CN201508350U - 石油管材超声波自动探伤检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及无损检测自动探伤技术领域，特别是一种石油管材超声波自动探伤检测装置。该检测装置由主机工控机I，下位机工控机II、波形回放计算机，主机接收单元、模拟缺陷波形显示单元、模拟缺陷波形回放显示箱，前置发射单元、前置接收单元，超声波探头阵列，以及缺陷波形回放显示器所组成。本实用新型与现有同类产品相比，具有探伤检测速度快、判别缺陷准确、现场抗干扰能力强等特点，误判率小于2％，漏检率为零，能满足石油管材连续自动化探伤检测的生产要求。

Description

石油管材超声波自动探伤检测装置

技术领域

本实用新型涉及无损检测自动探伤技术领域，特别是一种石油管材超声波自动探伤检测装置。

背景技术

本实用新型属于无损检测自动探伤技术领域，特别是一种石油管材超声波自动探伤检测装置。在石油钻采工业中，使用着大量的石油专用管材，主要包括钻杆、套管及油管等。均是10米左右一根带锥度螺纹的专用管材并依靠螺纹接箍将其连接成管材柱，浅者数百米，深者数千名，甚至上万米，因为其受力条件较为恶劣，在地下不同井段要长时间承受拉伸、压缩、弯屈、内压、外压和热循环等复合应力的作用，应具备在外力的作用下使管体不受到破坏的高强度和承受内、外压差(一般为几百个大气压)的长期作用而不泄露的高密封性能。

在石油专用管材的制造过程中会形成很多缺陷，特别是由于管体材料炼钢过程中的夹杂、夹渣，或者轧制过程中的材质疏松，或者热处理过程中的温度和时间的控制不当，或者压力矫直过程中的应力变形，使得成形后的管体表面产生的缺陷主要有划道、裂缝、发纹、折叠、翘皮、横裂、非金属夹杂等；或者管体内部组织产生的缺陷主要有裂纹、分层、夹杂等缺陷，存在极大的安全隐患，尤其是使用条件极其恶劣的石油专用管材，因而其质量要求高，但因有许多缺陷，特别是内部缺陷人工目视检测是辨别不出来的，需要用物理的方法进行无损检测。

在石油专用管材的无损检测领域中，超声波检测作为一种有效的检测方式已经得到了广泛的应用。它利用超声波在金属中的传播速度快等特性，通过分析反射回来的缺陷回波来检测判定缺陷。目前，国内的超声波检测仪器有很多，但现场使用的超声波自动探伤检测很多问题，如漏报率、误报率高的问题，探伤检测速度低、效率低的问题等未得到很好的解决，况且现场使用的超声波自动探伤检测仪器是单向、单程的，一般不允许往复检测，因为在线伤检一过即逝，一旦漏检误报无法追回和验证，使得超声波自动化探伤检测中的缺陷种类难以识别。另一方面手工超声波检测需要探伤操作人员具有高水平的技能和训练。其检测结果一般不能被永久地记录，该记录只局限于物理文件，而不是检测的真实再现。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种用于对石油管材超声波自动探伤检测装置，保证判别缺陷的准确可靠，以及对有缺陷的部位实现了缺陷的自动识别，自动报警，自动存储，自动、实时地喷涂油漆标识，而且其缺陷波形可以进行动态回放，方便灵活地执行各种不同的国内外探伤标准，以求达到实时快速可靠地检测出被检测石油管材内部组织和管体表面的缺陷，如前所述实际探伤检测中的问题，都可以得到很好的解决，为石油管材生产工艺的调整提供准确无误的依据。

本实用新型石油管材超声波自动探伤检测装置，其特征在于由主机工控机I，分别与主机工控机I相连接的下位机工控机II、波形回放计算机、显示器、打印机、键盘鼠标，分别与下位机工控机II相连接的主机接收单元、模拟缺陷波形显示单元、模拟缺陷波形回放显示箱，分别与主机接收单元相连接的前置发射单元、前置接收单元，分别与前置发射单元、前置接收单元相连接的超声波探头阵列，以及与波形回放计算机相连接的缺陷波形回放显示器所组成。

