專(zhuān)利名稱(chēng)：大口徑管道環(huán)焊縫相控陣超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
在管道焊接質(zhì)量的檢測(cè)中，傳統(tǒng)檢測(cè)主要采用目視檢測(cè)、射線(xiàn)檢測(cè)、手工超聲波檢測(cè)等，其中，目視檢測(cè)為最早使用的方法，一般也用于小口徑管道的焊縫質(zhì)量。對(duì)于大口徑管道(一般指管徑1米以上)環(huán)形對(duì)接焊縫來(lái)說(shuō)，如果采用射線(xiàn)檢測(cè)將是非常困難的，首先要在管子的環(huán)焊縫上貼上一圈帶暗盒的增感膠片，探傷人員操作射線(xiàn)探傷機(jī)發(fā)射x射線(xiàn)，將焊縫質(zhì)量情況拍攝下來(lái)，然后在暗室顯影、定影、沖洗、涼干得到焊縫照片，再由專(zhuān)用人員評(píng)判焊縫質(zhì)量。這種方法在試驗(yàn)室有鉛房保護(hù)的情況下，工作人員的健康安全還需要加以關(guān)注，然而在管道野外施工的情況下，沒(méi)有很好的保護(hù)措施，會(huì)對(duì)施工人員構(gòu)成威脅，對(duì)操作人員更需要注意防止射線(xiàn)對(duì)人體造成的危害。另外，大口徑管道每一道管口都需要很多增感膠片，資金耗費(fèi)巨大，還需要大量的時(shí)間來(lái)貼片、拍攝、顯影、定影、沖洗、涼干、評(píng)判。不能參與工程施工的流水作業(yè)，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。
隨著我國(guó)管道建設(shè)的發(fā)展和施工設(shè)備的自動(dòng)化程度的提高，全自動(dòng)焊接設(shè)備的應(yīng)用成為一種趨勢(shì)。對(duì)于全自動(dòng)焊接設(shè)備完成的焊縫的質(zhì)量檢測(cè)，傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)早已不適應(yīng)發(fā)展的需要。
近來(lái)，自動(dòng)化超聲檢測(cè)技術(shù)又應(yīng)用于石油天然氣長(zhǎng)輸管線(xiàn)對(duì)接焊縫質(zhì)量的檢測(cè)，自動(dòng)化超聲檢測(cè)技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，早期的全自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)是將多個(gè)探頭組合在一起形成探頭盤(pán)，每個(gè)探頭具有固定的聲束發(fā)射方向和聚焦深度，從而達(dá)到覆蓋整個(gè)焊縫分區(qū)，通過(guò)機(jī)械自動(dòng)掃查，完成焊縫檢測(cè)。但是，常規(guī)多探頭自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)在對(duì)不同壁厚、不同管徑、不同材質(zhì)管道焊縫質(zhì)量的檢測(cè)中存在著系統(tǒng)調(diào)整難度大和探頭適應(yīng)范圍窄以及設(shè)備笨重的缺點(diǎn)。
綜合起來(lái)，射線(xiàn)照相檢測(cè)及超聲波檢測(cè)技術(shù)雖然為石油天然氣長(zhǎng)輸管道對(duì)接焊縫質(zhì)量的檢測(cè)工作發(fā)揮了很大的作用。但是，傳統(tǒng)的線(xiàn)照相檢測(cè)及超聲波檢測(cè)存在著許多缺點(diǎn)1、檢測(cè)速度慢，特別是對(duì)管道環(huán)焊縫檢測(cè)，其檢測(cè)速度更為慢，嚴(yán)重影響所涉及的工程進(jìn)度。
2、檢測(cè)結(jié)果帶有主觀(guān)因素，并與操作人員的水平與責(zé)任性有關(guān)。
3、缺陷深度方向或缺陷的自身高度的測(cè)量困難很大，因此工程臨界分析采用ECA難以實(shí)現(xiàn)。
4、射線(xiàn)探傷對(duì)人體健康有嚴(yán)重的傷害，工作量超標(biāo)可以造成人體白細(xì)胞下降甚至導(dǎo)致白血病。
5、對(duì)不同壁厚、不同管徑、不同材質(zhì)管道焊縫質(zhì)量的檢測(cè)中存在著系統(tǒng)調(diào)整難度大和探頭適應(yīng)范圍窄以及設(shè)備笨重。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述傳統(tǒng)超聲檢測(cè)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種大口徑管道環(huán)焊縫相控陣超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案該相控陣超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)包括主控部分、專(zhuān)用管道爬行器部分、超聲波晶片陣列探頭部分、上位機(jī)智能圖形處理部分、電纜部分、專(zhuān)用裝備車(chē)，其中，超聲波晶片陣列探頭部分安裝于專(zhuān)用管道爬行器部分上，主控部分、上位機(jī)智能圖形處理部分安放在專(zhuān)用裝備車(chē)內(nèi)，專(zhuān)用裝備車(chē)內(nèi)的主控部分、上位機(jī)智能圖形處理部分通過(guò)電纜部分與專(zhuān)用管道爬行器部分連接。
