1、無縫鋼管在線漏磁探傷技術研究 3楊濤 王太勇 秦旭達 文松天津大學 機械工程學院 , 天津 300072摘要 :文章介紹了無縫鋼管漏磁探傷系統組成 , 闡述了檢測系統中主要硬件鋼管探測傳送裝置 、 橫向和縱向探傷裝置的設 計原理 , 研制了一種基于信號調制 -解調模式的多通道高速信號采集器 。 采用多線程和虛擬設備驅動技術編制了數據采 集 、 實時控制 、 狀態顯示 、 系統校驗等多功能模塊化軟件 。 整個系統自動化程度高 、 現場應用效果良好 。關鍵詞 :鋼管 ; 在線探傷 ; 漏磁檢測 ; 數據采集中圖分類號 :TH878+. 3 文獻標識碼 :A 文章編號 :1001-2265(2004

2、 08-0008-03The study on on -line MF L testing method for steel tubesY ANG T ao W ANG T aiy ong QI N Xuda WE N S ongAbstract :In the paper , magnetic flux leakage (MF L on -line testing system for steel tube is introduced. The designing method for the main hardware , like convection device for steel

3、tube , detecting devices along the longitudinal axis and circum ference , is described. The multichannel data acquisition based on the signal m odulation -dem odulation pattern at a high speed is designed. The s oftware based on multi -thread and VX D techniques includes data acquisition ,status dis

4、play , real -time control ,system and s o on . Practical ap 2 plying shows that the system is effective.K ey w ords :steel tube ; MF L testing ; on -line inspection ; data acquisition1 前言隨著經濟的不斷發展 ,來越高的要求 ,生產中極大的損失 。可少的 。 由于漏磁檢測系統具有檢測能力強 、 自動化程度高等 特點 , 使得漏磁檢測成為目前應用最為廣泛的一種鋼管在線檢 測方法 。某鋼管公司為國內生產無縫鋼管的大型

5、生產廠家之一 , 其 漏磁探傷機引進的是美國某公司設計生產的 80年代中期的產 品 , 經過多年的使用后 , 在實際應用中曾發生大規模漏檢的情 況 , 甚至有的缺陷主要是依靠人工肉眼來檢測的 , 鋼管的質量很 難得到保證 , 需要對現有的探傷設備進行改造 。本文結合這次 改造對無縫鋼管在線漏磁探傷技術進行了研究 。2 無縫鋼管漏磁探傷系統硬件設計及實現2. 1 無縫鋼管漏磁探傷系統的總體結構整個系統由鋼管的夾緊 、 驅動等傳送裝置 , 橫 、 縱向缺陷探 測裝置 , 橫 、 縱向離線校驗器 , 分選傳送線 , 缺陷前置處理電路 , 工業控制計算機 , 控制面板 , 噴標器 , 外圍電路板柜 ,

6、 儀表盤和 打印機 、 記錄儀等組成 。2. 2 無縫鋼管探測傳送裝置在探傷過程中 , 從鋼管的前端進入到探傷區開始 , 一直到鋼 管的尾端離開后續鋼管輸送線 , 整個過程都需要得到系統的控 制 , 圖 1為無縫鋼管漏磁探傷系統的傳送裝置位置示意圖 。鋼 管在輸送線上是通過由電動機拖動的 V 形棍來驅動的 。 從圖 1中可以看出 , 從鋼管的前端進入到光電管 1的位置 開始 , 一直到鋼管的尾端離開光電管 4的位置 , 這一時間段內都, 設 , 以夾緊棍 1為例 , 當鋼管的前端到達圖 1 鋼管漏磁探傷傳送裝置位置示意圖夾緊棍 1的位置之前 , 夾緊棍 1的上夾緊棍部分處于抬起狀態 , 如果檢