所述的主机工控机I部分由IPC主机、主机通讯卡、高速采样卡、网络接口卡分别与下位机工控机II部分和波形回放计算机部分，通过以太网相连接。(IPC主机也可通过以太网卡、上位机通讯卡、高速采样卡扩展成多个相同单元组合。)

所述的下位机工控机II部分由工业控制计算机(下位机)、下位机通讯卡、时序报警信号卡、单片机测速卡、单片机采集控制卡、DSP采集控制卡、报警喷标卡、光耦卡所组成。(下位机工控机II也可通过以太网卡、下位机通讯卡扩展成多个相同单元组合。)

所述的波形回放计算机部分由工业控制计算机(缺陷波形回放计算机)、波形回放计算机通讯卡、DSP缺陷波形回放显示卡所组成。

所述的主机工控机I部分通过以太网连接下位机工控机II部分，由前置发射单元、前置接收单元、主机接收单元相对应构成8个通道串联循环，n个通道并联循环，从而组成8×n个通道的超声探伤仪器部分。

所述的前置发射单元由单稳触发器、驱动器、多路开关、可编程门阵列CPLD以及驱动电路依次连接而成。

所述的前置接收单元、主机接收单元由驱动电路、多路开关、低噪音放大器以及可编程门阵列CPLD依次连接而成。

所述的高速采样卡是以高速数据处理器为核心的数据处理卡，由两极可编程放大器的、检波二极管组成，高速数据处理器单元是由模数转换器、先进先出缓冲器、高速数据处理器组成。把接收前置接收单元、主机接收单元送来的数据传送到下位机工控机II中，把综合数据传送到主机工控机I。

所述的超声波探头阵列的超声波探头由超声波晶片的发射单元和接收单元组成，两者合为一体或相互分立，并将性能参数相同的探头相互垂直对称、布置于管体两侧组成8×n个通道的探头阵列。

主机工控机I部分是本实用新型装置的基础硬件平台，采用的是集检测、控制和管理为一体的主从式控制网络形式，选用的是一台高性能的工业控制计算机(IPC)作为上位机对整个系统进行管理及高速数据采集和处理及用户的可视化操作，由探伤操作控制、缺陷判伤诊断程序软件、系统检测图像化输出和缺陷波形回放系统软件、主机工控机I与下位机工控机II、波形回放计算机实时通讯的通讯卡、高速数据采集和处理的高速采样卡组成本实用新型的主机部分。采用标准的、高性能的工业控制计算机(IPC)作为上位主机工控机I，是吸收了虚拟仪器设计思想，以便实现多通道智能化管理。

下位机工控机II部分是本实用新型装置的外围硬件设备，采用的是另一台工业控制计算机作为下位机工控机II，并插入下位机通讯卡、时序报警信号卡、单片机测速卡、单片机采集控制卡、DSP采集控制卡、报警喷标卡、光耦卡所组成，构成下位机工控机II外围硬件设备来执行分布式检测与控制任务，并统一管理控制8×n超声仪器的前置发射单元、前置接受单元、主机接受单元及模拟缺陷波形显示单元、模拟缺陷波形显示箱。

主机工控机I软件分别与下位机工控机II软件和波形回放计算机软件形成两层次程序软件，下位机工控机II软件是指下位机中的程序，它主要完成探伤综合数据的采集、实时显示、实时网络发送数据。主机工控机I软件是指IPC主机中的探伤操作控制、缺陷判伤诊断程序软件、系统检测图像化输出软件，主要完成实时网络接收数据、处理综合数据、形成探伤检测报告。波形回放计算机软件主要完成缺陷波形的实时回放。

程序的免误报及抗干扰功能及相关法判伤条件软件，即管体缺陷出现的位置、出现的连续性、出现的时间、出现的时频域范围，是有一定规律性的。利用小波变换提取反映缺陷性质的特征值，以及运用模式识别及神经网络技术对缺陷性质的特征进行相关分析。因此，编制位置相关、行为相关、时间相关、时频域相关4种相关方法判伤软件，从而实现判伤诊断智能化，可极大地提高本实用新型装置判伤诊断的准确性、抗干扰和免误报能力。

