无缝钢管缺陷的超声分析研究毕业论文(编辑修改稿)

无缝钢管缺陷的超声分析研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

9303： 1989（ E）承 压无缝钢管和焊接（埋弧焊除外）钢管纵向缺陷的全周向超声波试测》等。 然而，无缝钢管作为重要的工业产品，由于 材质或者 使用环境的不同，对于某一特殊的 钢种或者 行业， 需要其他相关 标准 进行参照 ，例如， 国内有 《 GB/T 钛及钛合金管材超声波检验方法》 ，《 GB/T 41631984 不锈钢管超声波探伤方法》，航空行业标准 《 HB/Z 751983 航空用小直径薄壁无缝钢管超声波检验说明书》， 中国船舶工业总公司部 标准 《 CB 11341985 BFe 3011 管材的超声波探伤方法》 ，中华人民共和国石油天然气行业标准《 SY/T 669920xx 管材缺欠超声波评价推荐作法》 等 ，这些标准的制定都从一个侧面反映出无缝钢管高质量要求以及超声检测的重要性，说明超声检测已经成为无缝钢管检测中应用最广泛、使用频率最高、目前发展较快的一种无损检测技术。 无缝钢管的超声检测国内外研究现状 国外无缝钢管的超声检测研究现状 从上个世纪 70 年代以来，无缝钢管的超声检测研究在国外主要集中在以工业自动化应用为基础的自动 检测技术上。 美国 IRIS 公司生产的 IRIS 9000 超声检测系统是一种全自动管内检测系统。 这套检测系统主要针对气∕水冷热交换管的无损检测， 可以精确地 检测管道 内部和外部的腐蚀和点蚀 等缺陷，软件 包含 有 便携式旋转 彩色 B 扫描 成像系统，如图 所示。 该设备检测对象较为固定，检测的针对性强，但对于其他用途的无缝钢管以及非 腐蚀 类缺陷检测是否适用， IRIS 公司相关资料未加以说明 [17]。 无缝钢管缺陷的超声分析研究毕业论文 图 便携式 IRIS 9000 软件系统 Portable IRIS 9000 software systems 美国 GE 公司拥有的 Krautkramer（德国 KK 公司） 超声波大型钢管检测设备 GRPPAT，该设备采用最新相控阵检测技术，实现全管体纵向，横向，斜向（ 0176。 ~20176。 ），分层等缺陷检测及测厚功能。 检测为部分液浸方法，利用精确延时时序控制，来控制合成波束偏转和动态聚焦位置，实现快速和高灵敏度的电子扫查，克服了常规超声扫查速度慢，且需要多次更换探头规格和调整入射角度等不便，检测设备如图 所示 [18]。 美国 GE 公司还拥有“ CLUSTER”检测系统。 该设备特点：“簇”式探头架，允许周向布置 9 个检测探头，全 面检测纵向，横向，斜向，分层缺陷，厚测及耦合监测，或采用高速“簇”式探头架检测纵向厚度及耦合监测；不同管径和壁厚尺寸可灵活选择不同“ CLUSTER”探头架；缺陷处自动报警和喷标，为后续分选提供依据；最大检测速度达 2 米 /秒，检测设备如图 所示 [18]。 图 GRPPAT 检测系统 图 “ CLUSTER”检测系统 GRPPAT detection systems CLUSTER detection system 上述两种检测设备主要是针对石油天然气管道，适用管径都是在 60mm以上的大口径无缝钢管，管径小于 60mm 的小口径无缝钢管不适用。 针对小口径无缝钢管检测， GE 公司拥有 ROT 系列管材超声检测系统与 ROTA 系列管材检测系统，两套检测系统采用旋转探头产生旋转超声场，并同时具有垂直入射和斜入射无缝钢管缺陷的超声分析研究毕业论文 高密度超声脉冲，实现 100%断面声束覆盖，并保证周向灵敏度的一致性 [18]。 GE 公司的管材超声检测设备中 GRPPAT 检测系统、“ CLUSTER”检测系统以及 ROT 系列检测系统采用的是 UNIVIS 软件，可显示多通道 彩色带状模式条线图，如图 所示。 ROTA 系列检测系统采用的是 NUscan 软件，这 是一个专利成像软件，可提供 A， B， C 扫描和对被检部件缺陷的准确显示功能 ，如图 所示 [18]。 这两种显示软件对缺陷的展示都是以一维或者二维平面形式，而无缝钢管作为非平面件产品，钢管缺陷用平面图像显示并非最佳效果。 