管端超大盲区探伤装置及方法与流程

本发明涉及直缝焊管超声探伤领域，尤其涉及一种管端盲区探伤装置及方法。

背景技术：

超声波探伤设备是检测和控制中口径直缝焊管产品质量的必经工序和必要手段。通常需要同时具备两类超声波探伤能力：管体母材缺陷的超声波探伤能力和管体焊缝的超声波探伤能力。由于管体焊缝探伤设备在探伤过程中，不可避免地在管头和管尾部分有一定的探伤盲区。因此通常都通过额外设立的管端盲区探伤设备来对这部分焊缝盲区进行探伤。

此外，在中口径直缝钢管生产过程中，往往需要经过切割、管端修磨和倒棱等工序。钢管的管端在经过机械切割、修磨后，不可避免的在管端一定范围内会产生热影响区缺陷。同时标准还规定，需要对管端一定范围内的母材分层缺陷进行探伤，以确保产品质量。因此在直缝焊管生产过程中，需要另外配置单独的管端盲区探伤设备对管端缺陷进行检测。

由于焊缝和管端盲区的探伤要求不同，探头配置也不一样。因此管体焊缝探伤与管端盲区探伤一般都安排在临近的两个不同工位上。常见的管端盲区焊缝探伤有三种形式：

1)端盲区探伤采用人工探伤方案，盲区探伤由人工完成。

2)钢管两端布置两套盲区探伤设备，探伤自动完成。

3)钢管两端盲区探伤由一套探伤设备完成。完成一端盲区探伤后，探伤设备通过龙门架移动到钢管的另一头，再完成另一端的管端盲区探伤操作。

以上后两种自动探伤设备布置中，不论采取两端同时探伤，还是两端分别探伤的布置方式。在钢管单个管端盲区探伤过程中，采取的都是探头不动，钢管旋转一周的方式进行探伤。因此可探伤的盲区长度受限于配置探头架和探头的长度。一旦设备选型确定是很难进行更改的。根据API标准要求，盲区探伤长度一般为50~100mm。

图1为现有的管端盲区探伤设备示意图。钢管1在旋转辊2的作用下旋转一周，不论是两端两台探伤仪器同时探伤，还是一台探伤仪器通过龙门架移动到两端探伤，都是将探伤仪器的探头3放置到管端盲区位置进行自动探伤，等钢管旋转一周后结束。根据不同产品和标准要求，管端盲区和探头的长度可以在50~100mm之间选择。通常在做设备设计时就固定下来。

随着中口径焊管用户特殊要求的增多，部分用户提出需要在管端150mm范围内进行分层和热影响区检验。这对于现有的探伤设备是无法满足的。除了使用手工进行管端大盲区探伤的解决方法外，另一种常见的解决方案是更换探头架和更大的探头。但是增大探头尺寸，就需要增加探头内部的压电晶片数量，同时也要增加探伤仪器的通道数。除了设备更大更复杂外，还面临三个问题：

1)探头多个压电晶片之间，会产生声波干扰。如果探头形式设计不当，在管体表面或内部形成声波干涉，会产生检不出或误报问题。

2)由于探伤仪器是根据一定模式依次对探头内部的压电晶片进行分时激发，形成特定的超声波线路对管体缺陷进行探伤。探头内部压电晶片数量的增多，会导致探头分时激发控制模式的复杂化，更容易产生信号串扰，影响探伤效果。

3)由于探头压电晶片的增加，现场探伤仪器通道数增多，传输电缆增加，再加上探头激发时的能量很大，无形中增加了探伤通道间电气干扰的可能。也会影响到探伤效果。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种管端超大盲区探伤装置及方法，为了避免因为增加探头尺寸而导致的声波和电磁干扰，以及避免使探伤控制时序逻辑过于复杂化。采取钢管旋转，探头同时前进的螺旋式探伤方案。利用钢管旋转两周之间探伤区域的重叠，来解决螺旋式探伤盲区全覆盖问题，只需要要增加几个探头即可完成现场设备的改动，降低了探伤设备的改造成本。