所述的主控部分包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、發(fā)射部分、接收部分以及貯存于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的控制軟件；所述的專(zhuān)用管道爬行器部分包括行走導(dǎo)軌、晶體與契塊組件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、耦合液輸出單元。
所述的超聲波晶片陣列探頭部分包括左右晶體陣列；所述的上位機(jī)智能圖形處理部分包括一上位機(jī)、人機(jī)界面、顯示器；所述的電纜部分包括三根支電纜共128根超聲連線(xiàn)，其中，一根為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電纜，一根編碼器電纜，一根控制電纜。
所述的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的控制軟件中有一個(gè)完整和成熟的數(shù)據(jù)模型，可將上位機(jī)傳下的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)各種計(jì)算和處理形成了該焊縫檢測(cè)的控制數(shù)據(jù)和程序，如焦點(diǎn)位置、折射點(diǎn)位置、各聲束參與發(fā)射和接收的晶體編號(hào)、各晶體發(fā)射和接收的延時(shí)時(shí)間。
所述的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)選用了標(biāo)準(zhǔn)的14個(gè)插槽，包括4個(gè)PCI槽口和10個(gè)ISA槽口，其中的CPU主板、網(wǎng)卡插在PCI槽口上，兩塊發(fā)射板和四塊接收板插在ISA槽口上。
所述的行走導(dǎo)軌可方便地夾固和拆卸于被測(cè)管道上，導(dǎo)軌帶有齒條，能使爬行器精確走位；所述的晶體與契塊組件為晶體和晶體前的有機(jī)材料組成契形組件，契塊之間的間距和橫向位置可以通過(guò)精密絲桿調(diào)節(jié)，契塊組件受壓力作用通過(guò)滾輪壓在管道的接觸面上，并保持一定的間隙，當(dāng)接觸面受到大阻力時(shí)，自動(dòng)抬起機(jī)構(gòu)會(huì)使契塊抬起，防止碰撞損壞契塊；所述的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)、光盤(pán)編碼器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制與地址碼處理器；所述的耦合液輸出單元為設(shè)置在契塊組件中的契塊帶有多個(gè)耦合液的輸出小孔，在耦合液受泵的壓力時(shí)，能使耦合液均勻噴出，形成契塊與接觸面之間的良好耦合。
所述的左右晶體陣列均為線(xiàn)性晶片陣列，每個(gè)陣列有64個(gè)晶片，每個(gè)晶片均直接接于一發(fā)射電路，每個(gè)晶片按照控制要求發(fā)射超聲波，超聲波發(fā)射的方向、強(qiáng)度和延遲時(shí)間可以改變。
所述的人機(jī)界面包括登錄密碼、基本參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置和計(jì)算、檢測(cè)工藝選擇、試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、系統(tǒng)幫助等模塊；由于本發(fā)明采用了上述大口徑管道環(huán)焊縫相控陣超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，與常規(guī)的全自動(dòng)超聲檢測(cè)設(shè)備相比，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)1、體積小和重量輕的相控陣探頭。
2、因?yàn)槭褂秒娮訁?shù)設(shè)置，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)變化具有更大的靈活性。
3、相控陣探頭系統(tǒng)由功能模塊組成。
4、通過(guò)調(diào)用設(shè)置文件，快速改變系統(tǒng)設(shè)置，適應(yīng)不同的工況。
5、增加分區(qū)數(shù)量，提高缺陷定量精度和成像的分辨率。
6、采用相控陣聚焦，提高缺陷橫向分辨率。
7、系統(tǒng)可檢測(cè)管道直徑范圍大，可從4英寸到56英寸。
8、全厚度/直徑檢測(cè)必要的探頭數(shù)量少，操作的成本降低。
9、系統(tǒng)調(diào)整難度降低、和探頭適應(yīng)范圍寬，使用靈活。