前置发射单元的主要功能是把高速采样卡的同步信号，经脉冲整形、驱动、通过多路开关到指定的驱动电路，对该通道探头发出宽度可调的超声波高压脉冲信号。

前置接受单元、主机接受单元的主要功能是选用新型优质放大器、低噪声、高保真放大，把超声波探头回波信号放大到一定水平，使其抗干扰性能大大增强。并结合“前置发射-接收适配器”可在生产现场进行100米以内宽带传输，能够保证整体检测装置设备性能指标。

本实用新型的优点是：石油管材超声波自动探伤检测装置把传统的超声波无损检测技术同先进的工业控制计算机、虚拟仪器、数字信号处理等技术相结合，可做到对复杂缺陷回波的准确评价和严格筛选，采用单元模块板卡、多通道、组合式、以及分布式设计，不仅能进行数据存储、计算，而且实现了缺陷的自动识别，自动报警，自动存储，而且其缺陷波形动态回放有效地克服了超声波自动探伤检测中的缺陷种类难以识别的不足，简化了缺陷质量记录工作，实现了客观信息的存档备案，便于科学管理，并做到误判率小于2％，漏检率为零。满足了自动化探伤中高重复频率(1kbps)和实时报警等关键性能的要求。提高了自动化探伤的检测效率和精度，以及检测的稳定性、客观性、准确性和可靠性。同时检测装置设计具有兼容性、通用性，能满足不同外径的石油管材连续自动化探伤检测的生产要求。

本实用新型检测装置是一种石油管材超声波自动探伤检测装置与现有同类产品相比，具有自动探伤检测速度快、判伤诊断缺陷准确、现场抗干扰能力强，既能检测出纵向缺陷，又能检测出横向缺陷，除完全可以满足API规范和GB5777标准要求的技术指标，还可以实现检测功能的单元模块化、多通道自由组合，且连线简便、功能可靠，以及生产现场365天连续不间断地运行，实时检测，对于提高生产效率、降低生产成本、提高产品质量具有重要的意义，可广泛应用于石油行业钢管的探伤检测。

附图说明

图1是本实用新型的总体结构框图。

图2是本实用新型的检测原理信号时序图。

具体实施方式

下面结合附图说明本实用新型的具体实施方式。

本实用新型主要是针对石油行业专用的管材、直径在100～300mm、壁厚在5～30mm的油管和套管。

如图1所示，本检测装置是一种石油管材超声波自动探伤检测装置，其特征在于由主机工控机I1，分别与主机工控机I相连接的下位机工控机II2、波形回放计算机3、显示器6、打印机7、键盘鼠标8；分别与下位机工控机II2相连接的主机接收单元19、模拟缺陷波形回放显示箱21；分别与主机接收单元19相连接的前置发射单元25、前置接收单元24、模拟缺陷波形显示单元20，分别与前置发射单元25、前置接收单元24相连接的超声波探头阵列26，以及与波形回放计算机3相连接的缺陷波形回放显示器23所组成。

所述的主机工控机I1是由一台高性能的工业控制计算机(IPC)作为上位主机通过ISA、PCI总线与插入的网络接口卡5、主机通讯卡9、高速采样卡4连接传递数据、并以以太网卡与下位机工控机II部分2相连接，它通过ISA总线与主机通讯卡9、高速采样卡4相连接，高速采样卡4采集主机接收单元19送来的实时接收的每个通道波形回波信号后送显示器6显示。

所述的下位机工控机II部分2由另一台工业控制计算机作为下位机，并插入下位机通讯卡10、时序报警信号卡17、单片机测速卡16、光耦卡15、测速卡14、单片机采集控制卡12、DSP采集控制卡13、报警喷标卡22所组成，它是一个为主机工控机I1产生有效的波形的重要装置。

所述的由主机接收单元19、前置接收单元24、前置发射单元25及模拟缺陷波形显示单元20、模拟缺陷波形回放显示箱21所组成超声波探伤仪器部分。

所述的主机工控机I1部分通过以太网网络接口卡5连接下位机工控机II2部分，由前置发射单元25、前置接收单元24、主机接收单元19相对应构成8个通道串联循环，n个通道并联循环，从而组成8×n个通道的超声探伤仪器部分。

