（光学工程专业论文）石油钻杆接头超声波检测方法研究.pdf

t i童堑厶堂亟堂垃硷塞 生塞施 墨 中文摘要 摘要：石油钻杆接头是石油开采中重要的专用部件之一。为保证在井下的安 全使用，接头不允许有超过标准的缺陷存在。因此，对石油钻杆接头进行缺陷检 测已成为其生产中不可缺少的环节。超声检测是应用于钻杆接头缺陷检测的主要 方法之一。 由于钻杆接头的形状复杂、规格较多：同时从使用安全性考虑，又必须对横 向和纵向缺陷进行1 0 0 探伤，因此，对钻杆接头进行超声检测具有定的难度。 在实际生产中，大都采用手工探伤方式进行检测；而手工探伤存在生产效率低、 探伤质量难以保证等问题。所以，本课题研发了适用于实际生产的钻杆接头超声 自动检测系统，它对保证钻杆接头的安全使用具有重要意义。 本论文主要分四部分讨论了对石油钻杆接头超声波检测方法的研究。 第一部分首先阐述了超声波管材探伤的一般方法，然后结合石油钻杆接头的 特殊性，逐步提出解决其探伤问题的特殊方法。 第二部分首先介绍了超声波检测系统的组成和探伤数据的显示方式，并对数 字图像处理的常用方法进行了简要的介绍；然后对实际探伤数据，根据本系统探 伤的特点，提出了有效的图像处理和缺陷提取方法。 第三部分简要介绍了本探伤系统的应用，对系统实现自动探伤的整体流程作 了概括性说明。 第四部分对装置的整体效果作了客观的评价，并对其未来的应用领域和改进 措施进行了讨论。 论文从实际的工程项目出发，逐一解决了接头检测存在的难点，最终实现了 钻杆接头的自动、高效检测。 图3 5 幅，表1 个，参考文献2 5 篇。 关键词：石油钻杆接头：探头组；探头架；图像处理；b 扫描：a 扫描 分类号： e 塞窑煎厶翌亟生位边塞旦墨! 基! a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h eo i ld r i l lt u b ej o i n ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fo i le x p l o i t a t i o n t oa s s u r eb e i n gu s e ds a f e l yu n d e rt h ew e l l ，i td o e sn o ta l l o we x i s t i n gm a c r o s c o p i c a lf l a w s t h a te x c e e dt h es t a n d a r d s oi ti si n d i s p e n s a b l ei nt h ep r o d u c et a c h et od ot h ef l a wd e t e c t i o n u s i n gu l t r a s o n i ct od ot h ed e t e c t i o ni so n eo ft h em a i nm e t h o d s c o n s i d e r i n gt h ep a r t i c u l a r i t yo ft h e i rf o r m sa n dt h er e q u i r e m e n to fs e c u r i t y , t h e y c u s t o m a r i l yn e e da1 0 0 d e t e c t i o na n daf u l lc o v e r i n go ft h ew o r k p i e c e ，s oi t i sh a r dt o d e t e c t p r a c t i c a l l yi nt h er e a lm a n u f a c t u r ep r o c e d u r e ，m a n u a ld e t e c t i o ni sb e i n gu s e dw i t ha l o ww o r k i n ge f f i c i e n c ya n dt e s t i n gp r e c i s i o n i no u rr e s e a r c h ，w ei n v e n tan e wa u t o m a t i c s y s t e md e t e c t i n gt h eo i ld r i l lt u b ej o i n sb yu l t r a s o n i c ，i th a sg r e a t l yi m p r o v e dt h