從上述相控陣超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)在管道環(huán)焊縫探傷中所具有明顯優(yōu)點(diǎn)來(lái)看，應(yīng)該說(shuō)相控陣超聲波自動(dòng)檢測(cè)代表著世界探傷技術(shù)的發(fā)展方向。
圖1為本發(fā)明相控陣超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖。
圖2為本發(fā)明相控陣超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)施例示意圖。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1并結(jié)合圖2所示，本發(fā)明的大口徑管道環(huán)焊縫相控陣超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)包括主控部分1、專(zhuān)用管道爬行器部分2、超聲波晶片陣列探頭部分3、上位機(jī)智能圖形處理部分4、電纜部分5、專(zhuān)用裝備車(chē)6，其中，超聲波晶片陣列探頭部分3安裝于專(zhuān)用管道爬行器部分2上，主控部分1、上位機(jī)智能圖形處理部分4安放在專(zhuān)用裝備車(chē)6內(nèi)，專(zhuān)用裝備車(chē)6內(nèi)的主控部分1、上位機(jī)智能圖形處理部分4通過(guò)電纜部分5與專(zhuān)用管道爬行器部分2連接。
所述的主控部分1實(shí)際上為一相控陣檢測(cè)儀(關(guān)于該檢測(cè)儀的具體結(jié)構(gòu)和原理在另一篇同時(shí)申請(qǐng)的專(zhuān)利中公開(kāi))，主控部分包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、發(fā)射部分、接收部分以及貯存于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的控制軟件。
主控部分1在上位機(jī)編有一個(gè)人機(jī)界面，在每次測(cè)試前可輸入管徑、管壁厚、管編號(hào)、日期、材料中聲音傳播的速率、溫度等數(shù)據(jù)。通過(guò)與主控部分網(wǎng)卡的通信連接將這些信號(hào)傳送至主控部分的控制計(jì)算機(jī)，同時(shí)形成文件作為上位機(jī)作各種圖形和作為數(shù)據(jù)保存文件時(shí)的參考數(shù)據(jù)。
主控部分1的主控計(jì)算機(jī)(下位機(jī))有一個(gè)完整和成熟的數(shù)據(jù)模型，可將上位機(jī)傳下的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)各種計(jì)算和處理形成了該焊縫檢測(cè)的控制數(shù)據(jù)和檢測(cè)程序，如焦點(diǎn)位置、折射點(diǎn)位置、各聲束參與發(fā)射和接收的晶體編號(hào)、各晶體發(fā)射和接收的延時(shí)時(shí)間等。所以，不受控制方案數(shù)量的限制，由人機(jī)界面取得的多維變量，通過(guò)數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生出來(lái)的控制方法，控制方案更多、更靈活、更準(zhǔn)確。
在檢測(cè)開(kāi)始前，主控部分1的下位機(jī)將上述的控制數(shù)據(jù)形成控制數(shù)據(jù)數(shù)組，直接通過(guò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線(xiàn)寫(xiě)入發(fā)射接收硬件板卡上的各級(jí)CPLD。
各級(jí)CPLD在收到幀同步脈沖后，按已設(shè)定的時(shí)序，發(fā)出該幀截面的各種控制脈沖，以控制各回路的選通，各發(fā)射、接收、延時(shí)、A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)放大量及信號(hào)帶通方式的選擇，A/D轉(zhuǎn)換卡的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間等。
在這一幀內(nèi)，等CPLD工作完成后，下位機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)讀取A/D轉(zhuǎn)換卡上的全部測(cè)試數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)編寫(xiě)成文件，通過(guò)網(wǎng)卡傳送至上位機(jī)。
