（机械工程专业论文）无逢钢管在线超声波自动测厚装置研制.pdf

无缝钢管在线超声波自动测厚装置研制 机械工程领域 研究生党玉春指导教师马咏梅 企业导师战金龙 攀钢集团成都钢铁有限责任公司是国内无缝钢管的主要生产厂家，其产品规 格梯度大，产品终端用户复杂，主要涉及石油、电力、化工、冶金机械等行业， 壁厚是无缝钢管极为重要的特征参数之一，同时也是钢管生产厂家首要控制并给 予用户保证的参数。随着国民经济的发展，这些行业对无缝钢管出厂前的壁厚测 量均有不同程度的要求。为了满足使用需要，应该在生产线上配置钢管壁厚全长 全截面自动检测装置。 对国内外无缝钢管壁厚检测技术，特别是在线测厚技术设备的研究开发和使 用现状研究表明：无缝钢管在线测厚技术国内研究处于起步阶段，但还没有成型 的产品和应用，目前少量使用国外进口设备，使用条件和范围受到限制，而且价 格较高。国外研究开发和应用已相对较多，其开发的全长全截面超声波在线测厚 设备主要采用钢管直行与探头旋转相结合的方法进行测厚，只有极少数采用钢管 螺旋前进与探头静止相结合的方法进行测厚。优点是：测量仪器探头和通道数量 少，可以降低测量部件的成本。缺点是：对被检钢管的规格、尺寸及形状精度要 求高，机械设计难度大，机械加工精度要求高，信号拾取难度大，大大增加了机 械部件的设计、制造成本和维护成本。而国内生产的钢管普遍规格复杂、尺寸及 形状精度较差。显然，直接从国外引进全长全截面超声波在线测厚设备，既不经 济也不能满足使用要求。 针对攀钢集团成都钢铁有限责任公司无缝钢管实际生产状况和要求，自主开 发的无缝钢管全长全截面在线超声波自动测厚装置。特点是采用探头静止、钢管 直行的核心技术方案，使原本复杂的系统得以简化，具有制造、安装方便，使用 可靠性高及维护简单，在测量信号拾取上无需特殊技术，而且适用钢管规格、尺 寸及形状精度范围较宽，具有新颖性和实用性。 自主开发的无缝钢管全长全截面在线超声波自动测厚装置主要包括机械系 统、水循环系统、喷标系统、控制系统、测量系统和系统软件等五个部分。本文 着重论述该装置研制中机械系统的设计问题。 机械系统主要由底座、导向输送辊机构、压紧辊机构、压紧辊升降机构、测 距轮机构、超声波测厚装置及超声波测厚装置调整机构组成。所有机构都安装在 底座上，使用时整体装在生产线上。在机械系统设计中，创造了多项简单实用的 技术或机构一自适应压下机构、测厚葙浮动机构、同步升降机构、水密封技术等， 设计巧妙实用，提高了装置工作的可靠性、适应性，扩大了检测范围，满足了不 同规格无缝钢管壁厚检测的要求，降低了对无缝钢管尺寸及现状精度要求，使装 置的设计、制造和运行维护成本大为降低。 论文还简单介绍了其它系统的主要组成和工作原理。水循环系统主要功能是 使水中的空气充分逸出，实现了低压大流量的进水方式，保证超声波信号拾取准 确；喷标系统由喷罐、位置调整、电动压头等构成，由p l c 控制，自动手动均可， 其主要作用是对超标点喷漆标识；控制系统采用p l c 为核心的控制方式，由p l c 、 传感器、各类输入输出元件以及相关的驱动单元构成；测量系统以计算机网络 为核心，由数据采集与信号分析处理系统( 测量站) 、数据通讯、监测站( 又称 上位机或服务器) 以及控制系统构成。整体控制和显示系统完全利用了计算机， 稳定、可靠、直观、先进。其中在传感器设计制做、测量软件、水密封方式等关 键技术上有突破。 所研制的装置经制造、安装、调试，然后进行空载试车和实际现场应用试验。 结果表明自主开发的无缝钢管全长全截面在线超声波自动测厚性能指标达到技 术协议和设计要求，验收合格。研制是成功的，用户满意。所研制的装置国内外 均未见主要技术特点类同的相关文献报道，具有新颖性。该装置是一套集多学科 于一体的综合检测系统，与国内外同类技术相比，具有故障率低可靠性高等优点， 在研制、运行本和维护成本上具有明显优势。该装置除在钢管生产厂家在线使用， 也可离线使用，对于钢管产品的终端用户而言，也有较好的使用价值。同时与国 外设备相比，该套装置无论从适应性还是价格上都具有优良的竞争优势，因此本 文所开发的无缝钢管全长全截面在线超声波自动测厚装置具有良好的市场前景。 关键词：无缝钢管管壁厚度无损检测超声测量 d e v e l o p m e n t o f u l t r a s o n i cd e v i c ef o ro n - l i n e a u t o m a t i cm e a s u r e m e n to fs e a m l e s sp i p et h i c k n e s s c h e n g d ui r o na n ds t e e lc o ，l t d ，p a n g a n gg r o u pi sam a j o rp r o d u c e ro f s e a m l e s ss t e e lp i p ed o m e s t i cm a n u f a c t u r e r s ，t h ep r o d u c ts p e c i f i c a t i o n sg r a d i e n t ， c o m p l e xe n d - u s e rp r o d u c t s ，m a i n l yo