CN211235663U - 利用相控阵技术对螺旋/直缝埋弧焊管的自动化检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了利用相控阵技术对螺旋/直缝埋弧焊管的自动化检测系统，包括检测机械子系统、电气控制子系统、焊缝自动跟踪系统和数据处理子系统，所述数据处理子系统是由相控阵超声波信号发射采集部分和计算机组成，本实用新型涉及焊管检测技术领域。该利用相控阵技术对螺旋/直缝埋弧焊管的自动化检测系统，可实现大大提高了螺旋/直缝埋弧焊管质量检测系统的自动化程度和检测精度，实现通过智能视觉跟踪系统进行补偿，从而达到了对管材焊缝缺欠进行自动筛查无损检测的目的，很好的保证了螺旋/直缝埋弧焊管的生产质量，减轻了生产人员的工作负担，提高了生产效率，从而对螺旋/直缝埋弧焊管的生产十分有益。

Description

利用相控阵技术对螺旋/直缝埋弧焊管的自动化检测系统

技术领域

本实用新型涉及焊管检测技术领域，具体为利用相控阵技术对螺旋/直缝埋弧焊管的自动化检测系统。

背景技术

螺旋/直缝埋弧焊钢管能用较窄的坯料生产管径较大的焊管，还可以用同样宽度的坯料生产管径不同的焊管，生产成本较低，工艺简单，易生产大口径管，大口径焊管则大多采用螺旋缝埋弧焊工艺，螺旋缝埋弧焊钢管一般应用于：焊接成管道进行流体输送、金属结构或桩基等，其中广泛应用于自来水工程、石化工业、化学工业、电力工业、农业灌溉和城市建设，作液体输送用：给水、排水，作气体输送用：煤气、蒸气、液化石油气，作结构用：作打桩管、作桥梁；码头、道路、建筑结构用管等，螺旋/直缝埋弧焊管的质量检验方法有很多种，其中物理方法也是最常用的检验方法，物理检验就是利用一些物理现象进行测定或检验的方法，材料或焊管内部缺陷情况的检查，一般都是采用无损探伤的方法，当前的无损探伤有磁力探伤、超声波探伤、射线探伤、渗透探伤等，

目前的螺旋/直缝埋弧焊管质量检测系统自动化程度较低，且检测精度较小，不能避免由于管材焊接偏差及旋转滑动原因，导致探头到焊缝距离存在微小偏差，使探伤车与旋转辊失步，此时需通过智能视觉跟踪系统进行补偿。同时，自动化常规A型反射脉冲法超声波角度单一，无法满足焊接所至各种形态缺陷的检测。出现缺陷，无法知道缺陷在焊缝内的位置。另外，由于检测较厚壁厚的管材所需探头增多，而螺旋管管径存在较大变化，过多的探头水包对上部机械设计造成困扰，设计难度大，机械复杂，稳定性低。不能保证螺旋/直缝埋弧焊管的生产质量，大大增加了生产人员的工作负担，降低了生产效率，从而对螺旋/直缝埋弧焊管的生产十分不利。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了利用相控阵技术对螺旋/直缝埋弧焊管的自动化检测系统，解决了现有的螺旋/直缝埋弧焊管质量检测系统自动化程度较低，且检测精度较小，对焊缝检测声束角度单一，不能避免由于管材焊接偏差及旋转滑动原因，导致探头到焊缝距离存在微小偏差，使探伤车与旋转辊失步，壁厚增大需要多组探头水包，不能识别缺陷在焊缝内的具体位置，不能保证螺旋/直缝埋弧焊管的生产质量，大大增加了生产人员的工作负担，降低了生产效率的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：利用相控阵技术对螺旋/直缝埋弧焊管的自动化检测系统，包括检测机械子系统、电气控制子系统、焊缝自动跟踪系统和数据处理子系统，所述数据处理子系统是由相控阵超声波信号发射采集部分和计算机组成，所述检测机械子系统包括焊缝左侧探臂、左侧探头水包、左侧相控阵探头、焊缝右侧探臂、右侧探头水包和右侧相控阵探头，所述左侧相控阵探头固定安装于左侧探头水包中，且左侧探头水包固定连接于焊缝左侧探臂上，所述右侧相控阵探头固定安装于右侧探头水包中，且右侧探头水包固定连接于焊缝右侧探臂上，所述左侧相控阵探头通过左侧探头水包及焊缝左侧探臂固定安装于探头架的左侧上，且右侧相控阵探头通过右侧探头水包及焊缝右侧探臂固定安装于探头架的右侧上，所述探头架则通过X轴方向上的丝杆与探伤车相连，且X轴方向丝杆的一端通过联轴器与跟踪电机输出轴的一端固定连接，所述X轴方向丝杆安装于跟踪滑台的内部，且跟踪滑台的一侧固定连接有智能视觉跟踪系统，所述探伤车的X轴上固定安装有编码器。