主控部分1的下位機(jī)數(shù)據(jù)傳送速度快，設(shè)備軟件、硬件的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，工作可靠性高。選用了PCI和ISA混合制式總線(xiàn)。其中有CPU主板、網(wǎng)卡插在PCI槽口上，兩塊發(fā)射板和四塊接收板插在ISA槽口上。選用了標(biāo)準(zhǔn)的14個(gè)插槽，包括4個(gè)PCI槽口和10個(gè)ISA槽口。ISA槽口的數(shù)據(jù)讀取速度，可大于8Mbit/S，可符合讀取速度要求由于計(jì)算機(jī)及全部電子硬件是安裝在裝備車(chē)6內(nèi)運(yùn)行，會(huì)經(jīng)過(guò)條件非常差的路面的顛簸，所以，設(shè)備有很強(qiáng)的抗震能力和機(jī)械結(jié)構(gòu)上的高可靠穩(wěn)定性；同時(shí)，有高度的抗塵能力和良好的抗電源干擾的電氣機(jī)柜。
發(fā)射板兩塊，每塊64路發(fā)射單元，每塊發(fā)射板由該發(fā)射板上的CPLD按時(shí)序發(fā)出16路不同延時(shí)的脈沖，激發(fā)相應(yīng)的發(fā)射回路。
接收板四塊，每塊對(duì)應(yīng)32路晶體。信號(hào)進(jìn)入各接收單元后，首先經(jīng)過(guò)可控增益的低噪聲放大器，然后再作A/D轉(zhuǎn)換，由于A(yíng)/D轉(zhuǎn)換的起始脈沖時(shí)間不同(由各路的CPLD發(fā)出)相應(yīng)地即作了接收延時(shí)，其延時(shí)量由主控計(jì)算機(jī)在測(cè)試前，通過(guò)總線(xiàn)已給予各級(jí)CPLD設(shè)置。在A(yíng)/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)達(dá)到測(cè)試所需的字節(jié)后，在各級(jí)CPLD的統(tǒng)一時(shí)鐘下同時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，并將模擬信號(hào)送出板外進(jìn)行模擬加。
綜合板一塊，作32路的總模擬加、激勵(lì)電源電壓控制信號(hào)產(chǎn)生器、電機(jī)走行控制電路、液壓泵控制等。
總A/D轉(zhuǎn)換板卡一塊，購(gòu)買(mǎi)成品，其要求為100MHz，8位數(shù)據(jù)精度，可由外同步脈沖觸發(fā)同步。
可由控制端控制A/D轉(zhuǎn)換，并往RAM內(nèi)按順序?qū)懭霐?shù)據(jù)，如無(wú)此信號(hào)則停止讀寫(xiě)。
可由清零控制端輸入2-10微秒的脈沖，脈沖過(guò)后，寫(xiě)入數(shù)據(jù)的指針回零地址開(kāi)始寫(xiě)入。
并要求備有讀出數(shù)據(jù)子程序，可從輸入數(shù)據(jù)首地址讀出到一定的數(shù)據(jù)量止。
發(fā)射板和接收板的數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)符合工業(yè)計(jì)算機(jī)ISA總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射和接收可調(diào)延遲精度為2ns，發(fā)射和接收全部采用數(shù)字延遲電路，數(shù)字延遲電路以10ns以上由軟件程序控制，2ns-10ns由數(shù)字延遲電路控制(通過(guò)選通控制)，時(shí)間控制長(zhǎng)度為25000ns。
信號(hào)放大帶寬1-6MHz，2-12MHz，5-20MHz，和直通帶四種可程序設(shè)置。
脈沖輸出50V-200V；脈沖寬度20ns-500ns放大器動(dòng)態(tài)范圍56Db/通道。
所述的專(zhuān)用管道爬行器部分包括行走導(dǎo)軌、晶體與契塊組件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、耦合液輸出單元。
所述的行走導(dǎo)軌可方便地夾固和拆卸于被測(cè)管道7上，導(dǎo)軌帶有齒條，能使爬行器精確走位。
所述的晶體與契塊組件為晶體和晶體前的有機(jī)材料組成契形組件，契塊之間的間距和橫向位置可以通過(guò)精密絲桿調(diào)節(jié)，契塊組件受壓力作用通過(guò)滾輪壓在管道的接觸面上，并保持一定的間隙，當(dāng)接觸面受到大阻力時(shí)，自動(dòng)抬起機(jī)構(gòu)會(huì)使契塊抬起，防止碰撞損壞契塊；所述的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)、光盤(pán)編碼器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制與地址碼處理器；所述的耦合液輸出單元為設(shè)置在契塊組件中的契塊帶有多個(gè)耦合液的輸出小孔，在耦合液受泵的壓力時(shí)，能使耦合液均勻噴出，形成契塊與接觸面之間的良好耦合。
整個(gè)爬行器主要采用鋁鎂合金制成，重量＞20Kg，便于拆卸搬動(dòng)。
所述的超聲波晶片陣列探頭部分包括左右晶體陣列。
所述的左右晶體陣列均為線(xiàn)性晶片陣列，每個(gè)陣列有64個(gè)晶片，每個(gè)晶片均直接接于一發(fā)射電路，每個(gè)晶片按照控制要求發(fā)射超聲波，超聲波發(fā)射的方向、強(qiáng)度和延遲時(shí)間可以改變。