i l ，e l e c t r i c i t y , c h e m i c a l s ，m e t a l l u r g y , m a c h i n e r ya n do t h e ri n d u s t r i e s ，s e a m l e s ss t e e lp i p ew a l lt h i c k n e s si sa ne x t r e m e l y i m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，p i p em a n u f a c t u r e r s ，b u ta l s og i v e u s e r s c o n t r o la n de n s u r et h a tt h ep r i m a r yp a r a m e t e r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e n a t i o n a le c o n o m y , t h e s ei n d u s t r i e sb e f o r ed e l i v e r yo fs e a m l e s ss t e e lt u b e so f v a r y i n gd e g r e e so ft h i c k n e s sm e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t s t os a r i s f yt h en e e d so f t h ep r o d u c t i o nl i n es h o u l dg a g el e n g t ho ft h ee n t i r ec r o s s - s e c t i o nc o n f i g u r a t i o n a u t o m a t i cd e t e c t i o nd e v i c e s s e a m l e s ss t e e lp i p ew a l lt h i c k n e s so ft h ed o m e s t i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yi nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t - l i n e t h i c k n e s sm e a s u r e m e n ta n dt h eu s eo ft h es t a t u sq u os h o w s ：s e a m l e s ss t e e lt u b e l i n et h i c k n e s sm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yr e s e a r c h e r sa tt h ei n i t i a ls t a g e ，b u tn o tt h e s h a p eo fp r o d u c t sa n da p p l i c a t i o n s c u r r e n t l yas m a l ln u m b e ro fi m p o r t e d e q u i p m e n tu s e d ，c o n d i t i o n so fu s ea n dl i m i t e di ns c o p e ，b u ta l s oh i g h e rp r i c e s f o r e i g nd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o nh a sb e e nr e l a t i v e l yh i g h ，d e v e l o p m e n to f t h e e n t i r el e n g t ho fi t s c r o s s - s e c t i o np i p e - l i n eu l t r a s o n i ct h i c k n e s sm e a s u r e m e n t e q u i p m e n tu s e dm a i n l yd i r e c t e dt op r o b er o t a t i o nw i t hac o m b i n a t i o no fm e t h o d s 4 f o rt h i c k n e s sm e a s u r e m e n t ，o n l yah a n d f u lo f s p i r a lp i p ea n dn s ea c o m b i n a t i o no f m e t h o d sf o rm e a s u r i n gs t a t i cp r o b et h i c k t h ea d v a n t a g ei sas m a l l e rn u m b e ro f c