优选的，所述电气控制子系统控制旋转辊道20以带动被检管材旋转，并且控制探伤车沿着管材轴线前进对管材进行扫查，并记录编码器的位置信号。

优选的，所述相控阵超声波信号发射采集部分是采用型号为HSD-PA(32/64)的相控阵超声波检测仪模块，该模块产生高压脉冲信号，激发线阵相控阵超声波探头产生超声波并接收进行数字处理，通过网络传输给上位计算机显示并记录。

优选的，所述左侧相控阵探头和右侧相控阵探头的型号均为5L64-0.75×10，且左侧相控阵探头用于焊缝左侧的检测，所述右侧相控阵探头用于焊缝右侧的检测，且左侧相控阵探头和右侧相控阵探头内均含扇形扫描和三组T/R扫描，单个探头实现多通道的检测，扇形扫描可自定义从35°-70°之间的声线扫查，最小分度0.5°，用于实现焊缝中纵向裂纹、气孔以及未融等缺陷检测，该方式主要用于满足API标准，三组T/R则通过单只相控阵探头内部定义的虚拟探头实现超声收发，用来对焊缝中心钝边和坡口缺陷进行检测，该方式用于满足SHELL标准。另外通过虚拟声束在两个探头之间对射，实现耦合监控。

优选的，所述探头架包括上回转工作台连接板和下回转工作台连接板，所述上回转工作台连接板和下回转工作台连接板之间通过连接柱进行固定连接。

优选的，所述上回转工作台连接板的顶部通过连接件与X轴方向丝杆上螺纹连接的移动块固定连接，且上回转工作台连接板的底部通过紧固螺栓固定连接有回转工作台。

优选的，所述下回转工作台连接板的底部固定连接有夹板，且夹板的底部的两侧分别通过固定螺栓与焊缝左侧探臂和焊缝右侧探臂的顶部固定连接。

优选的，所述跟踪电机是选用高精度、高动态响应伺服电机。

(三)有益效果

本实用新型提供了利用相控阵技术对螺旋/直缝埋弧焊管的自动化检测系统。与现有技术相比具备以下有益效果：该利用相控阵技术对螺旋/直缝埋弧焊管的自动化检测系统，通过在数据处理子系统是由相控阵超声波信号发射采集部分和计算机组成，检测机械子系统包括焊缝左侧探臂、左侧探头水包、左侧相控阵探头、焊缝右侧探臂、右侧探头水包和右侧相控阵探头，左侧相控阵探头固定安装于左侧探头水包中，且左侧探头水包固定连接于焊缝左侧探臂上，右侧相控阵探头固定安装于右侧探头水包中，且右侧探头水包固定连接于焊缝右侧探臂上，左侧相控阵探头通过左侧探头水包及焊缝左侧探臂固定安装于探头架的左侧上，且右侧相控阵探头通过右侧探头水包及焊缝右侧探臂固定安装于探头架的右侧上，可实现大大提高了螺旋/直缝埋弧焊管质量检测系统的自动化程度和检测精度，对焊缝多角度声束入射检测，一个相控阵探头替代多个常规A型反射脉冲探头，降低探头架机械设计难度，通过建模能识别缺陷在焊缝内的具体位置，实现通过智能视觉跟踪系统进行补偿，很好的避免了由于管材焊接偏差及旋转滑动原因，导致探头到焊缝距离存在微小偏差，使探伤车与旋转辊失步。计算机记录每次接收数据波幅高度和对应编码器回馈位置信号，形成以编码器位置值S为X轴，波幅高度值为Y轴的曲线，再将曲线通过现有的滤波算法，得到信噪比更高的回波信号，超声反射波幅与阻隔面大小成正比例关系，计算机上的探伤软件可以通过识别不同幅度的波形，设置幅度阈值闸门来自动识别缺欠大小，从而达到了对管材焊缝进行自动检测无损检测的目的，很好的保证了螺旋/直缝埋弧焊管的生产质量，减轻了生产人员的工作负担，提高了生产效率，从而对螺旋/直缝埋弧焊管的生产十分有益。

附图说明

图1为本实用新型系统的结构原理框图；

图2为本实用新型焊缝跟踪机械和探伤车的结构示意图；

图3为本实用新型焊缝跟踪机械的结构示意图；