每個(gè)晶片發(fā)射尺寸1×10mm，工作頻率為5MHz，電纜引線(xiàn)長(zhǎng)30米。
所述的上位機(jī)智能圖形處理部分包括一上位機(jī)、人機(jī)界面、顯示器。
所述的人機(jī)界面包括登錄密碼、基本參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置和計(jì)算、檢測(cè)工藝選擇、試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、系統(tǒng)幫助等模塊。
在上位機(jī)中固化有管道焊縫缺陷顯示軟件，該軟件是一個(gè)專(zhuān)用的信息處理和圖像顯示軟件，可以把下位機(jī)送上來(lái)的數(shù)據(jù)高速大容量數(shù)據(jù)(每個(gè)焊縫掃描最大數(shù)據(jù)容量20M)按照通道分布實(shí)時(shí)地顯示在屏幕上。做到的了準(zhǔn)確、高速、無(wú)遺漏。此軟件可以直觀(guān)地表現(xiàn)缺陷和焊縫的形狀、位置和大小，并且可以用三維圖形方式顯示。
所述的電纜部分包括三根支電纜共128根超聲連線(xiàn)，其中，一根為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電纜，一根編碼器電纜，一根控制電纜。
此外還有一根耦合供水管道、一根加固鋼纜和外防護(hù)套連接至裝備車(chē)。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，專(zhuān)用裝備車(chē)6是由17座依維柯汽車(chē)改制而成，此車(chē)用于沿著管道施工方向快速檢測(cè)焊接質(zhì)量。管道焊接后，管道冷卻到足以接觸時(shí)，該檢測(cè)系統(tǒng)便可開(kāi)始工作，由于焊接一段時(shí)間后，自動(dòng)焊接設(shè)備會(huì)出現(xiàn)一些偏差，檢測(cè)系統(tǒng)能夠檢測(cè)早期的滑動(dòng)并能夠及時(shí)提出忠告，從而降低廢品率。該系統(tǒng)可以參與過(guò)程控制管理，提高工程質(zhì)量，加快進(jìn)度。
當(dāng)用本發(fā)明的檢測(cè)統(tǒng)對(duì)管道7進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，將整個(gè)管道的焊縫分割成許多小的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的深度為2毫米左右，分別覆蓋焊縫根部、熱焊區(qū)、填充區(qū)和蓋冒區(qū)。使超聲波掃查時(shí)能覆蓋所有檢測(cè)的區(qū)域。超聲波是從相控陣探頭上發(fā)出的，相控陣探頭的每個(gè)陣列的晶片都能按照控制要求發(fā)射超聲波，而且可以改變發(fā)射的方向、強(qiáng)度和延遲時(shí)間，晶片被安裝在管道爬行器上，使得探頭正好分別置于焊縫兩邊，爬行器通過(guò)遙控器控制可沿管道周向運(yùn)動(dòng)一周，運(yùn)行一周只需要1分鐘左右。上位機(jī)主要用于用戶(hù)操作，可以輸入基本管道參數(shù)和控制參數(shù)，在上位機(jī)中的操作界面輸入發(fā)射的超聲波束參數(shù)。檢測(cè)前根據(jù)所采用的標(biāo)準(zhǔn)，校準(zhǔn)反射體模擬工件中的缺陷完成后，數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連線(xiàn)傳送到下位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算并控制發(fā)射和接收的晶片、發(fā)射聲束的角度、焦距和焦點(diǎn)尺寸，控制發(fā)射晶片發(fā)出不同角度范圍的超聲波，接收晶片接收反射的回波。發(fā)射是按照多個(gè)探頭晶片在短時(shí)間內(nèi)間隔被激發(fā)，通過(guò)對(duì)延時(shí)的精確控制，可在管道焊縫中產(chǎn)生不同角度、不同焦距和不同焦點(diǎn)的聲束。所需焦點(diǎn)的回波均按時(shí)間間隔位移，形成A、B掃描，以及TOFD(脈沖回波和時(shí)差衍射)掃描和橫向掃描波。這些回波被采集到，經(jīng)過(guò)A/D卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字后經(jīng)過(guò)高速傳送卡傳送到上位機(jī)智能圖形處理部分的上位機(jī)，上位機(jī)的圖像處理軟件將數(shù)據(jù)還原成兩維或三維立體圖像顯示在屏幕上，這樣超聲掃描的焊接圖像就實(shí)時(shí)地顯示在屏幕上了，用戶(hù)可以觀(guān)察焊縫的焊接質(zhì)量，查找焊接缺陷。數(shù)據(jù)還可以保存在光盤(pán)中，保留的每一道焊縫的數(shù)據(jù)可以以備分析查證。這種保存方式也比射線(xiàn)探傷保存膠片好的多。