ee f f i c i e n c y a n dh a sp r o v e di t se f f e c t i v e n e s s t h i st h e s i si sd i v i d e di n t of o u rp a r t st od i s c u s so u rr e s e a r c h f i r s t l y , e x p a t i a t i n gt h eg e n e r a l l y m e t h o do ft u b ed e t e c t i o n b yu l t r a s o n i c ，a n dt h e n a c c o r d i n gt ot h ep a r t i c u l a r i t yo ft h eo i ld r i l lt u b cj o i n s ，w eg i v eo u td i f f e r e n tm e t h o d st o s o l v et h ep r o b l e m s s e c o n d l y , w ei n t r o d u c et h ed i f f e r e n tp a r t so ft h es y s t e ma n dt h ed i s p l a ym o d e so ft h ed a t a ， t h e ng i v eas i m p l er e c o m m e n d a t i o no ft h ec o m m o nm e t h o d so fd i 舀t a ii m a g ep r o c e s s i n g a f t e rt h a t w ed ot h ea s c a na n dbs c a nw i t ht h ed a t ag o tf r o mp a r to n e t h i r d l y , f r o mt h eu s e r sp o i n to fv i e w , w em a k eai n t r o d u c t i o no ft h es y s t e ma n di t sw h o l e f l o w a tt h el a s tp a r t ，1 1 1 ee f f e c te v a l u a t i o no ft h ed e v i c ei sm a d e a l s o ，t h ea p p l i c a t i o nf i e l di n t h ef u t u r ea n dt h ei m p r o v e m e n tw a yo ft h ed e v i c ea r ee s t i m a t e d b a s e do nt h ea p p l i e dp r o j e c t ，p r o b l e m so ft h eo i ld r i l lt u b ej o i n td e t e c t i o na r es o l v e ds t e p b ys t e p f i n a l l y , a u t o m a t i ca n de f f e c t i v ej o i n tm e a s u r e m e n tm e t h o di sr e a l i z e d k e y w o r d s ：t h ed r i l lt u b ej o i n t ；p r o b e s ；p r o b ef r a m e ；i m a g ep r o c e s s i n g ；bs c a n ；a s c a n ； c l a s s n 0 ： 致谢 本论文的工作是在我的导师滕永平副教授的悉心指导下完成的，滕永平副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三 年来滕老师对我的关心和指导。 赵中龄老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向赵老师表示衷心的谢意。 