图4为本实用新型探头架的结构示意图；

图5为本实用新型相控阵超声扇形声束仿真图。

图中，1焊缝左侧探臂、2左侧探头水包、3左侧相控阵探头、4焊缝右侧探臂、5右侧探头水包、6右侧相控阵探头、7编码器、8探伤车、9X轴、10跟踪电机、11智能视觉跟踪系统、12跟踪滑台、13探头架、131上回转工作台连接板、132下回转工作台连接板、133连接柱、134回转工作台、135夹板、14相控阵超声波信号发射采集部分、15计算机、16检测机械子系统、17电气控制子系统、18焊缝自动跟踪系统、19数据处理子系统。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-5，本实用新型实施例提供一种技术方案：利用相控阵技术对螺旋/直缝埋弧焊管的自动化检测系统，包括检测机械子系统16、电气控制子系统17、焊缝自动跟踪系统18和数据处理子系统19，数据处理子系统19是由相控阵超声波信号发射采集部分14和计算机15组成，检测机械子系统16包括焊缝左侧探臂1、左侧探头水包2、左侧相控阵探头3、焊缝右侧探臂4、右侧探头水包5和右侧相控阵探头6，左侧相控阵探头3固定安装于左侧探头水包2中，且左侧探头水包2固定连接于焊缝左侧探臂1上，右侧相控阵探头6固定安装于右侧探头水包5中，且右侧探头水包5固定连接于焊缝右侧探臂4上，左侧相控阵探头3通过左侧探头水包2及焊缝左侧探臂1固定安装于探头架13的左侧上，且右侧相控阵探头6通过右侧探头水包5及焊缝右侧探臂4固定安装于探头架13的右侧上，探头架13则通过X轴9方向上的丝杆与探伤车8相连，且X轴9方向丝杆的一端通过联轴器与跟踪电机10输出轴的一端固定连接，X轴9方向丝杆安装于跟踪滑台12的内部，且跟踪滑台12的一侧固定连接有智能视觉跟踪系统11，探伤车8的X轴9上固定安装有编码器7，电气控制子系统17控制旋转辊道20以带动被检管材旋转，并且控制探伤车8沿着管材轴线前进对管材进行扫查，并记录编码器7的位置信号，相控阵超声波信号发射采集部分14是采用型号为HSD-PA(32/64)的相控阵超声波检测仪模块，该模块产生高压脉冲信号，激发线阵相控阵超声波探头产生超声波并接收进行数字处理，通过网络传输给上位计算机15显示并记录，左侧相控阵探头3和右侧相控阵探头6的型号均为5L64-0.75×10，且左侧相控阵探头3用于焊缝左侧的检测，右侧相控阵探头6用于焊缝右侧的检测，且左侧相控阵探头3和右侧相控阵探头6内均含扇形扫描和三组T/R扫描，单个探头实现多通道的检测，扇形扫描可自定义从35°-70°之间的声线扫查，最小分度0.5°，用于实现焊缝中纵向裂纹、气孔以及未融等缺陷检测，该方式主要用于满足API标准，三组T/R则通过单只相控阵探头内部定义的虚拟探头实现超声收发，用来对焊缝中心钝边和坡口缺陷进行检测，该方式用于满足SHELL标准，另外通过虚拟声束在两个探头之间对射，实现耦合监控。探头架13包括上回转工作台连接板131和下回转工作台连接板132，上回转工作台连接板131和下回转工作台连接板132之间通过连接柱133进行固定连接，上回转工作台连接板131的顶部通过连接件与X轴9方向丝杆上螺纹连接的移动块固定连接，且上回转工作台连接板131的底部通过紧固螺栓固定连接有回转工作台134，下回转工作台连接板132的底部固定连接有夹板135，且夹板135的底部的两侧分别通过固定螺栓与焊缝左侧探臂1和焊缝右侧探臂4的顶部固定连接，跟踪电机10是选用高精度、高动态响应伺服电机。