所述的主机工控机I1、下位机工控机II2、波形回放计算机3通过以太网卡可扩展成8×n个通道的超声探伤仪器组合。其中主机工控机I1可通过网络接口卡5、主机通讯卡9扩展成多个相同单元组合，下位机工控机II2可通过下机通讯卡10扩展成多个相同单元组合。

所述的8×n个通道的超声探伤仪器组成由每8个通道为一单元，外接8个超声探头，有8路发射和接收电路。在主机工控机I1中插入一个高速采样卡4组成8×1＝8个通道；插入二个高速采样卡4组成8×2＝16个通道；主机工控机I1中可插入三个高速采样卡4组成8×3＝24个通道的超声探伤仪器部分。如果增加在下位机工控机II2中插入的三个高速采样卡4可组成8×6＝48个通道的超声探伤仪器部分。超声仪器部分可串行工作，也可以并行工作。

所述的前置发射单元25由单稳触发器实现脉冲整形，同时形成宽度可调的脉冲，经过驱动器对脉冲进行驱动，由可编程门阵列CPLD发出的二位编码使相应的多路开关打开，转到相应的驱动电路，形成宽度可调的超声波高压脉冲信号，送到相应超声波探头的发射端。

所述的前置接收单元24、主机接收单元19当超声波探头阵列26的发射端接收到脉冲后，即对被检测对象石油钢管发射很强的发射波，同时也产生很强的回波，接收单元就是完成回波接收、限幅、滤波后，由可编程门阵列CPLD发出的二位编码使相应的多路开关打开，把相应的驱动电路的回波通过多路开关，选用新型优质、低噪声、高保真放大器，把被检测对象石油钢管的缺陷回波放大到一定水平。

所述的高速采样卡4是以高速数据处理器为核心的数据处理卡，由两极可编程放大器的第一级数字可编程序放大器和第二级数字可编程放大器、检波二极管组成，高速数据处理器单元是由模数转换器、先进先出缓冲器、高速数据处理器组成。主要是接收前置接收单元24、主机接收单元19送来的信号经两极可编程序放大器放大后，进行检波、模数转换、进入先进先出缓冲存储器，高速数据处理器读取这些数据，分离出有用信号，通过可编程门阵列形成的信号，再通过ISA接口把数据传送到下位机工控机II中，而后再把综合数据传送到主机工控机I1，使主机工控机I1进行综合数据处理。

所述的单片机采集控制卡12发出整个探伤检测装置的主振频率、0同步信号、选通道信号和脉冲反射时序信号，单片机采集控制卡12和DSP采集控制卡13都能接收、产生闸门信号，采集每个通道的闸门内的，把主机工控机I1发来的衰减链传输到主机接收单元19，控制波形的高低，调整探伤检测装置的垂直线性和水平线性。

所述的时序报警信号卡17接收单片机采集控制卡12的时序信号和闸门信号，经过放大驱动后的时序信号送到主机工控机I1的高速采样卡4，同时把报警信号和耦合信号送到模拟缺陷波形回放显示箱21和报警喷标卡22。

所述的测速卡14和单片机测速卡16是采集外部行车上的编码器的信号，可计算、测知当前行车行走的距离、位置，通过ISA接口把数据传送到下位机工控机II2里，由下位机工控机II2的程序根据探头落下时的为零位置，同时开始探伤，当有缺陷伤波出现时计算出缺陷伤波的位置，时序报警信号卡17接收到缺陷回波信号后通知报警喷标卡22输出信号，控制喷枪在缺陷伤波出现的位置上进行喷涂缺陷标识，以备手工探伤复检。

所述的下位机通讯卡10与主机通讯卡9通过并行总线连接可达到主机工控机I1、下位机工控机II2之间的数据通信，及多台下位机工控机II2和一台主机工控机I1之间的数据通信。波形回放机通讯卡11与主机通讯卡9通过并行总线连接可达到主机工控机I1、波形回放计算机3之间的数据通信，