本发明是这样实现的：一种管端超大盲区探伤装置，包括：

一行走支架，所述行走支架沿钢管的轴向移动；

固定安装在行走支架上的探头；

对称设置在探头两侧的一对距离控制光栅；

对称设置在探头两侧的一对管端探测光栅；

一对所述距离控制光栅位于一对所述管端探测光栅之间。

所述行走支架上还设置有一对激光焊缝传感器，一对所述激光焊缝传感器对称设置在探头的两侧。

一种管端超大盲区探伤方法，包括以下步骤：

S1：将探头定位，使得探头正对管端盲区的外侧边缘处；

S2：打开探头开始探伤，保持探头不动，钢管转动一圈完成初始探伤；

S3：探头向管端盲区内侧边缘匀速移动，同时钢管转动，直到探头超出管端盲区并完全扫描过管端盲区后，完成整个管端盲区的探伤作业。

所述步骤S1中对探头定位的具体方式为，设定定位距离S后，

步骤一、将探头移动到远离钢管的基准位置；

步骤二、然后控制探头向钢管中心方向移动，直到管端探测光栅探测到钢管的边沿；

步骤三、继续使探头向钢管中心方向移动，直到距离控制光栅探测到钢管；

步骤四、最后探头向钢管中心方向移动定位距离S，使探头正对管端盲区的外侧边缘处，完成探头的定位作业。

所述步骤二中探头向钢管中心方向移动的速度大于步骤三中探头向钢管中心方向移动的速度。

所述步骤S3中，探头向管端盲区内侧边缘匀速移动的速度V通过公式1计算得到，

V=（1-U）* L/T (1)

式中：U为覆盖系数由设定取得，U∈[0,1）

L为探头的测量宽度；

T为钢管转动一周所需要的时间。

所述步骤S3中还包括窜动报警步骤，当进行步骤S3的探伤作业，出现如下两种情况时，报警结束本次探伤，探伤结果作废：

1)位于钢管外侧的距离控制光栅探测到管端信号；

2)位于钢管内侧的距离控制光栅失去管端信号。

本发明管端超大盲区探伤装置及方法采取管体旋转同时探头移动的管端超大盲区超声波探伤方法。无需改变现有的探头结构和探伤仪器的配置，成功解决了高端管材用户对超大管端盲区的超声波探伤要求。工作状态稳定，探伤效果良好，不会影响探伤过程中的声波和电磁环境，对探伤结果的准确性和精度没有任何影响，具有非常良好的经济与实用性。

附图说明

图1为现有的管端盲区探伤设备示意图

图2为本发明管端超大盲区探伤装置的结构示意图；

图3为本发明管端超大盲区探伤方法中步骤S3的探伤轨迹示意图。

图中：1钢管、2旋转辊、3探头、4管端盲区、5行走支架、6距离控制光栅、7管端探测光栅、8激光焊缝传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明表述的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

如图2所示,一种管端超大盲区探伤装置，包括一探头3、一行走支架5、一对距离控制光栅6和一对管端探测光栅7，所述行走支架5在驱动机构的带动下沿钢管1的轴向自由移动；所述探头3固定安装在行走支架5上；一对所述距离控制光栅6和一对所述管端探测光栅7固定安装在行走支架5分别对称设置在探头3两侧，并有一对所述距离控制光栅6位于一对所述管端探测光栅7之间，使得距离控制光栅6相对于管端探测光栅7更加接近探头3。

一种管端超大盲区探伤方法，包括以下步骤：

S1：将探头3定位，使得探头3正对管端盲区4的外侧边缘处；

在定位过程中为了同时兼顾定位的速度与定位的准确性，将探头3的定位过程分为三个阶段，快速接近阶段->慢速准备阶段->定值移动阶段，其中在快速接近阶段时探头3的移动速度大于慢速准备阶段，定值移动阶段中定位距离S根据探头3与距离控制光栅6的间距以及探头3本身的测量宽度决定，通常情况下，定位距离S= S₃+H，H为探头3的测量宽度，S₃为探头3与距离控制光栅6的间距，具体定位方式包括以下步骤：

步骤一、将探头3移动到远离钢管1的基准位置；

步骤二、快速接近阶段，控制探头3向钢管1中心方向移动，直到管端探测光栅7探测到钢管1的边沿；此为一阶段定位，因为没有特别精度要求，因此在此阶段探头3的移动速度较快以节约定位时间；

步骤三、慢速准备阶段，继续使探头3向钢管1中心方向移动，直到距离控制光栅6探测到钢管1；此为二阶段定位，此阶段需要精确定位探头3的位置，因此相对于一阶段定位，此阶段探头3的移动速度较慢；

步骤四、定值移动阶段，探头3向钢管1中心方向移动定位距离S，使探头3正对管端盲区4的外侧边缘处，完成探头3的定位作业。

S2：打开探头3开始探伤，保持探头3不动，钢管1转动一圈完成初始探伤；此步骤是为了确保最初的和探头测量宽度一致的一圈管端盲区能够被全部探伤；

S3：探头3向管端盲区4内侧边缘匀速移动，同时钢管1转动，直到探头3超出管端盲区4并完全扫描过管端盲区4后，完成整个管端盲区4的探伤作业；此时探头3在管端盲区4表面的移动轨迹是如图3所示的螺旋式前进的，为了消除因螺旋轨迹遗漏的管端盲区4，探头3的前进距离一般会设置为不小于管端盲区4的长度，即在步骤S3中探头3的移动距离S₁≥S₂，S₂为管端盲区4的长度；该移动距离S₁在控制时通常由时间进行控制，即t= S₁/V,V为探头3的移动速度，t为探头3的移动时间。