h a n n e l s ：i n s t r u m e n ta n dp r o b ec a nl o w e rt h ec o s to fm e a s u r e m e n tc o m p o n e n t s w e a k n e s s e sa r e ：t ob es e i z e dp i p es p e c i f i c a t i o n s ，t h es i z ea n ds h a p eo fh i g h p r e c i s i o nm e c h a n i c a ld e s i g nw a sd i f f i c u l t h i g hp r e c i s i o nm a c h i n i n g ，p i c ku p s i g n a l sd i f f i c u l t ，g r e a t l yi n c r e a s i n g t h ed e s i g no fm e c h a n i c a lc o m p o n e n t s m a n u f a c t u r i n gc o s ta n dm a i n t e n a n c ec o s t g e n e r a ld o m e s t i cp r o d u c t i o no ft h e p i p ea n dt h ec o m p l e x i t yo f t h es h a p ea n ds i z ea n dp r e c i s i o 也o b v i o u s l y , t h e l e n g t ho ft h ee n t i r ec r o s s - s e c t i o no ff o r e i g nd i r e c tl i n eu l t r a s o n i ct h i c k n e s s m e a s u r e m e n te q u i p m e n t , n e i t h e rc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h ee c o n o m y i nv i e wo ft h el i m i t e dl i a b i l i t yc o m p a n yc h e n g d ui r o na n ds t e e lc o ，l t d ， p a n g a n gg r o u pa c t u a ls t e e lp r o d u c t i o na n dd e m a n d ，i n d e p e n d e n td e v e l o p m e n to f t h ee n t i r el e n g t ho fs e a m l e s ss t e e lp i p es e c t i o nl i n eu l t r a s o n i ct h i c k n e s sm e a s u r i n g d e v i c e s t a t i cp r o b ec a nb eu s e d ，t h es h i no ft h ec o r ep i p et e c h n o l o g yp r o g r a m , m a k i n gc o m p l e xs y s t e mh a sb e e ns t r e a m l i n e da n dh a sm a n u f a c t u r i n g ，e a s y i n s t a l l a t i o n ，h i g hr e l i a b i l i t ye n de a s ym a i n t e n a n c e ，p i c ku pt h es i g n a lo nt h en e e d s p e c i a ls k i l l s ，b u ta l s op i p es p e c i f i c a t i o n s s i z ea n ds h a p ep r e c i s i o nr a n g ef o r n o v e l t ya n dp r a c t i c a l i t y i n d e p e n d e n td e v e l o p m e n to ft h ee n t i r el e n g t ho fs e a m l e s ss t e e lp i p es e c t i o n l i n eu l t r a s o n i ct h i c k n e s sm e a s u r i n gd e v i c e si n c l u d em e c h a n i c a ls y s t e m s ，w a t e r s y s t e m ，j e ts y s t e m s ，c o n t r o ls y s t e m s ，m e a s u r e m e n ts y s t e m sa n ds y s t e m ss o f