王立新同学对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，吴迪、陈宁宁等同学对我论文中的基础研究 和编程工作都给予了热情的帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母和亲友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 1 1 超声波检测技术概要 1 绪论 无损检测技术( 1 1 ( n d t ) ，又称非破坏检查技术，它是以不损伤被检测物体为 前提，利用材料的物理性质因有缺陷而发生变化这一事实，通过一定的检测手段 来检测或测量、显示和评估相应的变化，从而了解和评价材料、产品、设备构件 直至生物等的性质、状态或内部结构等等。 超声波检测技术1 2 1 是无损检测技术的一种，它利用超声波来研究物体内部的结 构和缺陷，最早由苏联的萨哈诺夫于1 9 2 9 年提出来，经过几十年的发展，如今已 经比较成熟。 我国从五十年代开始引进超声探伤技术对金属材料及其制品进行探伤。现在， 该技术已在各个工业部门得到了普遍应用，并产生了大批的专业技术人员，进行 了大量的研究开发工作，在某些方面已具有较高的水平。我国已经制定了各种探 伤标准，促进了探伤工业的逐步规范化【3 】。 本论文讨论超声波无损检测技术在钢管检测中的应用。 1 2 超声波检测技术原理及其常用方法 超声无损检测【4 】是以超声波作为采集信息的手段，在不损坏被测对象的情况下 探测其内部缺陷的方法。由于超声波独特的物理特性( 穿透力强、集束性好、信 息携带量大等) ，使其易于实现快速准确的在线无损检测和无损诊断，因而在工业、 农业、国防、生物医药和科学研究等方面得到了广泛的应用。 从探伤原理上说，超声波探伤方法主要可分为两大类【5 j = 穿透法、脉冲反射法， 其原理图如图1 所示。 4 一 目 l 一发射探头；2 一接收探头；3 - - 发射一接收探头 图1 ( a ) 穿透法探伤图“b ) 脉冲反射法探伤 透射法探伤由两组探头组成，一组探头专门向工件内发射超声束，另组探 头专门接受透过工件的声信号，由接收到声信号的强弱来判断工件内部缺陷的有 无及大小。这种方法不存在盲区，且声程衰减小，适用于高衰减材料，但因其探 测灵敏度低且无法对缺陷进行定位，因此实际探伤中使用的较少。 脉冲反射法探伤是利用脉冲波入射到异质界面上的反射效应进行探伤的方 法。它采用一个兼发兼收的超声探头，检出缺陷反射声压信号，并将其显示在荧 光屏上。相对于穿透法而言，脉冲反射法探测灵敏度高，缺陷定位准确，且探伤 操作方式灵活，因此是目前世界各国广泛使用的超声探伤方法。 此外，还有结合以上两种探伤方法优点的双晶探头脉冲反射法，目前也具有 广泛的应用1 6 j 。 本论文利用脉冲反射法，研究了超声波对石油钻杆接头的检测方法。 1 3 石油钻杆接头超声波检测的重要意义 石油钻杆接头作为公母螺栓是连接石油钻杆管体的关键部件由于钻杆一般 在几百、几千米的地下、极为复杂的地质条件下钻井，承受了拉、压、扭、冲、 剪等各种作用力，甚至还将承受瞬间的突变载荷作为管体与管体之间的连接件， 在打井的过程中承受了比管体更加恶劣的工况条件、更复杂的应力，其质量的优 劣直接关系到石油钻探的成败因此，钻杆接头的质量优劣关系重大，出厂前必 须对其进行全面的无损检测。 钻杆接头用钢主要分油淬钢种和水淬钢种，国内各大油田现主要使用油淬调 质3 6 c r n i m 0 4 ，国外通常使用水淬调质钢。 考虑到钻杆接头的材质及检测要求，以及超声波无损检测的主要特点( 易于 实现快速准确的在线无损检测和无损诊断) ，本课题我们使用超声波对石油钻杆接 头进行在线检测。 1 4 本论文的主要工作 本论文以实际工业项目为背景，以实现石油钻杆接头的自动、全面超声波探 伤为目标，主要进行了以下四大部分的论述： 第一部分首先阐述了超声波管材探伤的一般方法，然后结合石油钻杆接头的 特殊性，逐步提出解决其探伤问题的特殊方法，以实现接头的1 0 0 探伤。 第二部分首先介绍了超声波检测系统的组成和探伤数据的显示方式，并对数 字图像处理的常用方法进行了简要的介绍，然后对第一部分得到的探伤数据进行 2 了a 扫描和b 扫描图像显示、滤波和缺陷提取等操作。 第三部分从用户的角度简要介绍了本探伤系统的应用，对系统实现自动探伤 的整体流程作了概括性说明。 第四部分对装置的整体效果作了客观的评价，并对其未来的应用领域和改进 措施进行了估计。 2 探伤方法研究 管材中常见的缺陷有裂纹、夹层、夹杂、折叠和翘皮等阴，如图2 所示。由于 工业上要求进行探伤的管材主要是工作在高温、高压条件下或有其它特殊用途， 因此必须进行绝对严格的安全测试，且必须满足一定的测试精度。 超声无损检测是以超声波作为采集信息的手段，在不损坏被测对象的情况下 探测其内部缺陷的方法。