探头3向管端盲区4内侧边缘匀速移动的速度V通过公式1计算得到，

V=（1-U）* L/T (1)

式中：U为覆盖系数由设定取得，U∈[0,1）

L为探头的测量宽度；

T为钢管转动一周所需要的时间，

以上参数中U和T的选取方式如下：

参数U为覆盖系数，指的是钢管旋转一周后，盲区探头探伤区域覆盖的位置与上一周探伤区域覆盖位置的重叠程度。在本方法中，钢管旋转的同时，探头也同时向钢管中心位置移动，因此探头在钢管表面的运行轨迹是螺旋式前进的，因此在一定速度范围内，两次旋转周期的探伤覆盖位置会有重合，这个重合程度就是覆盖系数。如果钢管的旋转过程非常稳定，没有前后窜动现象，显然只要覆盖系数不小于0，就可以保证探头在钢管表面行走轨迹100%覆盖整个管端盲区4。但是由于钢管椭圆度，旋转辊椭圆度，以及钢管自身直度，辊道直度等问题的影响，钢管的旋转过程不可能非常理想化。带来的问题就是在探伤过程中钢管旋转的同时会在管长方向上前后窜动。而引入覆盖系数，就可以部分克服这种窜动对探伤的影响。通过重复冗余的覆盖探伤来确保整个盲区的100%探伤。

如果覆盖系数取1，就是传统的管端盲区探伤方式。

时间T有两种取得方式，

一种为通过在所述行走支架5上设置一对激光焊缝传感器8，一对所述激光焊缝传感器8对称设置在探头3的两侧，然后利用激光焊缝传感器8两次检测到焊缝的时间间隔直接探测得到；

另一种为忽略旋转辊2传动打滑的因素，一般情况下旋转辊2的表面采用包胶辊，因此认为旋转辊2与钢管1表面是紧密接触的，没有打滑现象，旋转辊2辊面的线速度就是钢管1表面的线速度，通过旋转辊2的转速和外径结合钢管1的外径通过公式2计算得到，

T=d/（D*C） (2)

式中：d为钢管1的半径；

D为旋转辊2的半径；

C为旋转辊2的转速，转/分钟；

在探伤过程中钢管需要进行长时间旋转。由于在旋转过程中，因为管体椭圆度，旋转辊的角度和磨损等问题，不可避免地会导致钢管在旋转过程中的前后窜动。与探头横向移动方向同向的窜动会导致钢管管体在向探头移动方向同步移动，导致最终实际探伤盲区大小不足设定的盲区大小。而与探头横向移动方向相反的窜动，则会导致探头以管体为参照物的相对移动速度增加，从而导致探伤覆盖系数下降，达不到设定要求。因此需要对探伤过程中的管体窜动进行检测与控制。

为避免在探头架上布置过多的传感器，因此直接使用一对距离控制光栅6用作反向窜动控制；所述步骤S3中还包括窜动报警步骤，当进行步骤S3的探伤作业，出现如下两种情况时，报警结束本次探伤，探伤结果作废：

1)位于钢管1外侧的距离控制光栅6探测到管端信号；

2)位于钢管1内侧的距离控制光栅6失去管端信号。

以对某型号钢管的管端盲区探伤为例，使用的探头的测量宽度L=0.05米，钢管外径d=0.61m。需要探伤的管端盲区4的长度S₂为0.15米。探伤线速度V_z=22米/分钟。覆盖系数取0.3。则探头3的移动速度通过公式1、2计算，

T=πd/V_z

V=（1-U）* L/T

V=0.7*0.05/ （π*0.61/22）

= 0.7*0.05）/ (3.14*0.61/22)

= 0.402 米/分钟

因此整个探伤流程如下：

1）启动探伤后，探头3在行走支架5的带动下从远离钢管1的基准位置开出，利用步骤S1将探头3定位在管头部的探伤盲区上。

2） 进行步骤S2，启动钢管旋转，完成管端最初始一圈的盲区探伤。

3） 进行步骤S3，保持钢管旋转过程不变，开始探头3的移动，本实施例中，探头3横向移动速度为0.402米/分钟，当探头横向移动距离不小于0.15米时，停止管头部的管端盲区的探伤操作。

4）停止钢管旋转，将行走支架5快速移动到管尾部对应的基准位置重复上述1~3的流程，完成整个钢管头尾部探伤盲区的探伤作业。