t w a r e i nf i v ep a r t s t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fm e c h a n i c a l d e v i c e st ot h es y s t e md e s i g n m e c h a n i c a ls y s t e m sf r o mt h em a i nb a s e ，t h eg u i d er o l l e r , r o l l e rc o m p a c t o r , c o m p r e s sr o l lm o v e m e n t s ，r a n g i n gr o u n d ，u l t r a s o n i ct h i c k n e s s m e a s u r e m e n t d e v i c e sa n da d j u s t m e n ti n s t i t u t i o n s a l lo r g a n i z a t i o n sa r ei n s t a l l e da tt h eb a s e ，t h e o v e r a l lu s eo fe q u i p m e n tf o rt h ep r o d u c t i o nl i n e i nt h ed e s i g no fm e c h a n i c a l s y s t e m st oc r e a t ean u m b e ro fs i m p l ea n dp r a c t i c a lt e c h n i q u eo rb o d y a d a p t i v e p r e s s u r e ，t h i c k n e s s s u i t c a s e f l o a t i n gb o d i e s ，s y n c h r o n o u sm o v e m e n t s ，w a t e r s e a l i n gt e c h n o l o g y , c l e v e rd e s i g na n dp r a c t i c a lw o r k t oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f s t h e d e v i c e a d a p t a b i l i t y h a s e x p a n d e d t h e s c o p e o ft e s t i n gt om e e tt h e r e q u i r e m e n t so ft h ed i f f e r e n ts p e c i f i c a t i o n so fs e a m l e s ss t e e lp i p ew a i lt h i c k n e s s t e s t i n g ，r e d u c et h es i z ea n ds t a t u so ft h ea c c u r a c yo fs e a m l e s ss t e e lt u b e s ，t h e d e s i g n , m a n u f a c t u r ea n do p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ec o s t sg r e a t l yr e d u c e d t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e st h eo t h e rm a j o rc o m p o n e n t sa n ds y s t e m st h e o r y i t sm a i nf u n c t i o ni st om a k et h ew a t e rc y c l es y s t e mf i l l l ye s c a p et h ea i r , al a r g e l o w p r e s s u r ef l o wo fi n f i u e n t ，p i c ku pu l t r a s o n i cs i g n a l st oe n s u r ea c c u r a c y ；j e t s y s t e mf r o ms p r a yc a n s ，p o s i t i o na d j u s t m e n t , e l e c t r i cp r e s s u r eo nt o pf o r m ， c o n t r o l l e d b yt h e p l c a u t o m a t i cm a n u a lm a y , t h em a i n p o i n t i st h e o v e r m a r k i n gp a i n t ；p l cc o n t r o ls y s t e ma st h ec o r ec o n t r o l ，p l