出，形成契块与接触面之间的良好耦合。

所述的左右晶体阵列均为线性晶片阵列，每个阵列有64个晶片，每个晶片均直接接于一发射电路，每个晶片按照控制要求发射超声波，超声波发射的方向、强度和延迟时间可以改变。

所述的人机界面包括登录密码、基本参数设置、运行参数设置和计算、检测工艺选择、试验数据记录、检测数据存储、系统帮助等模块；

由于本发明采用了上述大口径管道环焊缝相控阵超声波自动检测系统，与常规的全自动超声检测设备相比，主要具有以下优点：

1、体积小和重量轻的相控阵探头。

2、因为使用电子参数设置，整个检测系统的参数变化具有更大的灵活性。

3、相控阵探头系统由功能模块组成。

4、通过调用设置文件，快速改变系统设置，适应不同的工况。

5、增加分区数量，提高缺陷定量精度和成像的分辨率。

6、采用相控阵聚焦，提高缺陷横向分辨率。

7、系统可检测管道直径范围大，可从4英寸到56英寸。

8、全厚度/直径检测必要的探头数量少，操作的成本降低。

9、系统调整难度降低、和探头适应范围宽，使用灵活。

从上述相控阵超声波自动检测系统在管道环焊缝探伤中所具有明显优点来看，应该说相控阵超声波自动检测代表着世界探伤技术的发展方向。

附图说明

图1为本发明相控阵超声波自动检测系统原理框图。

图2为本发明相控阵超声波自动检测系统应用实施例示意图。

具体实施方式

请参阅图1并结合图2所示，本发明的大口径管道环焊缝相控阵超声波自动检测系统包括主控部分1、专用管道爬行器部分2、超声波晶片阵列探头部分3、上位机智能图形处理部分4、电缆部分5、专用装备车6，其中，

超声波晶片阵列探头部分3安装于专用管道爬行器部分2上，

主控部分1、上位机智能图形处理部分4安放在专用装备车6内，

专用装备车6内的主控部分1、上位机智能图形处理部分4通过电缆部分5与专用管道爬行器部分2连接。

所述的主控部分1实际上为一相控阵检测仪(关于该检测仪的具体结构和原理在另一篇同时申请的专利中公开)，主控部分包括工业控制计算机、发射部分、接收部分以及贮存于工业控制计算机的控制软件。

主控部分1在上位机编有一个人机界面，在每次测试前可输入：管径、管壁厚、管编号、日期、材料中声音传播的速率、温度等数据。通过与主控部分网卡的通信连接将这些信号传送至主控部分的控制计算机，同时形成文件作为上位机作各种图形和作为数据保存文件时的参考数据。

主控部分1的主控计算机(下位机)有一个完整和成熟的数据模型，可将上位机传下的数据经过各种计算和处理形成了该焊缝检测的控制数据和检测程序，如：焦点位置、折射点位置、各声束参与发射和接收的晶体编号、各晶体发射和接收的延时时间等。所以，不受控制方案数量的限制，由人机界面取得的多维变量，通过数学模型产生出来的控制方法，控制方案更多、更灵活、更准确。

在检测开始前，主控部分1的下位机将上述的控制数据形成控制数据数组，直接通过系统的数据总线写入发射接收硬件板卡上的各级CPLD。

各级CPLD在收到帧同步脉冲后，按已设定的时序，发出该帧截面的各种控制脉冲，以控制各回路的选通，各发射、接收、延时、A/D、D/A转换电路、信号放大量及信号带通方式的选择，A/D转换卡的数据转换时间等。

在这一帧内，等CPLD工作完成后，下位机通过数据总线读取A/D转换卡上的全部测试数据，并将这些数据编写成文件，通过网卡传送至上位机。

主控部分1的下位机数据传送速度快，设备软件、硬件的标准化程度高，工作可靠性高。选用了PCI和ISA混合制式总线。其中有CPU主板、网卡插在PCI槽口上，两块发射板和四块接收板插在ISA槽口上。选用了标准的14个插槽，包括4个PCI槽口和10个ISA槽口。ISA槽口的数据读取速度，可大于8Mbit/S，可符合读取速度要求

由于计算机及全部电子硬件是安装在装备车6内运行，会经过条件非常差的路面的颠簸，所以，设备有很强的抗震能力和机械结构上的高可靠稳定性；同时，有高度的抗尘能力和良好的抗电源干扰的电气机柜。