7、測的鋼管是平頭鋼管 , 那么此時下夾緊棍部分則不需要 動作 , 而如果檢測的鋼管是粗頭鋼管 , 那么下夾緊棍部分也需要 下移一定的距離 ; 當鋼管的前端通過夾緊棍 1的位置以后 , 夾緊 棍 1的上下夾緊棍立即執行加壓動作 , 并在鋼管移動的過程中 一直保持一定的夾緊力 , 以限制鋼管在生產線上的晃動 ; 在一段 時間以后 , 在鋼管的尾端快要到達夾緊棍 1之前 , 夾緊棍 1的上 下夾緊棍需要執行相反的動作 , 即上夾緊棍部分執行抬起動作 , 而下夾緊棍部分執行下移動作 。 這樣動作的優點是可以確保在 鋼管通過設備的過程中不會因為鋼管在移動過程中的徑向晃動 而造成設備碰撞的事故發生 。 其余

8、的 4個夾緊棍的執行動作與 夾緊棍 1的動作是完全一樣的 。 只是它們在執行的時間上有一 定的滯后 , 而橫向探傷機和縱向探傷機執行的動作也大致相同 , 只不過執行的動作不是夾緊棍的上下移動而是探頭的下壓與抬 起動作 , 同樣的道理也是為了避免探頭與鋼管發生碰撞 。 系統的實時控制原理設計如下 :光電管 1在系統中的作用 相當于一個發令槍 , 當鋼管前端到達光電管 1時 , 系統接受到光8組合機床與自動化加工技術 基金項目 :天津市自然科學重點基金項目 (993802421電管 1的信號 , 并在此時讀取入口編碼器的值 , 當鋼管到達光電 管 2的位置時 , 系統再次讀取入口編碼器的值 , 由

9、于光電管 1和 光電管 2的距離是固定的 , 將入口編碼器的數值與距離進行關 聯 , 并以入口編碼器的數值來標定鋼管頭部與光電管 1之間的 距離 , 這樣以光電管 1為坐標原點 , 系統通過讀取入口編碼器的 數值便可以知道鋼管的實時位置 , 同時由于各個設備與光電管 1之間的距離是固定不變的 , 所以當入口編碼器的數值與距離 值的關系確定以后 , 鋼管到達各個設備時的入口編碼器的數值 是確定的 , 這樣系統只要不斷的讀取入口編碼器的數值就可以 確定鋼管的頭部在系統中所處的具體位置 , 同樣的道理 , 當鋼管 的尾端通過光電管 1的位置時 , 系統便可以計算出鋼管的長度 , 同時通知系統準備執行

10、新一輪的動作 。 2. 3 橫向和縱向探傷裝置橫向磁化用于縱向缺陷探傷系統 , 它的主要用途是檢測出 沿鋼管縱向延伸的缺陷 , 如折疊 、 發紋等 。 這就需要特定地沿鋼 管圓周方向磁化 (即橫向磁化 。 橫向檢測是由沿鋼管圓周分布 的 8組探頭傳感器來完成 , 每個探頭包含 8個線圈 , 這樣受到縱 向磁場飽和磁化的鋼管缺陷形成的漏磁場可全部被傳感器檢測 轉化為電信號 , 其結構裝置如圖 2所示 。每相鄰的兩個探頭都 是相互覆蓋的 , 這樣保證了在橫向方向上的缺陷都可以被探頭 覆蓋到 。縱向磁化用于橫向缺陷探傷系統 , 鋼管橫向延伸的缺陷 , 如橫向裂紋 、 , 180°的探頭傳感

11、器 (16個線圈 組成 。 (磁鐵 一起共同繞鋼管旋 轉 , 檢測到的縱向缺陷漏磁信號經滑環處理后傳送出去 。其結 構裝置如圖 3所示 。 在實際檢測時 , 縱向檢測裝置中探頭的旋 轉速度和鋼管的直線運動速度要求滿足一定的關系 , 保證鋼管 表面能夠全部被探頭掃查到 , 這樣可以保證不會發生漏檢的情 況 。 圖 2橫向探傷機探頭分布示意圖 圖 3縱向探頭分布示意圖 縱向探頭和橫向探頭都是安裝在支架上的 , 在鋼管的頭部 進入到探頭位置之前 , 探頭都是處于抬起狀態 , 當鋼管的頭部到 達探頭位置之后 , 探頭落下并處于夾緊狀態 , 當鋼管的尾部快要 達到探頭位置時 , 探頭再次抬起 , 當沒有