图 UNIVIS 应用软件 图 NUscan 应用软件 UNIVIS application software NUscan application software Olympus（泛美）有限公司也是世界知名的无损检测公司，拥有检测无缝钢管的设备主要有旋转管材检测系统（ RTIS）与在线∕离线 ERW 管材检测系统。 其中 RTIS 使用相控阵技术对管材进行全管体检测 ， 这个系统基于 “水楔 ”概念，通过膜状材料，使一个储水容器发挥持续稳定的效用，可以快速进行耦合，并具有较短的非检测区域长度。 设备系统如图 所示 [19]。 （ a） （ b） 图 RTIS 检测系统 RTIS detection system (a) 机械系统； (b) 软件系统 无缝钢管缺陷的超声分析研究毕业论文 从图 (b)可见系统缺陷检测以常规的波形检测为主，对缺陷的描述不直观。 另一套在线∕离线 ERW 管材检测系统如图 所示。 在图 (b)中加入了彩色二维带状图像，但就设备设计特性而言，这种二维带状图更适合于 电阻焊接（ ERW）管材进行焊缝和热影响区（ HAZ）的检测 设计， 气动悬挂可以使检测头跟踪管材的移动，并在出现烧剥孔或卷材板之间的对接焊缝时，基于渡越时间分析的独特算法 （公司专利） 可以对烧剥 区域进行自动检测，并将反馈信息发送到 PLC，以自动调整 每个 水楔 ， 检测头的旋转能力可以使每个探头在 120~+120度之间独立移动 ，如图 所示为 ERW 检测系统 自动焊缝跟踪 ，但是对于无缝钢管而言，如外折在 钢管外表面呈螺旋形状且螺距较大、分布于局部或全长，这使得跟踪范围远远大于焊缝跟踪的范围，虽然采用自动跟踪对于缺陷的描述较为直观形象，但局部跟踪不能反映缺陷在整个无缝钢管中的位置分布 [19][20]。 (a) (b) 图 在线∕离线 ERW 检测系统 Online / Offline ERW detection system (a) 机械系统； (b)软件系统 图 ERW 检测系统 自动焊缝跟踪 ERW detection system of automatic weld tracking 国内无缝钢管的超声检测研究现状 目前，国外许多公司的超声设备的先进性主要是体现在一些关键技术上，国无缝钢管缺陷的超声分析研究毕业论文 内由于机械制造加工水平相对落后，精密程度较低，从而对产品的功能性、可靠性和美观性等方面有较大 影响，故国内无缝钢管生产厂家的管材超声检测设备主要还是依赖于进口。 虽然我国无缝钢管超声检测方面的研究起步较晚，与国外相比还有很大的差距，但近年来通过一些高校和企业对无缝钢管超声检测等相关技术与设备的研究，使得国内无缝钢管超声检测取得了长足的进步。 合肥工业大学何辅云教授研制了喷淋水耦合式旋转多探头高能超声动态检测系统，可以对管材壁厚和钢管内部的折叠缺陷进行检测。 因为是多通道检测可对缺陷分区定位，检测精度为177。 [21][22]。 设备利用 DSP 的多通道缓冲串口接受和处理超声信号的回波数据，在采集同时采 用 LZW 压缩算法， 实现数据的实时快速准确的采集和处理 [23]。 但该设备采用垂直入射法对无缝钢管进行检测，这就不可避免的存在近表面检测盲区问题，对于薄壁管来说，再小的盲区都是不能允许存在的。 天津市特种设备监督检验技术研究院刘怿欢等同志利用内置旋转式超声波检测技术（简称 IRIS）对钢管内壁和外壁进行全面检测 , 并对其进行精确定量 [24]。 内置旋转式超声波检测技术是利用反射镜的旋转实现周向的扫查 , 从而达到对管子进行全面扫查的效果。 从检测手段来说，利用 IRIS 技术检测无缝钢管存在一定的不足之处，首先，由于这种 检测技术的特殊性，使得探头需要特制。 其次，检测结果受钢管清洁状况和现场检测条件影响较大，例如，耦合条件较为苛刻，水脏或者气泡会导致信号不稳定和数据丢失，水压过小会导致水泄漏或者涡轮驱动压力丢失。 从缺陷显示来说，涡轮每旋转一周创建一个被检钢管的截面扫描图像，当探头进入到管子内部时，连续的图像形成管壁的彩色 C 扫描成像，如图 所示，从文献中作者提供的扫描图像可见，检测受一定的干扰，不稳定。 图 在役钢管 C 扫描成像 Fig. Cscan imaging of inservice tube 杭州浙大奔月科技有限公司以浙江大学周晓军教授为代表的科研团队设计研制成功国内第一家基于计算机技术的超声波扫描成像系统以及复杂曲面超声波 C 扫描成像检测系统。 