超声波探头由超声波晶片的发射单元和接收单元组成，两者合为一体或相互分立，并将性能参数相同的探头相互垂直对称、布置于管体两侧组成8×n个通道的探头阵列。

所述的前置发射单元25产生触发脉冲给超声探头，使得超声探头发射超声波通过耦合剂传到被检测的石油钢管组织内部，遇到缺陷后，因缺陷的声阻抗同石油钢管的声阻抗相差很大，会产生反射波返回到超声探头，经过超声探头接收到超声回波信号后，转换成回波电信号，经前置接收单元24放大器放大后和主机接收单元19送给DSP采集控制卡13、单片机采集控制卡12等经A/D转换器转换后送给主机工控机I1的高速采样卡4，并自动将底波和伤波波高的峰值转换为等量电压值Bv、Fv信号，底波和伤波波形自动触发形成Bt、Ft信号，表示对应于声程的时间，以便进行超声波自动探伤检测。

所述的本检测装置通过计算机控制的阵列式超声探头对被检测对象进行扫描，并将被检测对象内的缺陷响应送入计算机，计算机对这些缺陷采样数据进行统计、分析、判断、处理、计算后，给出被检测对象内部缺陷的各个断面或截面的图像及平面展开图，以便做进一步的分析和确认。

所述的本检测装置可调用多种用户应用软件，可方便灵活地执行各种不同的国内外探伤标准，最终完成对被检测对象内部缺陷的形状、尺寸、位置、数量、密集度、合格与判废等资料的图文报告及其贮存、打印或网上传送。

所述的缺陷波形回放是采用PCI总线的高速采样和高速数据处理技术，检测过程中一旦有缺陷信号响应，缺陷图像处理模块立即备份并全部存储，然后操作人员可根据需要进行动态波形和缺陷图像的完整无损的显示回放，以便做进一步的分析确认和修复，提高了探伤检测的准确性和可靠性，有效地克服了国内同类的超声波检测仪器在超声波自动化探伤检测中的缺陷种类难以识别的不足。

如图2所示，本实用新型装置的检测原理是在主机工控机I1给定的时钟下同步工作，每n个周期为一个循环nt(n为探头设置个数)。主机工控机I1的时钟信号即为本实用新型装置的同步基准脉冲(主振信号)，它的一个周期就是一个通道的工作周期。当各通道开始产生发射脉冲T时，单稳触发器经主机工控机I1时钟信号的上升沿触发置，持续高电平，当有伤波F、底波B时，被触发置0，高电平终止，这样就形成一段时间的高电平，系统通过读高电平时间即可得到伤波、底波时间并转换成数字量Bt、Ft。如果此通道周期没有伤波、底波返回，这样高电平持续到主机工控机I1的时钟信号下降沿时被触发变成低电平，从而形成T/2宽度的高电平，现场检测的超声反射回波一般都在T/4以内，因此大于、等于T/2的高电平被系统确认为无效的Bt、Ft信号，不作处理。

底波峰值Bv、伤波峰值Fv信号在伤波、底波出现之前，保持为0V电压，在伤波、底波产生瞬间1μs之内，经峰值采样保持电路快速充电形成对应高度的直流电压信号。如100％波高量对应2V电压，50％波高量即对应1V电压，其直流电压信号一直保持到IPC主机时钟信号的下一个上升沿到来时止，被触发后迅速放电到0V电压。然后到下一个通道周期再被伤波、底波触发充电形成一定幅值的电压。供计算机做A/D处理。

底波时间Bt、伤波时间Ft、底波峰值Bv、伤波峰值Fv信号是探伤系统实现探伤灵敏度自动设定、报警闸门Bg、Fg自动设置、灵敏度闭环控制、闸门Bg、Fg实时跟踪以及缺陷智能化识别的判断、处理依据，也是计算机执行智能判伤软件的重要数据。

Claims (1)

1.一种石油管材超声波自动探伤检测装置，其特征在于由主机工控机I，分别与主机工控机I相连接的下位机工控机II、波形回放计算机、显示器、打印机、键盘鼠标，分别与下位机工控机II相连接的主机接收单元、模拟缺陷波形显示单元、模拟缺陷波形回放显示箱，分别与主机接收单元相连接的前置发射单元、前置接收单元，分别与前置发射单元、前置接收单元相连接的超声波探头阵列，以及与波形回放计算机相连接的缺陷波形回放显示器所组成。

Images