12、鋼管經過時 , 探頭處于 抬起狀態 。 探頭的抬起和落下動作是由專門的機構來保證的 。2. 4 數據采集器硬件結構數據采集與信號分析系統用于在現場進行數據采集 、 數據 存儲并進行分析判斷 。 由于在漏磁檢測過程中需要在鋼管高速 前進的同時對其進行橫向和縱向兩個方向的傳感器全覆蓋 , 所以本系統所采用的傳感器數量多達 96個 。為了實現高速 、 實時 數據采集 , 本文研制了一種基于信號調制 -解調模式的多通道 高速信號采集與實時分析系統 , 該系統能夠同時最多處理 96路 信號 , 并能夠針對每一路信號進行程控增益處理 。數據預處理 模塊的基本功能是將 96路信號先調制為兩個信號流 , 并對

13、每一 路信號進行相應的預處理 , 使之能夠滿足后續數據采集的要求 。 該模塊由兩部分組成 , 一為信號流 , 另一個為時鐘流 。系統結構 圖如圖 4所示 。 圖中調制模塊的主要功能是將 64路信號調制 為 1路信號 , 時鐘信號是調制的基準 , 它保證信號按照一定的時 鐘間隔進行調制 , 同時這個時鐘信號也被輸入到計算機的 A/D 圖 4 數據采集器硬件結構 采集板 , 以保證信號在解 調的時候也按照同一時鐘 進行解調 。 在本系統中所 采用的調制與解調時間窗 口為 2微秒 , 這樣采樣頻 率可以達到 500kH z , 達到 了現場的要求 。 A 與電阻 R 一起構成緩沖電路 , 它A 的增

14、益為 1。 程控衰 它的增益范圍有四檔 , 分 , 2, 1/1/, 。 B 與 , 其增益為 1。 C 為 8位精確增益放大 , 范圍為 1/256到 255/256, 它的作 用是將每一路信號調理到 A/D 采集板的最佳采集范圍 , 所以每 一通道的增益值都由單片機給出 , 由其將信號衰減并保持穩定以后供 A/D 板采集 。 由于每一通路信號的窗口時間為 2s , 所以 程控衰減器以及 A 、 B 、 C 的穩定時間都要求遠小于 2s , 這也對 構成器件提出了一定的要求 。 MPU 為一個高性能單片機 , 它的主 要功能是為每一路信號在窗口時間內給程控衰減器和 C 提供相 應的增益值 ,

15、 同時它還要與主機進行雙向通信 , 主要是取得每一 通路的增益值 。3 無縫鋼管漏磁探傷系統軟件設計圖 5 漏磁探傷系統軟件總體框圖 無縫鋼管漏磁探傷 系統軟件是整個漏磁探 傷系統的核心 , 軟件部分 不僅需要實現對鋼管漏 磁信號的實時采集與顯 示 , 而且還需要在探傷的 過程中完成對系統各部 分的控制 , 軟件系統的實 時性要求較高 。因此軟件部分核心采用是多線 程 和 虛 擬 設 備 驅 動(VX D 技術 , 系統按模塊分成多個線程 , 各個線程規定不同的優 先級 , 線程之間相互驅動 , 多線程的切換與傳統的多進程間的任 務切換相比較 , 系統 CPU 時間開銷較小 。 VX D 負責

16、與應用程序 通信并管理相應的硬件資源和響應外部中斷 , 這樣在編程時直 接調用各外圍電路板的接口和驅動函數 , 省去 Windows 底層編 程的復雜 。 無縫鋼管漏磁探傷系統軟件主要由設備狀態調整及 顯示模塊 、 縱向校驗模塊 、 橫向校驗模塊 、 探傷模塊 、 漏磁信號采92004年第 8期集與顯示模塊和探傷信號離線分析模塊構成 。如圖 5所示 。該 系統采用了面向對象的編程技術 , 實現了高度的模塊化結構設 計 。 系統融合了信號采集 、 信號分析和自動控制等技術于一體 , 運用軟件工程的方法根據生產企業的實際要求和現場需要而研 制開發的一個實用軟件包 。 3. 1 校驗模塊設計 當設備