由于超声波独特的物理特性( 穿透力强、集束性好、信 息携带量大等) ，使其易于实现快速准确的在线无损检测和无损诊断，因而在工业、 农业、国防、生物医药和科学研究等方面得到了广泛的应用罔。本论文即使研究超 声波对石油钻杆接头的检测方法。 i 夹 图2 管材中常见缺陷 2 1 一般管材超声波探伤的条件分析和常用方法 2 1 1管材探伤条件分析 由于管材在热轧或冷拔过程中沿轴线方向的压延伸长，其受力和变形主要在 厚度方向上，从而造成缺陷方向大多数与管材轴线平行( 轴向缺陷) 。因此在管材探 伤中，本着声束轴线与缺陷反射面垂直的原则，一般采用垂直于管轴的空间斜入 射的横波探伤法【9 l ，如图3 所示。 图3 平行于管轴的径向缺陷的探测方向 对于小径管的探伤，为了解决耦合闯题，一般采用水浸法；对于大径管的探 伤，耦合和补偿问题比较容易解决，可以采用直接接触法探伤。 超声波管材轴向缺陷的探伤是有条件的【1 0 1 ，其入射角的确定原则是既能在钢 管中产生纯横波，又能探测到管内外壁缺陷。如图4 所示管材探伤中，为了使折 射纵波不进入管内，则需要声束入射角01 大于第一临界角，既 ，n 抚s i n 4 兰( 1 ) 式中，c 1 1 入射纵波在第一介质中的声速； c 1 2 折射纵波在钢管中的声速。 l l 图4 管材探伤入射角范围 同时，为了检测管内壁的缺陷，折射横波必须投射到管内壁上，因此，折射 横波的折射角必须满足： 卢ss i n 4 云 ( 2 ) 即入射角必须满足： 5 岛g 式中，c 1 1 - - 入射纵波在第一介质中的声速； c 1 2 - 折射纵波在钢管中的声速。 c t 折射横波在钢管中的声速。 综上，要用单一横波进行管材探伤且可同时探得内外壁缺陷， 范围必须满足式下式： s i n - t o c t 2 l p s i l l 一1 ( 一c l lj7ctr0 2 、7 ( 3 ) 其入射角取值 ( 4 ) 据此，可进一步推得单横波管材探伤的条件为( t 为管材壁厚，d 为管材外径) ： 古 0 2 2 6 时，无法使用单一横波探测轴向缺 陷。因此，在本课题中必须考虑其它方法。 1 常规方法 现成的厚管壁( t d 0 2 2 6 ) 探伤方法中有两种用得比较普遍，一种是国标建议 使用的探伤方法，如下图8 所示，即使用折射纵波检测管外壁缺陷，折射横波检 测管内壁缺陷，且调整入射角，使折射纵波检测外壁的同时不透射到管内壁。经 计算，满足以上条件的入射角0 的取值探测范围为( r 、r 分别表示内外壁半径) ： s i n q c t a * r 口蚓n i 罂二) o 钢r、c s 钢r ( 6 ) 式中，c l 水水中纵波速度； c l 钢钢中纵波速度； c s 钢钥中横波速度。 乍笨 心乡 图8 厚管肇轴向缺i ；f ；检测 另外一种厚管壁探伤的方法( 纵波纵波一横波法) 如图9 所示。 9 其中，周左探头使用横波探测外部缺陷，并调整入射角使其不打到内壁上， 入射角仃取值范围为： m 1 p z 叫 周右探头使用横波探测内部缺陷，入射角a 取值范围为： a 稍试4 眇z 叫 其中，d m a x 、d m i n 分别表示厚度直径比厂】) 的最大值和最小值。实际探伤 中，为了保证探测效果，所取角度往往在5 0 度范围内变化。此时，折射产生的纵 波会同时达到内外管壁上，影响观测效果。实际探伤中，可根据横波声程设定闸 门位置，只对闸门内的伤波进行记录，以消除纵波影响，实验证明此法可行，且 检测灵敏度较高。 2 2 2 3 探伤区的覆盖问题 ( 1 ) 轴向覆盖 轴向覆盖需要考虑覆盖范围及周向缺陷取向两个问题。采用图1 1 所示探测方 法。两组探头晶片相背放置，由于探测范围不同，各组探头取不同的角度，每组 探头又分别包括6 个相同的探头，以保证完全覆盖。通过探头在工件上的水平运 动达到轴向区域的覆盖，并且因为晶片方向相对，可同时检测到取向相反的周向 缺陷。 辅后曹 - _ - _ _ - 图1 1 轴向覆盖区 ( 2 ) 周向覆盖 使用两组晶片角度不同的探头分别检测内外壁轴向缺陷( 每组同样包含6 个相 同的探头) ，并通过管壁的旋转达到周向区域的完全覆盖及轴向缺陷的检测( 如图 1 2 ) ，角度的选取原则在2 2 2 2 节中已经讨论过。 嗣左罔右 图1 2 周向缺陷覆盖 丝丞窑通厶至塑至堂位堡塞堡毯左选堑盔 ( 3 ) 斜面部分覆盖 斜面探伤同样须考虑沿斜面轴向及周向缺陷的探测。由接头图示可见，斜面 探伤分为内部斜面探伤和外部斜面探伤。它们有一个共同的特点，即探测体总是 斜面与水平面的组合，探伤方法如图1 3 ( a x b ) 所示。 