发射板两块，每块64路发射单元，每块发射板由该发射板上的CPLD按时序发出16路不同延时的脉冲，激发相应的发射回路。

接收板四块，每块对应32路晶体。信号进入各接收单元后，首先经过可控增益的低噪声放大器，然后再作A/D转换，由于A/D转换的起始脉冲时间不同(由各路的CPLD发出)相应地即作了接收延时，其延时量由主控计算机在测试前，通过总线已给予各级CPLD设置。在A/D转换数据达到测试所需的字节后，在各级CPLD的统一时钟下同时将接收到的数据进行D/A转换，并将模拟信号送出板外进行模拟加。

综合板一块，作32路的总模拟加、激励电源电压控制信号产生器、电机走行控制电路、液压泵控制等。

总A/D转换板卡一块，购买成品，其要求为：

100MHz，8位数据精度，可由外同步脉冲触发同步。

可由控制端控制A/D转换，并往RAM内按顺序写入数据，如无此信号则停止读写。

可由清零控制端输入2-10微秒的脉冲，脉冲过后，写入数据的指针回零地址开始写入。

并要求备有读出数据子程序，可从输入数据首地址读出到一定的数据量止。

发射板和接收板的数据总线和地址总线符合工业计算机ISA总线标准

发射和接收可调延迟精度为2ns，发射和接收全部采用数字延迟电路，数字延迟电路以10ns以上由软件程序控制，2ns-10ns由数字延迟电路控制(通过选通控制)，时间控制长度为25000ns。

信号放大带宽1-6MHz，2-12MHz，5-20MHz，和直通带四种可程序设置。

脉冲输出：50V-200V；脉冲宽度：20ns-500ns

放大器动态范围：56Db/通道。

所述的专用管道爬行器部分包括行走导轨、晶体与契块组件、传动机构、耦合液输出单元。

所述的行走导轨可方便地夹固和拆卸于被测管道7上，导轨带有齿条，能使爬行器精确走位。

所述的晶体与契块组件为晶体和晶体前的有机材料组成契形组件，契块之间的间距和横向位置可以通过精密丝杆调节，契块组件受压力作用通过滚轮压在管道的接触面上，并保持一定的间隙，当接触面受到大阻力时，自动抬起机构会使契块抬起，防止碰撞损坏契块；

所述的传动机构包括伺服电机、光盘编码器、电机驱动控制与地址码处理器；

所述的耦合液输出单元为设置在契块组件中的契块带有多个耦合液的输出小孔，在耦合液受泵的压力时，能使耦合液均匀喷出，形成契块与接触面之间的良好耦合。

整个爬行器主要采用铝镁合金制成，重量＞20Kg，便于拆卸搬动。

所述的超声波晶片阵列探头部分包括左右晶体阵列。

所述的左右晶体阵列均为线性晶片阵列，每个阵列有64个晶片，每个晶片均直接接于一发射电路，每个晶片按照控制要求发射超声波，超声波发射的方向、强度和延迟时间可以改变。

每个晶片发射尺寸1×10mm，工作频率为5MHz，电缆引线长30米。

所述的上位机智能图形处理部分包括一上位机、人机界面、显示器。

所述的人机界面包括登录密码、基本参数设置、运行参数设置和计算、检测工艺选择、试验数据记录、检测数据存储、系统帮助等模块。

在上位机中固化有管道焊缝缺陷显示软件，该软件是一个专用的信息处理和图像显示软件，可以把下位机送上来的数据高速大容量数据(每个焊缝扫描最大数据容量20M)按照通道分布实时地显示在屏幕上。做到的了准确、高速、无遗漏。此软件可以直观地表现缺陷和焊缝的形状、位置和大小，并且可以用三维图形方式显示。

所述的电缆部分包括三根支电缆共128根超声连线，其中，一根为电机驱动电缆，一根编码器电缆，一根控制电缆。

此外还有一根耦合供水管道、一根加固钢缆和外防护套连接至装备车。

在本发明的实施例中，专用装备车6是由17座依维柯汽车改制而成，此车用于沿着管道施工方向快速检测焊接质量。管道焊接后，管道冷却到足以接触时，该检测系统便可开始工作，由于焊接一段时间后，自动焊接设备会出现一些偏差，检测系统能够检测早期的滑动并能够及时提出忠告，从而降低废品率。该系统可以参与过程控制管理，提高工程质量，加快进度。