使用时，左侧相控阵探头3与右侧相控阵探头6在相控阵超声波信号发射采集部分14内专用聚焦法则的指挥与引导下，发射合成扇形超声波、T/R波以及耦合监控波形，分别从焊缝左、右侧对焊缝进行扫描，这两个方向的超声波从水包下部耦合水中进入被检管材焊缝区，形成多角度、多方向的超声声线，对焊缝内坡口、钝边区、焊料在内的整个焊缝区进行检测，波形在管材壁厚内呈W型向前传播，传播中的超声波遇到阻隔反射回来，经过左侧相控阵探头3与右侧相控阵探头6转化成电脉冲，回馈给相控阵超声波信号发射采集部分14，经过相控阵超声波信号发射采集部分14的处理后，形成数字信号并通过网络传输到计算机15，跟踪电机10通过激光视觉智能传感器对焊缝的识别来驱动，进而起到实时纠正探伤车8与旋转辊道的微小失步，编码器7安装于探伤车8的X轴9上，智能视觉跟踪系统11驱动探头架13移动到中间位置，电气控制子系统17控制探伤车8前进找管端后，智能视觉跟踪系统11引导探头架13移动到焊缝中间位置，电气控制子系统17根据设置的旋转辊道的线速度及管材焊接成型螺距，换算出相匹配的X轴9探伤速度，探伤车8的X轴9则带动探头架13、探臂、水包及左侧相控阵探头3与右侧相控阵探头6以该速度沿着被检管材轴线进行移动，左侧相控阵探头3与右侧相控阵探头6在探臂气缸带动下依次下落，以轻缓的力度浮动与管壁上，同时耦合水启动，保证左侧探头水包2与右侧探头水包5下部形成稳定水膜，通过智能视觉跟踪系统11进行补偿，计算机15记录每次接收数据波幅高度和对应编码器7回馈位置信号，形成以编码器7位置值S为X轴9，波幅高度值为Y轴的曲线，再将曲线通过现有的滤波算法，得到信噪比更高的回波信号，超声反射波幅与阻隔面大小成正比例关系，计算机15上的探伤软件可以通过识别不同幅度的波形，设置幅度阈值闸门来自动识别缺欠大小，以及需要筛选的缺欠管材/完好管材，达到对管材焊缝进行自动检测的无损检测的目的。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.利用相控阵技术对螺旋/直缝埋弧焊管的自动化检测系统，包括检测机械子系统(16)、电气控制子系统(17)、焊缝自动跟踪系统(18)和数据处理子系统(19)，所述数据处理子系统(19)是由相控阵超声波信号发射采集部分(14)和计算机(15)组成，其特征在于：所述检测机械子系统(16)包括焊缝左侧探臂(1)、左侧探头水包(2)、左侧相控阵探头(3)、焊缝右侧探臂(4)、右侧探头水包(5)和右侧相控阵探头(6)，所述左侧相控阵探头(3)固定安装于左侧探头水包(2)中，且左侧探头水包(2)固定连接于焊缝左侧探臂(1)上，所述右侧相控阵探头(6)固定安装于右侧探头水包(5)中，且右侧探头水包(5)固定连接于焊缝右侧探臂(4)上，所述左侧相控阵探头(3)通过左侧探头水包(2)及焊缝左侧探臂(1)固定安装于探头架(13)的左侧上，且右侧相控阵探头(6)通过右侧探头水包(5)及焊缝右侧探臂(4)固定安装于探头架(13)的右侧上，所述探头架(13)则通过X轴(9)方向上的丝杆与探伤车(8)相连，且X轴(9)方向丝杆的一端通过联轴器与跟踪电机(10)输出轴的一端固定连接，所述X轴(9)方向丝杆安装于跟踪滑台(12)的内部，且跟踪滑台(12)的一侧固定连接有智能视觉跟踪系统(11)，所述探伤车(8)的X轴(9)上固定安装有编码器(7)。