主控部分1通過(guò)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡與上位機(jī)的網(wǎng)卡進(jìn)行與上位機(jī)的通信，通信協(xié)議為T(mén)CP/IP，通信速率設(shè)計(jì)為10M/100M可選。
在測(cè)試開(kāi)始前，安裝在上位機(jī)上的人機(jī)界面，將現(xiàn)行輸入的管徑、管壁厚等參數(shù)以文件形式傳給主控部分，用以改變控制參數(shù)。
主控部分1計(jì)算機(jī)將上位機(jī)人機(jī)界面上輸入的這些數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)模型的分析計(jì)算，另產(chǎn)生一個(gè)傳送數(shù)據(jù)格式文件，在檢測(cè)啟動(dòng)前，通過(guò)網(wǎng)卡傳送至上位機(jī)的文件夾內(nèi)。
另外，上位機(jī)圖形處理軟件，可以在上位機(jī)的人機(jī)界面的數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用所需的有關(guān)數(shù)據(jù)，作為制作圖形的有用數(shù)據(jù)。
主控部分1在開(kāi)始檢測(cè)后，將每一幀檢測(cè)到的數(shù)據(jù)編制成文件夾和文件，傳送到上位機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)(硬盤(pán))。
爬行器與主控部分的信號(hào)連接為I/O口連接。
在爬行器上可由操作者對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)，啟動(dòng)操作信號(hào)傳至主控部分后，經(jīng)與各種連鎖信號(hào)確認(rèn)允許后，由主控部分主控計(jì)算機(jī)發(fā)出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖，同時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始測(cè)試。同時(shí)，爬行器將報(bào)警信息發(fā)至主控部分，以供主控部分判斷處理。
以上控制均通過(guò)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)和專(zhuān)用裝備車(chē)之間的電纜進(jìn)行。
主控部分1與超聲波晶片陣列中128個(gè)晶片之間的連接是通過(guò)主電纜中的128線(xiàn)的專(zhuān)用電纜進(jìn)行的。每個(gè)晶片均直接接于一路發(fā)射電路。
在本發(fā)明的系統(tǒng)中運(yùn)用計(jì)算機(jī)的精確控制，能使晶體陣的晶片按一定的規(guī)律延時(shí)發(fā)射和延時(shí)接收，以形成超聲波的拋物面的發(fā)射陣面和接收陣面。使多束超聲聲束能聚焦于被測(cè)的焊接面，并可移動(dòng)焦點(diǎn)的位置和偏轉(zhuǎn)焦點(diǎn)的角度，大大地提高了探傷的精細(xì)程度和準(zhǔn)確程度(毫米級(jí))。同時(shí)能只用一組雙列晶體探頭，達(dá)到分層次多聲束多角度的掃描、TOFD規(guī)則掃描、耦合狀況掃描等，縮小和簡(jiǎn)化了探頭的體積和種類(lèi)，同時(shí)，也為今后增加其他掃描方式時(shí)，只需改變軟件而不需改變硬件，使系統(tǒng)具有很大的靈活性。測(cè)試后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件可通過(guò)盤(pán)片傳送或通信傳送送至上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并可通過(guò)軟件顯示出和打印出脈沖的波形文件，另外，經(jīng)過(guò)對(duì)此圖形的模糊識(shí)別處理(通過(guò)相應(yīng)的軟件處理)，可識(shí)別出材料缺陷的大小和精確的位置，通過(guò)打印和屏幕顯示。同時(shí)，根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，要求能對(duì)此作出判斷，確定是否必須對(duì)此焊縫進(jìn)行返修。以上的部分技術(shù)要求，已達(dá)到目前國(guó)際上的最高水平，所以本系統(tǒng)充分發(fā)揮軟件的智能性，使本項(xiàng)目能充分滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)外工藝操作的需要，達(dá)到國(guó)際上的先進(jìn)水準(zhǔn)。
本發(fā)明檢測(cè)系統(tǒng)達(dá)到的主要指標(biāo)使用CPLD和電子方法實(shí)現(xiàn)了超聲波束的延時(shí)、位移、動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)和聚焦，達(dá)到了傳統(tǒng)模擬方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的延時(shí)精度和延時(shí)范圍，延時(shí)精度達(dá)到2納秒，延時(shí)范圍達(dá)到了25微秒。