当用本发明的检测统对管道7进行检测时，将整个管道的焊缝分割成许多小的区域，每个区域的深度为2毫米左右，分别覆盖焊缝根部、热焊区、填充区和盖冒区。使超声波扫查时能覆盖所有检测的区域。超声波是从相控阵探头上发出的，相控阵探头的每个阵列的晶片都能按照控制要求发射超声波，而且可以改变发射的方向、强度和延迟时间，晶片被安装在管道爬行器上，使得探头正好分别置于焊缝两边，爬行器通过遥控器控制可沿管道周向运动一周，运行一周只需要1分钟左右。上位机主要用于用户操作，可以输入基本管道参数和控制参数，在上位机中的操作界面输入发射的超声波束参数。检测前根据所采用的标准，校准反射体模拟工件中的缺陷完成后，数据通过网络连线传送到下位工业控制计算机，工业控制计算机根据数学模型计算并控制发射和接收的晶片、发射声束的角度、焦距和焦点尺寸，控制发射晶片发出不同角度范围的超声波，接收晶片接收反射的回波。发射是按照多个探头晶片在短时间内间隔被激发，通过对延时的精确控制，可在管道焊缝中产生不同角度、不同焦距和不同焦点的声束。所需焦点的回波均按时间间隔位移，形成A、B扫描，以及TOFD(脉冲回波和时差衍射)扫描和横向扫描波。这些回波被采集到，经过A/D卡转换成数字后经过高速传送卡传送到上位机智能图形处理部分的上位机，上位机的图像处理软件将数据还原成两维或三维立体图像显示在屏幕上，这样超声扫描的焊接图像就实时地显示在屏幕上了，用户可以观察焊缝的焊接质量，查找焊接缺陷。数据还可以保存在光盘中，保留的每一道焊缝的数据可以以备分析查证。这种保存方式也比射线探伤保存胶片好的多。

主控部分1通过工业控制计算机的网卡与上位机的网卡进行与上位机的通信，通信协议为TCP/IP，通信速率设计为10M/100M可选。

在测试开始前，安装在上位机上的人机界面，将现行输入的管径、管壁厚等参数以文件形式传给主控部分，用以改变控制参数。

主控部分1计算机将上位机人机界面上输入的这些数据，经过数学模型的分析计算，另产生一个传送数据格式文件，在检测启动前，通过网卡传送至上位机的文件夹内。

另外，上位机图形处理软件，可以在上位机的人机界面的数据库中调用所需的有关数据，作为制作图形的有用数据。

主控部分1在开始检测后，将每一帧检测到的数据编制成文件夹和文件，传送到上位机的数据存储区(硬盘)。

爬行器与主控部分的信号连接为I/O口连接。

在爬行器上可由操作者对检测系统进行启动，启动操作信号传至主控部分后，经与各种连锁信号确认允许后，由主控部分主控计算机发出电机转动脉冲，同时启动系统开始测试。同时，爬行器将报警信息发至主控部分，以供主控部分判断处理。

以上控制均通过测试现场和专用装备车之间的电缆进行。

主控部分1与超声波晶片阵列中128个晶片之间的连接是通过主电缆中的128线的专用电缆进行的。每个晶片均直接接于一路发射电路。

在本发明的系统中运用计算机的精确控制，能使晶体阵的晶片按一定的规律延时发射和延时接收，以形成超声波的抛物面的发射阵面和接收阵面。使多束超声声束能聚焦于被测的焊接面，并可移动焦点的位置和偏转焦点的角度，大大地提高了探伤的精细程度和准确程度(毫米级)。同时能只用一组双列晶体探头，达到分层次多声束多角度的扫描、TOFD规则扫描、耦合状况扫描等，缩小和简化了探头的体积和种类，同时，也为今后增加其他扫描方式时，只需改变软件而不需改变硬件，使系统具有很大的灵活性。测试后产生的数据存储文件可通过盘片传送或通信传送送至上位计算机进行数据处理，并可通过软件显示出和打印出脉冲的波形文件，另外，经过对此图形的模糊识别处理(通过相应的软件处理)，可识别出材料缺陷的大小和精确的位置，通过打印和屏幕显示。同时，根据规范的规定，要求能对此作出判断，确定是否必须对此焊缝进行返修。以上的部分技术要求，已达到目前国际上的最高水平，所以本系统充分发挥软件的智能性，使本项目能充分满足国内外工艺操作的需要，达到国际上的先进水准。

本发明检测系统达到的主要指标：

使用CPLD和电子方法实现了超声波束的延时、位移、动态偏转和聚焦，达到了传统模拟方法无法实现的延时精度和延时范围，延时精度达到2纳秒，延时范围达到了25微秒。

使得口径在426-1420毫米、厚度在6-50毫米的管道环焊缝的探伤能在1分多钟全部测试完成。

通过计算机进行图像其中包括两维和三维图像显示。保存全部探伤数据。具有准确的各声束反射波的幅度积分的波形显示和图形打印。

具有准确的缺陷所在位置和大小、形状的识别功能，并能有三维的缺陷图形显示(此项将超过目前的国际水平)，并能将图形打印。

具有对缺陷是否需要立即返工或报废的判断功能，并能显示和打印。

探头是两个直列式64个晶体构成，震荡频率为5M赫兹。

系统控制方法包括常规标准方法探伤、横向裂纹探伤、TOFD衍射波时差法探伤。

系统的显示方法有常规的双门线条显示、多通道A扫描显示、多通道B扫描显示、衍射波时差法(TOFD)显示、

满足国际探伤ASTME-1961-98及API1104-99的规范要求。

符合中国石油西气东输项目经理部企业标准——西气东输工程管道环焊缝全自动超声波检测”的标准的条款要求。

适用管径：＞32英寸(只需改变设置文件)