c ，s e n s o r , v a r i o u s i n p u t o u t p u td r i v e rm o d u l e sa n dr e l a t e dc o m p o n e n t s ；m e a s u r i n gs y s t e ma n da c o m p u t e rn e t w o r k 嬲t h ec o r e f r o md a t aa c q u i s i t i o na n ds i g n a la n a l y s i sa n d p r o c e s s i n gs y s t e m ( s t a t i o n s ) ，d a t ac o m m u n i c a t i o n s ，s t a t i o n s ( a l s ok n o w na sp co r s e r v e r ) a n dt h ec o n t r o ls y s t e mc a np r o d u c e o v e r a l lc o n t r o la n dd i s p l a ys y s t e mt o u s eac o m p u t e r , s t a b l ea n dr e l i a b l e ，i n t u i t i v e ，a d v a n c e d i nt h es e n s o rd e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e dm e a s u r e m e n ts o f t w a r e ，ak e yt e c h n i c a lb r e a k t h r o u g hi na c l o s e df o r r n d e v e l o p e dt h ed e v i c em a n u f a c t u r e r s ，i n s t a l l a t i o n , d e b u g g i n g ，a n dt h e nf o r n o l o a dt e s ta n da c t u a lf i e l dt e s t t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts e l f - d e v e l o p m e n tt h e d e v i c eo ft h ee n t i r e l e n g t h o fs e a m l e s ss t e e l p i p e l i n e u l t r a s o n i ct h i c k n e s s m e a s u r i n gt e c h n o l o g yp e r f o r m a n c ea n dd e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h ea g r e e m e n t ， a c c e p t a n c e d e v e l o p m e n ti sas u c c e s s ，a n dc u s t o m e rs a t i s f a c t i o n t h ed e v i c e b e i n gd e v e l o p e da th o m ea n da b r o a dw e r en om a j o rt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s s i m i l a rt ot h er e l e v a n tl i t e r a t u r e ，n o v e l t y t h ed e v i c ei sam u i t i d i s c i p l i n a r y c o l l e c t i o ni n t oa ni n t e g r a t e dd e t e c t i o ns y s t e m ，s i m i l a rt e c h n o l o g ya th o m ea n d a b r o a d ，h i g hr e l i a b i l i t yw i t hl o wf a i l u r er a t e ，i nt h ed e v e l o p m e n t ，o p e r a t i o na n d m a i n t e n a n c ec o s t s ，w i t ht h eo b v i o u sa d v a n t a g e i na d d i t i o nt ot h ed e v i c e su s e di n t h ep i p e l i n em a n u f a c t u r e r s ，c a nb eu s e do f f - l i n ef o rt h ee n d - u s e r so fs t e e lt u b e p r o d u c t s ，a l s oab e t t e rv a l u e m e a n w h i l ec o m p a r e dw i t hf o r e i g ne q u i p m e n t , t h e i n s t a l l a t i o no fb o t hs e t so fp r i c e sa r eg o o do ra d a p t i v e c o m p e t i t i v ee d g e 。 