a ，( b ) 图1 3 斜面覆盖 对于图1 3 ( a ) 所示情况区域，用满足轴向覆盖的探头( 2 2 2 3 ( 1 ) ) 1 1 pn - i 覆盖，并 且因为采用了准确定位超声成像法( 工件形状已知) ，可对内部缺陷进行精确定位。 对于图1 3 ( b ) 所示情况，拟采用在斜面上倾斜放置斜探头的方法解决。放置方 法在2 3 节中讨论。具体角度依斜面倾斜角度而定，又因为其晶片相背放置，所以 可以检测到不同取向的周向缺陷。 对于难以察觉的浅层缺陷，采用爬坡探头进行探测。 通过以上的讨论，可以看到上述各组探头的组合可以保证工件的完全覆盖， 并对不同取向的缺陷均有效。 ( 4 ) 其他问题 对于斜面上探头的安装及接头型号多样性问题，将在2 3 节中详细讨论。 2 2 3探头的制作 2 2 ，3 1 超声换能器简介【1 2 1 超声波探伤中，超声波的产生和接受过程是一种能量转换过程，这种转换是 通过探头实现的，探头的作用就是将电能转换为超声能( 产生超声波) 和将超声 能转换为电能( 接受超声波) 。 将能量从一种形式转换为另一种形式的器件称为换能器。探头是一种电声能 量转换器件。因此，探头也称为超声换能器或电声换能器。 超声波探伤是通过探头产生和接受超声波，探头的核心元件是薄片状压电晶 体，通常称为压电晶片。探伤仪发射电路产生的高频电脉冲加于探头时，激励压 电晶片发生高频震动，产生超声波。相反，当超声波传至探头而使晶片发生高频 震动时，晶片便产生高频电震动，送至探伤仪放大电路，经放大和检波，在示波 | e 巫窑迪厶鲎亟堂缱迨塞堡纽左鎏班塞 管上显示波形。这就是超声波的产生和接收过程。可以看出，探头是利用压电晶 片的逆压电效应产生超声波，同时利用压电品片的j 下压电效应接收超声波的。 2 2 3 2 常用超声换能器的基本结构 图1 4 为一般探头的基本结构，主要由阻尼块1 、晶片2 和保护膜3 组成。此 外，还有壳体、与仪器连接的同轴高频电缆的插接件等。 卜阻尼块；2 一晶片；3 一保护膜 图1 4 超卢探头的基本结构 下面我们就其组成和结构介绍几种常用的探头：直探头、斜探头和爬波探头， 并简要介绍其制作过程。 1 直探头 直探头的结构如图1 5 所示。它可以发射和接收纵波。其中，压电晶片是探头 的核心元件，用来发射和接收超声波。保护膜用来保护晶片不受到直接磨损，它 必须具备耐磨性能好，强度高、材料声衰减小、透声性能好等特点。在液浸法探 伤时，保护膜材料的声阻抗z 应与晶片材料的声阻抗z l 和工件的声阻抗z 2 相匹 配，其最佳关系是z - 毛毛。这是，保护膜的厚度为四分之一波长，这时能获得 声能的最佳辐射。 2 3 t 5 插头；2 一引线：3 一阻尼块；4 一晶片：5 一保护膜 图1 5 直探头结构 加在晶片上的电脉冲，使晶片产生阻尼振荡。震动频率主要取决于晶片厚度 ( 半波长) 。阻尼程度与晶片的机械品质因数q 。有关，也与阻尼块的声阻抗有关。 阻尼块除影响脉冲超声波的脉冲宽度以外，还能抑制晶片的径向震动。 1 3 些盛童堑厶翌亟堂垃诠塞鲞鱼应垄鲤殛 2 斜探头 利用透声块使声束倾斜与工件表面射入工件的探头成为斜探头，其基本结构 如图1 6 所示。其中，阻尼块和晶片的材料和功能，与直探头相同，但晶片形状一 般是矩形，对透声块的基本要求是声波在透声块中传播时不能返回晶片，即由透 声块反射回来的声波只能由阻尼块吸收，以免出现杂波干扰。 i23 4s 卜吸声材料；2 一斜锲；3 一压电晶片；4 一阻尼块：5 一引线；6 一插头 图1 6 斜探头结构 3 爬波探头 爬波是一种以纵波临界角入射时所产生的波式。爬波探头是斜探头的特例， 其结构如图1 7 所示。当斜探头入射角接近第一临界角时，有波形转换得到沿工件 传播的爬波，这种斜探头称为爬波探头。爬波探头其实就是高角度纵波探头，它 们的的结构相同，只是透声块入射角不同。 卜晶片；2 一透声块：3 一阻尼块 图1 7 爬波探头结构 2 2 3 3 超声换能器的参数选择1 1 3 l 1 探头角度的选择 探头入射角的选取原则是使声束能够完全覆盖探伤区，尽量减少盲区的范围， 同时满足检测波形的要求( 如纵波探伤或单一横波探伤等等) 。在2 2 2 2 节中，我 们已经讨论了适合石油钻杆接头探伤方法的角度选择范围，综合各种因素，项目 中各探头的角度选择见下表。 1 4 e 盛銮堑厶堂亟：! ：堂位逾塞握纽友选丛壅 探头组探头数探头角度探头架上位置 用处 轴向前 65 6 4b 扫查架中正向排列测量周向伤 轴向后6 6 5 。