可测管道壁厚：12mm-26mm(只需改变设置文件和契块)

发射：16/32，128通道

接收：16/32，128通道

相控阵探头：5MHz(含TOFD)

阵元：64*2阵元

可调激发脉冲延时：0-25微秒，2ns/步

接收器延时：0-25微秒，2ns/步

可调发射电压：50-200V

最大重复频率：10-20KHz显示方式：A，B以及TOFD

管道扫查及报告时间：＜10分钟

相控阵探头盘重量：＜20KG

机械扫查器：具有手动和自动；扫查速度：100mm/s(可调)；

位置分辨率0.5mm；定位精度0.5mm

工作环境温度：-20℃--+50℃

电源：DC24V/AC220V 50Hz

系统设计面向操作使用人员的易使用性

本检测系统面向野外探伤操作人员，系统有良好的人机界面，便于输入数据，操作人员只需有初步的计算机知识即能进行操作输入数据和进行探伤结果的情况分析。

Claims (7)

1、一种大口径管道环焊缝相控阵超声波自动检测系统，其特征在于：

该相控阵超声波自动检测系统包括主控部分、专用管道爬行器部分、超声波晶片阵列探头部分、上位机智能图形处理部分、电缆部分、专用装备车，超声波晶片阵列探头部分安装于专用管道爬行器部分上；主控部分、上位机智能图形处理部分安放在专用装备车内；专用装备车内的主控部分、上位机智能图形处理部分通过电缆部分与专用管道爬行器部分连接。

2、如权利要求1所述的大口径管道环焊缝相控阵超声波自动检测系统，其特征在于：

所述的主控部分包括工业控制计算机、发射部分、接收部分以及贮存于工业控制计算机的控制软件；

所述的专用管道爬行器部分包括行走导轨、晶体与契块组件、传动机构、耦合液输出单元；

所述的超声波晶片阵列探头部分包括左右晶体阵列；

所述的上位机智能图形处理部分包括一上位机、人机界面、显示器；

所述的电缆部分包括三根支电缆共128根超声连线，其中，一根为电机驱动电缆，一根编码器电缆，一根控制电缆。

3、如权利要求2所述的大口径管道环焊缝相控阵超声波自动检测系统，其特征在于：所述的工业控制计算机的控制软件中有一个完整和成熟的数据模型，可将上位机传下的数据经过各种计算和处理形成了该焊缝检测的控制数据和程序，如：焦点位置、折射点位置、各声束参与发射和接收的晶体编号、各晶体发射和接收的延时时间。

4、如权利要求2或3所述的大口径管道环焊缝相控阵超声波自动检测系统，其特征在于：所述的工业控制计算机选用了标准的14个插槽，包括4个PCI槽口和10个ISA槽口，其中的CPU主板、网卡插在PCI槽口上，两块发射板和四块接收板插在ISA槽口上。

5、如权利要求2所述的大口径管道环焊缝相控阵超声波自动检测系统，其特征在于：

所述的行走导轨可方便地夹固和拆卸于被测管道上，导轨带有齿条，能使爬行器精确走位；

所述的晶体与契块组件为晶体和晶体前的有机材料组成契形组件，契块之间的间距和横向位置可以通过精密丝杆调节，契块组件受压力作用通过滚轮压在管道的接触面上，并保持一定的间隙，当接触面受到大阻力时，自动抬起机构会使契块抬起，防止碰撞损坏契块；

所述的传动机构包括伺服电机、光盘编码器、电机驱动控制与地址码处理器；

所述的耦合液输出单元为设置在契块组件中的契块带有多个耦合液的输出小孔，在耦合液受泵的压力时，能使耦合液均匀喷出，形成契块与接触面之间的良好耦合。

6、如权利要求2所述的大口径管道环焊缝相控阵超声波自动检测系统，其特征在于：

所述的左右晶体阵列均为线性晶片阵列，每个阵列有64个晶片，每个晶片均直接接于一发射电路，每个晶片按照控制要求发射超声波，超声波发射的方向、强度和延迟时间可以改变。

7、如权利要求2所述的大口径管道环焊缝相控阵超声波自动检测系统，其特征在于：

所述的人机界面包括登录密码、基本参数设置、运行参数设置和计算、检测工艺选择、试验数据记录、检测数据存储、系统帮助模块。

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