2.根据权利要求1所述的利用相控阵技术对螺旋/直缝埋弧焊管的自动化检测系统，其特征在于：所述电气控制子系统(17)控制旋转辊道20以带动被检管材旋转，并且控制探伤车(8)沿着管材轴线前进对管材进行扫查，并记录编码器(7)的位置信号。

3.根据权利要求1所述的利用相控阵技术对螺旋/直缝埋弧焊管的自动化检测系统，其特征在于：所述相控阵超声波信号发射采集部分(14)是采用型号为HSD-PA(32/64)的相控阵超声波检测仪模块，该模块产生高压脉冲信号，激发线阵相控阵超声波探头产生超声波并接收进行数字处理，通过网络传输给上位计算机(15)显示并记录。

4.根据权利要求1所述的利用相控阵技术对螺旋/直缝埋弧焊管的自动化检测系统，其特征在于：所述左侧相控阵探头(3)和右侧相控阵探头(6)的型号均为5L64-0.75×10，且左侧相控阵探头(3)用于焊缝左侧的检测，所述右侧相控阵探头(6)用于焊缝右侧的检测，且左侧相控阵探头(3)和右侧相控阵探头(6)内均含扇形扫描和三组T/R扫描以及耦合监控。

5.根据权利要求1所述的利用相控阵技术对螺旋/直缝埋弧焊管的自动化检测系统，其特征在于：所述探头架(13)包括上回转工作台连接板(131)和下回转工作台连接板(132)，所述上回转工作台连接板(131)和下回转工作台连接板(132)之间通过连接柱(133)进行固定连接。

6.根据权利要求5所述的利用相控阵技术对螺旋/直缝埋弧焊管的自动化检测系统，其特征在于：所述上回转工作台连接板(131)的顶部通过连接件与X轴(9)方向丝杆上螺纹连接的移动块固定连接，且上回转工作台连接板(131)的底部通过紧固螺栓固定连接有回转工作台(134)。

7.根据权利要求5所述的利用相控阵技术对螺旋/直缝埋弧焊管的自动化检测系统，其特征在于：所述下回转工作台连接板(132)的底部固定连接有夹板(135)，且夹板(135)的底部的两侧分别通过固定螺栓与焊缝左侧探臂(1)和焊缝右侧探臂(4)的顶部固定连接。

8.根据权利要求1所述的利用相控阵技术对螺旋/直缝埋弧焊管的自动化检测系统，其特征在于：所述跟踪电机(10)是选用高精度、高动态响应伺服电机。

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