b 扫查架中反向排列测量周向伤 周向左 64 5 。b 扫查架左正向排列测量轴向伤 周向右6 4 5 。b 扫查架右正向排列测量轴向伤 斜前左 1斜探头a 扫查架3 5 。左测量斜面 斜| j 右 1斜探头a 扫查架3 5 。右测量斜面 斜莳中 1 收发探头a 扫查架3 5 。中测量斜面 斜后左 1斜探头a 扫查架1 0 。左测量斜面 斜后右 1斜探头a 扫查架1 0 。右测量斜面 斜后中 1爬波探头a 扫查架1 0 。中测量斜面 表1 本课题采用的探头角度 其中，斜前各探头和斜后各探头是为适应不同工件的斜面角度而准备的，探 伤时使用其中一组。各探头的排列方式在下节中详细讲解。 2 晶片尺寸的确定 晶片的尺寸影响到产生的超声波声场的指向性。对圆形晶片来说，声场的指 向角由下式确定： 1 s i n o o 。t 1 0 姜 ( 9 ) 式中，t 1 0 = 1 2 2 ，d 为晶片直径。而尺寸相同的矩形晶片的指向性要好于圆形晶片。 由式( 9 ) 可以看出，晶片尺寸越大，声束的扩散角越小，声场指向性越好，对检 测有利，所以在探伤中要尽量选择较大的晶片尺寸，但根据实际情况，晶片尺寸 也不宜过大。在本次实验中，采用了1 2 1 2 的矩形晶片。 3 晶片频率的选择 超声波检测频率在( o 5 1 0 ) m h z 之制，选择范围比较大，频率高，灵敏度 和分辨力高，指向性好，对检测有利。但高频率也使近场区长度大，衰减大，又 对检测不利。 国标规定的管材探伤的工作频率通常选用2 5 - 1 0 m h z 。根据探伤灵敏度的需 要，本课题所选用晶片的频率为2 5 m h z 。 4 探头的匹配 对于初步加工完毕的探头，可以通过匹配电感进一步调整超声波的脉宽、振 荡次数和灵敏度。匹配时主要在两电极引线日j 并联一个与压电晶片静电容相匹配 的电感。实验证明，匹配后探头的振荡次数减少，波形较为整齐，而且脉冲短， 且其频谱较宽而且均匀，有利于探伤。 匙立窑适厶堂亟堂位迨童堡鱼应选蛆盔 2 3 探头组合和扫查方式 2 3 1探头架排列方式 整个探伤装置同时用两组探头架( a 、b ) 安置所有共3 0 个探头，探头架组合方 式如下图1 8 所示 斜前，后 工 前后右 探头架a探头架b 图1 8 探头架 、b 排列方式 探头架a 中，为了保证完全覆盖，轴前、轴后、周左、周右各探头组分别装 有6 个探头。即a 探头架上共安装有2 4 个探头。探伤时，a 架沿工件轴向水平扫 查，根据工件型号进行上下调整。 探头架b 中，相对探头架有l i i f 后两组探头，前组探头相对探头架角度为3 5 。， 包括斜前左、斜前中、斜前右三个探头；后组探头角度为1 0 。，包括斜后左、斜 后中、斜后右三个探头，各探头分别测量不同取向的缺陷。探伤时，根据工件型 号选择使用前或后组探头。同时，b 架在斜面部分可上下移动，且每个探头又可根 据斜面角度调整入射角。 2 3 2 探头架扫查方式 下图是探头架的扫描方式示意图，其中水平箭头指示的是探头架a 的工作范 围，工作时探头架a 由顶部下降至指定位置，然后沿水平方向扫查工件；探头架 b 直接由顶部下降至指定位置，探伤过程中其不再运动，只待探伤完毕后升起探头 架a 、b 。 1 6 拉塞銮逼塞堂亟堂焦逾塞遂笾直迭班窟 襻 图1 9 探头架扫描方式 探测点位置是由数模控制的：首先根据用户输入的接头形状数据在客户机( 这 里是p c 机) 界面上建立起接头模型图( 即数模图) ，并由软件计算出数模图上的若干 个探测位置( 工位) ，如下图2 0 所示，然后通过控制电机来带动支架按工位顺序运 动，使这些工位点最终转化为实际工件上的各个探伤点，达到全面探伤的目的。 由此可见，通过建立数模，各种型号的接头均可被检测，通过按工位探伤，可对 每个工件都进行1 0 0 扫描。 2 4 探伤过程 图2 0 数模及工位示意图 图2 1 是整个探伤过程的总体流程图。其中，探头就位( 移探头架到工件上特定 位置) 、探伤开始后探头架的移动和复位( 探头架抬离工件) 过程都是由p c 机控制数 控机床，以带动机械部分完成的，可以说，探伤过程就是p c 机一数控机床探头 架的控制过程。 探伤时，首先由使用者在p c 机控制界面上输入待探工件的型号、尺寸数据， 计算机将自动完成该工件的数模建立和工位计算，所得工件数据及工位点用于控 制与之相连的步进电机的运动。步进电机带动设备的机械部分按要求移动依次完 成工件就位、探头就位、探伤、探头复位、取出工件等操作，探伤结束。 