使得口徑在426-1420毫米、厚度在6-50毫米的管道環(huán)焊縫的探傷能在1分多鐘全部測(cè)試完成。
通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像其中包括兩維和三維圖像顯示。保存全部探傷數(shù)據(jù)。具有準(zhǔn)確的各聲束反射波的幅度積分的波形顯示和圖形打印。
具有準(zhǔn)確的缺陷所在位置和大小、形狀的識(shí)別功能，并能有三維的缺陷圖形顯示(此項(xiàng)將超過(guò)目前的國(guó)際水平)，并能將圖形打印。
具有對(duì)缺陷是否需要立即返工或報(bào)廢的判斷功能，并能顯示和打印。
探頭是兩個(gè)直列式64個(gè)晶體構(gòu)成，震蕩頻率為5M赫茲。
系統(tǒng)控制方法包括常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)方法探傷、橫向裂紋探傷、TOFD衍射波時(shí)差法探傷。
系統(tǒng)的顯示方法有常規(guī)的雙門(mén)線(xiàn)條顯示、多通道A掃描顯示、多通道B掃描顯示、衍射波時(shí)差法(TOFD)顯示、滿(mǎn)足國(guó)際探傷ASTME-1961-98及API1104-99的規(guī)范要求。
符合中國(guó)石油西氣東輸項(xiàng)目經(jīng)理部企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——西氣東輸工程管道環(huán)焊縫全自動(dòng)超聲波檢測(cè)”的標(biāo)準(zhǔn)的條款要求。
適用管徑＞32英寸(只需改變?cè)O(shè)置文件)可測(cè)管道壁厚12mm-26mm(只需改變?cè)O(shè)置文件和契塊)發(fā)射16/32，128通道接收16/32，128通道相控陣探頭5MHz(含TOFD)陣元64*2陣元可調(diào)激發(fā)脈沖延時(shí)0-25微秒，2ns/步接收器延時(shí)0-25微秒，2ns/步可調(diào)發(fā)射電壓50-200V最大重復(fù)頻率10-20KHz顯示方式A，B以及TOFD管道掃查及報(bào)告時(shí)間＜10分鐘相控陣探頭盤(pán)重量＜20KG機(jī)械掃查器具有手動(dòng)和自動(dòng)；掃查速度100mm/s(可調(diào))；位置分辨率0.5mm；定位精度0.5mm工作環(huán)境溫度-20℃--+50℃電源DC24V/AC220V 50Hz系統(tǒng)設(shè)計(jì)面向操作使用人員的易使用性本檢測(cè)系統(tǒng)面向野外探傷操作人員，系統(tǒng)有良好的人機(jī)界面，便于輸入數(shù)據(jù)，操作人員只需有初步的計(jì)算機(jī)知識(shí)即能進(jìn)行操作輸入數(shù)據(jù)和進(jìn)行探傷結(jié)果的情況分析。
權(quán)利要求
1.一種大口徑管道環(huán)焊縫相控陣超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于該相控陣超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)包括主控部分、專(zhuān)用管道爬行器部分、超聲波晶片陣列探頭部分、上位機(jī)智能圖形處理部分、電纜部分、專(zhuān)用裝備車(chē)，超聲波晶片陣列探頭部分安裝于專(zhuān)用管道爬行器部分上；主控部分、上位機(jī)智能圖形處理部分安放在專(zhuān)用裝備車(chē)內(nèi)；專(zhuān)用裝備車(chē)內(nèi)的主控部分、上位機(jī)智能圖形處理部分通過(guò)電纜部分與專(zhuān)用管道爬行器部分連接。
2.如權(quán)利要求1所述的大口徑管道環(huán)焊縫相控陣超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的主控部分包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、發(fā)射部分、接收部分以及貯存于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的控制軟件；所述的專(zhuān)用管道爬行器部分包括行走導(dǎo)軌、晶體與契塊組件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、耦合液輸出單元；所述的超聲波晶片陣列探頭部分包括左右晶體陣列；所述的上位機(jī)智能圖形處理部分包括一上位機(jī)、人機(jī)界面、顯示器；所述的電纜部分包括三根支電纜共128根超聲連線(xiàn)，其中，一根為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電纜，一根編碼器電纜，一根控制電纜。