6 t h e r e f o r ei nt h i sp a p e rt h ed e v e l o p m e n to f t h ee n t i r el e n g t ho fs e a m l e s ss t e e lp i p e s e c t i o nl i n eu l t r a s o m ct h i c k n e s sm e a s u r i n gd e v i c e sh a v eag o o dm a r k e tp r o s p e c t s k e yw o r d s ：s e a m l e s ss t e e lp i p e ，w a l lt h i c k n e s s ，n o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o n ， u l t r a s o n i cm e a s u r e m e n t 7 四川大学工程硕士专业学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得i 1 1 1 大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 研究生： 指导教师： 指导教师： 。奄蒜 ( 签名) 支矗监 ( 签名) 日期：6 年【o 月f 6e l 四川大学工程硕士专业学位论文 1 引言 1 1 课题来源 攀钢集团成都钢铁有限责任公司是国内无缝钢管的主要生产厂家，其产品规 格梯度大，产品终端用户复杂，主要涉及石油、电力、化工、冶金机械等行业， 这些行业对钢管出厂前的壁厚测量均有不同程度的要求。为满足钢管全长壁厚自 动测量的需要，该公司于2 0 0 3 年9 月与攀钢钢研院科技产业公司签订了无缝 钢管壁厚超声波检测装置研制协议，委托攀钢钢研院科技产业公司开发无缝钢 管超声波在线自动测厚装置。2 0 0 3 年9 月，攀钢钢研院科技产业公司成立了“钢 管测厚装置研制”课题组，并将该测厚装置机械部分委托攀枝花学院开发设计， 本人承担了机械部分的全部设计工作。该项目设计、制造、调试、合格验收历时 2 年时间，圆满完成。 1 2 研究主题、选题依据和选题的意义 1 2 1 研究主题 本文立足于市场需要与我国企业现状，着重论述了无缝钢管在线超声波自动 测厚装置的研制。该套装置的开发成功，填补了国内无缝钢管全长壁厚自动测厚 设备生产的空白。 1 2 2 选题依据 壁厚是无缝钢管极为重要的特征参数之一，同时也是钢管生产厂家首要控制 并给予用户保证的参数。国内外对无缝钢管的壁厚均有技术要求，如我国 g b t 1 7 3 9 5 1 9 8 8 无缝钢管尺寸、外型、重量及允许偏差、6 b t 8 1 6 2 1 9 9 9 结 构用无缝钢管。而欧美国家不但对无缝钢管壁厚提出了技术要求，而且还对检 测方法做出了规定，如美国石油协会制定的套管和油管规范a p is p e c5 c t 标准( 要求无缝钢管应在螺旋方向或纵向上进行全长壁厚电磁或超声检测检验， 而利用超声波检测钢管壁厚是目前普遍采用的好方法) 。一般来讲，在无缝钢管 出厂前均需进行壁厚测量，只是测量方法和测量要求不同而已。在我国主要以手 工局部测量为主，引进的局部壁厚测量设备也因诸多原因，而未能正常使用。 由于美国石油协会2 0 0 4 年4 月1 日颁布执行的套管和油管规范a p is p e c 四川大学工程硕士专业学位论文 5 c t 标准第7 版中规定了为确保符合壁厚要求，强制规定所有要求电磁或超声检 验的无缝管应在螺旋方向或纵向上进行全长全截面壁厚检测，因此，原局部测厚 装置生产厂家开始研制全长壁厚测量装置。如美国的d a p c o 公司和t u b o s c o p e 公 司，德国的n u k e m 公司。而且我国也有钢管生产厂家从国外引进了全长测厚设备， 但是，由于引进的设备未能与国内生产状况相结合，在生产过程中设备经常被钢 管撞坏，造成设备经常处于维修、停机状态，影响正常生产。 目前国外开发的全长全截面超声波测厚设备主要采用钢管直行与探头旋转 相结合的方法进行测厚，只有极少数采用钢管螺旋前进与探头静止相结合的方法 进行测厚。其优点是：仪器通道数量少，可以大大降低测量部件的成本。其缺点 是：对被检产品的端头弯曲度和端头椭圆度要求高，机械设计难度大，机械加工 精度要求高，信号拾取难度大，大大增加了机械部件的设计、制造成本和维护成 本。 鉴于国内无缝钢管测厚设备生产的空白，国内几家大型无缝钢管生产厂家已 开始从无缝钢管生产设备到检测设备全套引进，以满足我国无缝钢管的使用和发 展、与国际接轨的要求。