1 7 j i 塞銮蕴太堂硒土堂焦途室捱氆友洼班殛 图2 1 探伤过程流程图 整个探伤过程完全自动完成，且工件型号数据只需由使用者输入一次，以后 可自动调出使用，设备实现了全自动化，具有重要的应用价值。另外，如果需要 探测普通管材缺陷，只需在使用时控制探头架b 不放下，并输入该钢管的型号数 据即可，因此，该设备还具有通用性，可适于各种管材探伤。 2 5 小结 本章主要介绍了钻杆接头的超声波探伤方法。首先，我们介绍了超声波管材 探伤的条件和常用方法，然后在此基础上进一步讨论了特殊管材石油钻杆接 头的探伤方法。介绍这一部分时，我们首先给出了钻杆接头的实际剖面图，直观 地提出对其进行超声探伤的特殊性，即厚管壁、形状复杂、型号繁多。然后，针 对这几点特殊性，逐步提出解决办法，完成管材探伤的探头设计；最后，讨论了 以上探头的组合方式和探头架的扫查方式，实际探伤时由机械传动部分带动探头 架沿规定路线扫描，即完成了探伤装置的硬件设计部分。 1 8 3 数字图像处理程序的设计 3 1 检测系统组成及探伤数据显示 第二章已经详细论述了石油钻杆接头的探伤方法和扫查过程，本节主要介绍 其检测系统的组成和数据显示方式。 3 1 1检测系统组成 超声波检测系统【1 4 】由探头、信号发生接收装置、放大器、衰减器、模数( a d ) 转换器，以及对整个系统进行控制的计算机组成。 传统的检测设备，整个系统运行在单机之上，主机负责硬件控制、信号采集、 转换、处理、显示等诸多任务，这将导致主机负载过重，系统检测效率较低。 考虑到通过网络传输数据的高速性，我们将扫描检测任务分开在两台计算机 中完成，这样，不仅检测效率能得到很大提高，而且能减少系统的硬件成本。其 检测系统示意图如图2 2 所示，其中，外部虚线框是整个检测系统的组成图。内部 虚线框则表示探伤机的内部组成，其主要完成超声信号的发射接收、模数转换、 信号控制等功能。电脑( 计算机) 主要完成超声信号的分析、处理和显示等功能。 探伤机和计算机由网络连接，其利用t c p f l p 协议，基于c l i e n t s e r v e r ( 探伤机计 算机) 模式，实现了两台计算机之间的实时数据传输和通信控制。 图2 2 超声波检测系统组成图 探头与信号发生接收装置相连，并固定在探头架上，探头架由步进电机控制， 可根据工件型号( 用户输入) 自动调整其高度和扫查范围。检测位置和检测距离 由伺服电机带动机械装置，连接探头进行准确定位。 a d 转换器将采集到的模拟信号转换为数字信号，并将数字信号输入计算机， 在计算机内完成数据的显示和处理工作。 3 1 2数据显示方式 常见的超声探伤数据显示方式可分为如下几类f 1 司： ( 1 ) a 扫描显示：是超声波探伤中最基本的一种数据显示方式，它以纵坐标代 表反射波的幅度，以横坐标代表声波的传播时间，从缺陷波的幅度和位置来确定 ( 3 ) c 扫描显示：是以亮点或暗点显示接收信号，以荧光屏面代表被检测对象 的投影面。这种显示方式能给出缺陷的水平投影位置，但不能给出深度，如图2 3 t1 j l l 血巨才三彩 卜工件探测面；2 缺陷；3 - 工件底面；t - 始波；f - 缺陷波；b 底波 图2 3 常见数据显示方式 ( 4 ) 其他显示方式：除上述三种显示方式以外，目前国际上正在大力研究和发 展更加完善的图像显示技术，如超声全息成像技术、a l o k 成像技术、衍射成像 技术和s a f t 成像技术等。 本课题中，我们采用了a 扫描和b 扫描两种数据显示方式。由以上的介绍我 们可以看出，a 扫描图像接近于常见的示波器显示的图像，为大家所熟悉。而b 扫描图像可以直接看出缺陷在整个探测面上的分布情况，比较直观。 探伤过程中，检测数据以a 扫描的方式进行采集。探头架沿着工件长度方向 进行纵向扫描。数据采集电路以预定的采样频率进行采样，保证至少探头每移动 1 r a m 进行一次数据采集，即采集一组a 扫描图像数据。这样，就能得到整个工件 2 0 轴向的所有a 扫描图像数据。同时，以工件长度为横坐标轴，以工件周向展开宽 度作为纵坐标轴，在同步电路的控制下，在采集a 扫描图像数据信息的同时绘制 b 扫描图像。这样，当扫查结束的时候，b 扫描图像也形成了。b 扫描图像实际显 示的是工件的纵截面。 3 1 3探伤数据存储及显示的实现 探伤过程中，对伤波数据的存储及显示是非常必要的，有利于对探测情况的 详细分析和比较。本小结我们介绍关于数据存储及显示的问题。 3 1 3 1 探伤数据的存储1 1 叼 数据的存储格式被声明为一个三维数组c h a rd a t a 嘞啪啕，其中，i 代表所属 的通道数( 因为一般的检测系统都是由若干个通道组成，不同通道使用不同的探 头组检测不同的部位。