3.如權(quán)利要求2所述的大口徑管道環(huán)焊縫相控陣超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的控制軟件中有一個(gè)完整和成熟的數(shù)據(jù)模型，可將上位機(jī)傳下的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)各種計(jì)算和處理形成了該焊縫檢測(cè)的控制數(shù)據(jù)和程序，如焦點(diǎn)位置、折射點(diǎn)位置、各聲束參與發(fā)射和接收的晶體編號(hào)、各晶體發(fā)射和接收的延時(shí)時(shí)間。
4.如權(quán)利要求2或3所述的大口徑管道環(huán)焊縫相控陣超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)選用了標(biāo)準(zhǔn)的14個(gè)插槽，包括4個(gè)PCI槽口和10個(gè)ISA槽口，其中的CPU主板、網(wǎng)卡插在PCI槽口上，兩塊發(fā)射板和四塊接收板插在ISA槽口上。
5.如權(quán)利要求2所述的大口徑管道環(huán)焊縫相控陣超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的行走導(dǎo)軌可方便地夾固和拆卸于被測(cè)管道上，導(dǎo)軌帶有齒條，能使爬行器精確走位；所述的晶體與契塊組件為晶體和晶體前的有機(jī)材料組成契形組件，契塊之間的間距和橫向位置可以通過(guò)精密絲桿調(diào)節(jié)，契塊組件受壓力作用通過(guò)滾輪壓在管道的接觸面上，并保持一定的間隙，當(dāng)接觸面受到大阻力時(shí)，自動(dòng)抬起機(jī)構(gòu)會(huì)使契塊抬起，防止碰撞損壞契塊；所述的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)、光盤(pán)編碼器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制與地址碼處理器；所述的耦合液輸出單元為設(shè)置在契塊組件中的契塊帶有多個(gè)耦合液的輸出小孔，在耦合液受泵的壓力時(shí)，能使耦合液均勻噴出，形成契塊與接觸面之間的良好耦合。
6.如權(quán)利要求2所述的大口徑管道環(huán)焊縫相控陣超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的左右晶體陣列均為線(xiàn)性晶片陣列，每個(gè)陣列有64個(gè)晶片，每個(gè)晶片均直接接于一發(fā)射電路，每個(gè)晶片按照控制要求發(fā)射超聲波，超聲波發(fā)射的方向、強(qiáng)度和延遲時(shí)間可以改變。
7.如權(quán)利要求2所述的大口徑管道環(huán)焊縫相控陣超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的人機(jī)界面包括登錄密碼、基本參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置和計(jì)算、檢測(cè)工藝選擇、試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、系統(tǒng)幫助模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種大口徑管道環(huán)焊縫相控陣超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，該檢測(cè)系統(tǒng)包括主控部分、專(zhuān)用管道爬行器部分、超聲波晶片陣列探頭部分、上位機(jī)智能圖形處理部分、電纜部分、專(zhuān)用裝備車(chē)，超聲波晶片陣列探頭部分安裝于專(zhuān)用管道爬行器部分上，主控部分、上位機(jī)智能圖形處理部分安放在專(zhuān)用裝備車(chē)內(nèi)，用裝備車(chē)內(nèi)的主控部分、上位機(jī)智能圖形處理部分通過(guò)電纜部分與專(zhuān)用管道爬行器部分連接。該系統(tǒng)具有體積小和重量輕的相控陣探頭、參數(shù)變化具有更大的靈活性、系統(tǒng)可檢測(cè)管道直徑范圍大、可從4英寸到56英寸、全厚度/直徑檢測(cè)必要的探頭數(shù)量少，操作的成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N29/04GK1412552SQ0113193
公開(kāi)日2003年4月23日 申請(qǐng)日期2001年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月17日
發(fā)明者薛振奎, 黃建民, 張學(xué)增, 蘇恒興, 吳楠松, 陳家祥, 覃明貴, 白世武, 王文海, 藍(lán)玲根 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院, 上海白玉蘭建設(shè)工程設(shè)備監(jiān)理有限公司, 上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所, 上海寶信軟件股份有限公司