一方面引进设备的缺点正是我国现阶段工业生产状况的 弱点，所以，我国引进的测厚设备，均不能满足正常生产的要求。另一方面，国 内的小型无缝钢管生产厂家的生产设备和生产大型无缝钢管的厂家的旧生产设 备面临被淘汰的危险，对企业和国家都是巨大的损失，同时要花费大量的外汇引 进设备。为此，随着国内无缝钢管的使用和发展，有必要自主开发满足国内生产 水平的全长壁厚自动测量装置。 1 2 3 选题的意义 美国石油学会在其制订的标准一套管和油管规范( a p is p e c5 c r ) 中对 钢管全长测厚做出了强制性规定，这一规定现已成为石油套管和输送管在国际市 场上的准入原则。国内锅炉压力容器行业及石油行业对无缝钢管也有全长全截面 壁厚测量的要求。为此，各国竞相开展了无缝钢管全长全截面测厚装置的研制， 国外虽有多家公司声称在其制造的超声波探伤设备上具备了壁厚测量功能，但实 际使用并不理想，而国内目前尚无此类设备的面市报道。自主开发与国内生产状 况相匹配的钢管全长全截面自动测厚装置既可满足用户需要与国际接轨，又可节 约大量的资金，同时自主开发的产品不但价廉，而且设备覆盖范围大、可靠性、 2 四川大学工程硕士专业学位论文 耐用性高，备品备件损耗量及维护工作量少，运行成本大幅度下降。该装置的研 究成功填补了国内无缝钢管测厚设备生产的空白，具有良好的市场前景。 1 3 研究思路、方法和论文的工作框架 本项目通过成果查新和市场调研对国内外无缝钢管壁厚进行全长全截面测 量的自动装置技术情况进行综合分析，针对国内钢管生产厂家的实际生产状况 ( 产品质量规格、生产节奏、生产装备、生产场地、人员素质等) 开发、研制， 满足用户要求，实用、新颖。 本文的工作的框架是：首先对目前国内外研究成果、文献资料以及国内钢管 生产厂家的实际生产状况、测厚情况进行综述、分析，然后提出与生产厂家生产 状况相适应的设计，经制造、安装、调试，然后进行空载试车和实际现场应用试 验。最后给出装置使用情况，并提出需要改进的问题和市场预测。本文着重论 述该装置研制中机械系统的设计问题。论文还简单介绍了其它系统的主要 组成和工作原理，包括水循环系统、喷标系统、控制系统、测量系统和系 统软件等五个部分 四川大学工程硕士专业学位论文 2国内外研究动态及用户生产状况 2 1国内外研究动态 用于钢管质量检验的超声检测主要包括以检出缺陷为目的的超声探伤和以 测量有关尺寸为目的的超声测量。前者的应用较为为广泛，而后者的应用则很少， 且一般以手工测量为主。对于无缝钢管来说，常用的便携式超声波测厚仪只能用 来对其壁厚进行离线式接触法局部抽检，不适宜于大批量钢管壁厚的自动测量 “一。因此要适应现代化大生产的需要，满足用户对钢管壁厚的要求，采用现代先 进的自动检测技术对无缝钢管的壁厚进行全长全截面全自动在线测量，就成为无 缝钢管厂家的当务之急”，。 从检索到的国内外文献看，国内目前对无缝钢管超声波在线自动壁厚检测， 特别是大型的在线自动成套系统鲜有文献报道。在这方面国外已有一些研究，如 日本钢管株式会社在生产线上测定钢管壁厚的过程中，采用旋转式磁力超声波壁 厚测定仪，可沿钢管的整个外周边在圆周方向上测定钢管的壁厚，由此将来自壁 厚测定仪的多个各自含有设定在钢管纵向上的小段的检验段测定数据仪号加以 归纳，然后根据预定标准对得出的测定数据组进行合格不合格判断，从而可控 制诸如各产品的壁厚、壁厚偏差率和平均内径等质量峨”( e p 0 4 4 4 8 0 0 、c n l 0 5 4 4 8 2 ) ： 日本s u m i t o m om e t a li n d 和h i t a c h il t d 也采用电磁超声方法检测无缝钢管壁 厚”8 1 ( j p 6 1 0 0 7 0 1 0 、j p 6 0 1 7 7 9 0 7 ) ：德国s m s 米尔股份有限公司发明了采用激光 一超声方法在管材轧机中测量管壁厚的装置。川( c n l 4 7 3 6 6 8 、c n l 4 9 6 7 6 6 ) ：德国 m a n n e s m a n nf o r s c b u n g s i n s t “u t 公司采用l a s e ru t 在管材轧机中测量管壁厚“” ( m a 2 0 0 2 0 8 2 2 0 8 8 3 ) 。国内衡阳钢管厂以脉冲反射式超声测量法为基础，研究了 无缝钢管在线超声波自动测径测厚的原理、方法和应用技术。其采用探头高速旋 转的水浸法超声测量技术，可对钢管逐支进行百分之百的快速自动测径测厚，测 量的速度根据实际需要可通过调整探头的旋转速度和探头对数量来实现“2 ”1 ：合 肥工业大学用动态超声测厚技术检测钢管各处较大的缺陷和钢管壁厚。其超声测 厚技术为当管道高速穿过动态超声测厚装置时，超声探头通过水耦合器形成的喷 淋水柱以1 m s 的线速度绕管道旋转检测，每毫米检测一点，回波处理成厚度脉 冲，线性展宽后经滑环由触头拾取送微机检测，以图形和数字显示壁厚“”：东南 大学研究了一种新型动态检测钢管壁厚系统，介绍了动态检测管材壁厚的火花一 4 四川大学工程硕士专业学位论文 超声法的工作原理和特点“”。 从无缝钢管生产厂家实地调研看，目前，国内尚未见此类自主开发的大型在 线自动测厚设备面市。国外则有多家公司在其制造的超声波探伤机组中设计了测 厚功能。