17、經過調整后 , 在正式探傷之前 , 首先進行的就是離線 校驗 , 離線校驗的目的主要由兩個方面 :一方面檢驗設備的狀 態 , 特別是探頭的機械狀態在離線校驗階段都可以發現 , 還有探 頭線圈的好壞 , 因為探頭的線圈都是經過處理封裝在探頭內部 的 , 在沒有進行校驗時僅憑肉眼是無法觀察到的 , 另一方面就是 通過離線校驗獲得最佳的探傷工藝參數 , 例如勵磁電流 , 不同直 徑的鋼管選擇不同的勵磁電流 。離線校驗軟件模塊如圖 6所 示 。離線校驗的另一個重要的目的就是通過使用與需要探傷的 鋼管直徑 、 壁厚 、 材質都相同的標準樣管進行校準以后 , 獲得傷 痕級別以及類型判斷的識別標準 。 由于

18、橫向校驗過程與縱向校 驗的過程基本是一樣的 , 所不同的就是縱向校驗時探頭的線圈 數為 32個 , 而橫向探傷時需要處理的信號量為 64個 。 圖 6顯示 的是正在進行校驗的縱向校驗軟件 ,軟件用棒圖的形式按照比 例顯示了 32個線圈的瞬時信號幅度 , 這樣在傷痕的移動過程 中 , 通過信號棒圖可以很方便的看出傷痕處于哪幾個線圈的位 置 。 圖 6 縱向探傷離線校驗軟件模塊離線校驗的一個重要目的是對各個線圈的增益進行校準 , 雖然各個線圈的制造以及信號傳輸過程都是相同的 , 但是由于 各個元器件制造過程中的差異和經過長線傳輸以后 , 信號到達 計算機中還是有差異的 , 所以必須對其進行校準 。

19、校準的方法 就是用標準樣管上的傷痕對每一個線圈進行覆蓋 , 然后取出該 線圈的最大輻值 , 然后以 32個線圈中的某一個線圈作為標準對 各個通道進行增益調整 , 使得系統工作在校準后的增益值的時 候 , 相同的傷痕經過不同的通道采集出來的數據是相同的 , 這樣 在正式探傷中可以保證信號的傳輸和放大部分不會對探傷的靈 敏度造成影響 。 3. 2 探傷模塊設計探傷模塊軟件是整個系統軟件的重要部分 , 是否能夠準確 無誤的檢測出傷痕缺陷是探傷模塊的關鍵所在 , 同時還需要正 確的控制夾緊棍以及探頭的動作 , 保證鋼管在生產線上的順利 通過 , 最后在鋼管通過打標器的時候在傷痕的位置進行噴標 。 在探

20、傷過程中 , 系統通過讀取入口光電管和出口光電管以及入 口編碼器和出口編碼器的值來計算鋼管在生產線上的準確位 置, 并以此為依據來控制夾緊棍和探頭的抬起和加壓動作 , 并在系統取得探傷結果以后通知打標器在傷痕的具體位置進行噴 標 。 同時系統進行數據采集和實時分析 , 并將分析結果反饋給 打標器 , 如果鋼管有缺陷 , 在鋼管離開探傷區以后 , 鋼管輸送線 還需要將 “ 可疑” 鋼管進行剔除 , 便于操作人員進行進一步的處 理 。 如圖 7所示 , 為一鋼管的橫向檢測信號圖 。從圖中可以清 晰看出該段鋼管有大小不等的四個缺陷 。圖 7 , , 一個是鋼管, , 。4 結論本文結合天津鋼管公司漏磁探傷設備改造 , 針對無縫鋼管 在線探傷過程中的實時控制過程和漏磁信號采集與分析系統進 行了研究 , 并在此基礎上研制了專用的程控增益漏磁