其中棒（管）材 水浸超声波无损探伤系统： 7 个自由度无缝钢管缺陷的超声分析研究毕业论文 联动 ， 管件轴线自动跟踪功能 ， 能以轴向成像、径向成像等方式给出内部缺陷的定性和定量分析 [25]。 在超声自动检测 C 扫描成像方面，由于机械回程间隙和超声信号采集滞后等，使成像图元和实际测试的工件位置不重合，周晓军教授的研究生李雄兵博士为消除机械回程间隙产生的定位误差，一方面，在运动控制上加编码器实现闭环控制，保 证探头位姿误差相对最小；另一方面为减少信号采集过程中的时耗，通讯接口采用总线方式，或提高信号采样频率、降低检测速度等，这些措施在一定程度上能改善图像锯齿错位的现象。 为此，他们先在标准试块上扫描成像，确定缺陷样件的错位量，然后用其去修正其它 C 扫描图像，如图 所示为文献提供的某一圆形缺陷修正锯齿错位前后 C 扫描图像 [26]。 这不仅改善了成像的质量，更重要的是对缺陷的精确定位、定量分析意义重大。 (a) (b) 图 锯齿消除前后 C 扫描图像对比 Fig. Cscan images pared of before and after antialiasing (a) 消除锯齿前； (b) 消除锯齿后 李雄兵博士对曲面工件自动超声检测的流程：首先进行曲面测量，通过曲面重建获得被测工件模型并将其入库，设定检测路径生成控制机械运动走位与扫描参数后即可检测扫描。 如图 所示为文献提供的某一曲面超声 C 扫描图像 [26]。 图 曲面 C 扫描图像 Fig. Curved surface Cscan images 通过上以上概述可知周晓军教授团队在超声波检测系统的研制与开发上是国内较为先进的，但对于无缝钢管的检测在其相关学术案例鲜有出现，更多的是对于棒材以及航空构件等曲面构件的检测成像 [27~29]。 中核集团核动力运行研究所在役检查中心 对核电站蒸汽发生器传热管和CANDU 堆压力管利用自行设计的自动扫查装置与μ +（ Micro plus） 16 通道超无缝钢管缺陷的超声分析研究毕业论文 声数据采集和分析系统进行检测，如图 所示。 探头在充满水的压力管内部以周向扫查和轴向扫查，从而探测分布于不同方向的缺陷。 μ + 超声系统将 采集的超声数据和位置信号进行存储，并可进行 B， C， D 型显示，以及对超声数据进行离线分析，但文献中作者没有给出 B， C， D 型显示的真彩检测案例图像。 (a) (b) 图 μ＋ （ Micro plus） 16 通道数字式超声波管道检测系统 μ + (Micro plus) 16channel digital ultrasonic pipe inspection system （ a）压力管自动扫查装置；（ b）管道超声 检测扫查器 诚然，通过国内学者与专家的努力，我国无缝钢管超声检测水平与国际水平的差距正在缩小，但目前我国超声检测大部分还集中在手持式单 /多通道超声波仪研制，通过波形判断来对缺陷进行判定检测。 综合无缝钢管的超声检测国内外研究现状可见伴随着计算机技术，传感技术以及自动控制技术的发展，超声检测技术正向快速化、标准化、数字化、程序化和规范化的方向发展。 另一个趋势是对无缝钢管缺陷的超声检测与分析正从以往的波形判定检测转向于数字化图像分析检测，让检测结果更加直观便捷，减少人为因素的干扰，开创从无损检测角度对缺陷进行 分析而不是仅仅探测有无超标缺陷，这也为无损检测向无损评价发展起推动作用。 本论文研究的主要内容 本学位论文研究主要是利用超声检测技术与超声成像技术对无缝钢管的缺陷进行无损检测的分析与研究。 论文共分四章，各章内容概括如下： 第一章为绪论，主要内容：课题背景的论述，无缝钢管缺陷的概述，无缝钢管各种检测方式的比较以及国内外对无缝钢管超声检测研究的现状。 第二章为无缝钢管缺陷超声检测与关键参数优化，主要内容：从无缝钢管成型工艺入手分析缺陷取向性，进而提出实验方法以及对无缝钢管水浸式聚焦检测无缝钢管缺陷的超声分析研究毕业论文 关键参数进行分析与 优化实现对钢管横向、纵向缺陷的优化检测。 第三章为无缝钢管缺陷的超声成像分析，主要内容：对无缝钢管缺陷进行超声成像扫描分析，以现有实验。