如美国d a p c o 公司r t s 一3 0 0 钢管超声波探伤机组，德国n u k e m 公司u t x x 钢管超声波探伤机组，但据现场调研，实际使用情况并不理想。 在测厚工艺上，进口设备大多采用钢管直行、探头绕钢管旋转的螺旋线覆盖 方式，或采用钢管螺旋前进、探头静止不动的覆盖方式。如美国t u b o s c o p e 公司 研制的钢管自动测厚装置其探头以每分钟3 0 0 转的速度绕钢管旋转，钢管则直线 前行“”。德国n o k e m 公司的探头旋转速度则达到了每分钟2 5 0 0 转。采用这种方 式的优点是仪器通道数少，工业计算机用量小，设备测量部份成本低“7 ”1 。其缺 点是：机械设计难度大，机械加工精度要求高，信号拾取技术复杂，机械加工成 本高。而我国钢管生产厂家的生产节奏较快，产品规格多、尺寸范围大，为做到 在线检测，测厚装置工作节奏必须与生产节奏相匹配，故探头要求高速旋转，或 钢管高速旋转，加之我国大型热轧无缝钢管尺寸精度和表面质量较差，在生产实 际应用中常出现因机械运行不稳定导致测厚精度无法保证，甚至于根本无法正常 工作的要现象。美国d a p c o 公司则采用钢管螺旋前行、探头静止不动的方式“。“， 该方式因钢管旋转，前行速度受到限制，造成检测速度难以满足在线检测要求。 德国n u k e m 公司采用探头旋转、钢管直行的方式，由于动平衡的问题，只是应用 于小规格的高精密管( 中6 0 黝) ，且信号拾取技术是他们的专利o “。 2 2 用户生产状况 攀钢集团成都钢铁有限责任公司是国内无缝钢管的主要生产厂家，其产品规 格梯度较大( 管径范围为1 1 4 n m n 至4 0 6 r a m 外径的钢管，测量钢管壁厚范围：5 m 至2 5 r a m ) ，表面质量、尺寸精度与平直度较差，生产节奏较快，产品终端用户复 杂，主要涉及石油、电力、化工、冶金机械等行业，要求全长全截面在线自动测 厚。面对如此用户生产状况和测厚要求，显然采用探头旋转或钢管旋转方案均难 以实现，必须自主开发一套简单、实用、可靠、符合国情的在线测厚装置。 四川大学工程硕士专业学位论文 3 技术要求与技术难点 3 1 技术要求 根据美国石油学会套管和油管规范( a p is p e c5 0 r ) 对无缝钢管的测厚 要求，参照国外相似设备的技术指标，用户结合现场条件，提出了该套装置的技 术指标： 检测方式：超声波测厚 覆盖率：l o o ； 适用范围：oi 1 4 - 0 4 0 6 衄 检测盲区：4 0 0 姗； 检测速度：i m s ： 测量精度：0 1 5 m m ； 适用厚度：5 - 2 5 r m ； 耦合方式：水浸 同时，为对设备指标进行考核，规定了验收方法和要求如下： 使用中1 1 4 x 1 0 、m 2 4 5 x 2 0 、巾4 0 6 x l o m 三个规格无缺陷钢管，于一端 加工深度为1 0 钢管鐾厚，宽度为2 5 m 的人工环向槽，作为验收样管； 上述样管以i m s 速度5 0 次通过检测线时，不允许漏报，允许误报一次。 3 2 工艺技术参数 l 、钢管规格： 0 1 1 4 ；中1 2 1 ：0 1 2 7 ；0 1 3 3 ：m 1 4 0 ；0 1 4 6 ；0 1 5 2 ；中 1 5 9 ；o1 6 8 ；m1 8 0 ：中1 9 4 ；0 2 0 3 ：中2 1 9 ；中2 4 5 ；0 2 7 3 ；m 2 9 9 ：m 3 2 5 ； 中3 5 l ： 0 3 7 7 ；0 4 0 6 r n m 。 2 、钢管平直度：管体弯曲度：2 o 岫，管端弯曲度：4 o m m ，每一 管端长度：1 5 m 。 3 、钢管长度：最小管长：5 m ；最大管长：1 6 m 。 4 、钢管壁厚6 ：5 o m m , - , 2 5 o m 。 5 、钢管管端类型：平头管，平切。 6 、钢管表面质量：热轧管。 7 、钢管材质：炭钢、合金钢、不锈钢。 6 四川大学工程硕士专业学位论文 8 、有效探测信号直径：中2 5 棚。 9 、水源：自来水。 3 3 技术难点 1 、测厚工艺方式 由于是在线检测，所以要求测厚装置的工作节奏要与生产节奏相匹配，检测 时钢管运行速度要求达到l m s 1 5 m s 。中1 1 4 m m 中4 0 6 m 的钢管全长、全覆 盖检测，若采用现国际上常用的探头( 晶片直径0 2 5 m ) 旋转、钢管直行的方式， 探头旋转速度为2 4 0 0 r 3 0 0 0 r m i n ；如此高的转速将给机械设计与制造带来很大 的困难；若采用钢管螺旋前行、探头不动的方式，钢管的转速将受到限制，满足 不了生产的需要。所以必须开发适合国情的新的测厚工艺方式。 2 、钢管误差 钢管平直度误差较大，实测值最大达到了8 m i n m 。检测时必须保证钢管与探 头不能相撞并顺利通过机组。 3 、水层厚度与厚度变化对测厚值准确性的影响 超声波测厚耦合剂为水，由于钢管弯曲或跳动水层厚度将发生变化；另外由 于被检钢管规格最小为中11 4 m m ，最大达d p4 0 6 r a m ，两者声程差为1 4 6 m ，能否保 证测厚精度是研究难点。 4 、水处理 水中气泡的产生和聚集、气泡粘附传感器表面都将影响回波质量，造成误报 或漏报。 5 、水密封 测厚时钢管与测厚