本项目使用的检测系统包含7 个通道) ；j 代表对应b 扫描 的横坐标值，k 代表对应b 扫描的纵坐标值，d a t a 嘲聊嘲数值本身代表此( j ，k ) 位置点对应信号的幅值大小，在b 扫描图像中，它被转化为对应点的灰度值，以 颜色深浅进行显示。将每一个点的信号值都存储到这个三维数组中，并以r s t 格 式存储成文件供显示时使用。 3 1 3 2 探伤数据的显示【1 7 l 图2 4 所示的是数据显示操作界面，其中与数据显示有关的控件是按钮“打开，、 “b 扫描显示比例”和“a 扫描显示比例”。 圈2 4 数据显示操作界面 图z 5 “打开”界面 “打开”操作使用以下函数： v o i d c m y p r o j e c t v i e w ：o n f i l e o p e n ( ) ) 界面如图2 5 所示。其完成对数据文件( r s t 文件) 的打开、读取操作，它 将读出的数据存入类c m y p r o j e c t v i e w 的数据成员字符数组： c h a r rd a t a 7 1 2 8 3 6 0 1 q b ，并在函数 v o i dc w o r k v i e w ：o n d r a w ( c d c p d c ) 中使用s e t p i x e l ( i n t 】【i n t y ，c o l o r r e fc r c o l o r ) i 函数将数组数据逐点显示 在屏幕上，形成b 扫描图像，其扫描界面如图2 6 所示。 图2 6 b 扫描显示界面 “b 扫描显示比例”和“a 扫描显示比例”按钮可分别控制所画b 扫描和a 扫描图像的显示比例，有助于对图形的细致分析，默认时显示比例为1 ，即显示 原始图像大小 为了更直观的观察某一位置上沿工件长度方向的回波情况，我们用如下方法 显示用户选定点的a 扫描图像：用鼠标在b 扫描图像上点击左键，使事件响应函 数o n l b u t t o n d o w n 调用函数d r a w a s c a n 来绘制相应点域的a 扫描图像，调用过 程为： v o i dc w o r k v i e w ：o n l b u t t o n d o w n ( u i n tn n a g s ，c p o i n tp o i n o d r a w a s c a n ( r e _ p o i n t y ) ； 其中变量mp o i n t 记录了鼠标单击处的坐标，y 为其纵坐标。a 扫描显示界面 如图2 7 所示。 3 2 探伤图像处理 图2 7 a 扫描显示界面 由第二章对探伤方法的分析可知，探伤结果( a 、b 扫描成像图像) 除包括有用 的伤波信号以外，还存在大量固有波( 工件边沿波信号) 和随机干扰波信号( 噪声等) ， 这些干扰信号会干扰视线、影响探伤效果，严重的甚至造成误判，给探伤带来危 害，因此必须消除，即必须进行相应的图像滤波处理操作【堋。 目前，广泛使用的，也是最为有效的图像处理方法是用计算机来完成的数字 图像处理技术i ”l ，本实验中我们采用计算机v c + + 语言编写程序来完成图像的滤 波、处理工作。下面，我们首先介绍一下图像滤波处理的常用方法，然后给出本 实验采用的图像处理方法。 3 2 1几种常用的滤波算法 滤波操作在图像处理中也叫做平滑操作，其目的是为了消除噪声。图像噪声 的来源有_ _ _ _ - - 1 2 0 1 ：一为在光电、电磁转换过程中引入的人为噪声；二为大气层电( 磁) 暴、闪电、电压、浪涌等引起的强脉冲性冲击噪声的干扰；三为自然起伏性噪声， 由物理量的不连续性或粒子性所引起，这类噪声又可分成热噪声、散粒噪声等。 噪声消除的方法可分为空问域和频率域，又可分为全局处理和局部处理，还可以 按线性平滑、非线性平滑和自适应平滑来区分。下面简要介绍邻域平均、空间滤 波、频率滤波、多图像平均、自适应滤波及中值滤波滤波等方法1 2 。 1 邻域平均法 邻域平均法是一种局部空间域处理的算法。设一幅图像f 伍y ) 为n x n 的阵列， 滤波后的图像为g ( x ，y ) ，它的每个象素的灰度级由包含在( x ，y ) 的预定邻域的几个象 素的灰度级的平均值所决定，即用下式得到平滑的图像： g ( x ，y ) 吉罗，q ，) ( 1 0 ) 式中的x , y = 0 ，1 ，2 ，n - 1 ，s 是( x ，”点邻域中一1 5 , 点的坐标的集合【不包括点 伍，y ) 】，m 是s 内坐标点的总数。 以上算法简单，计算速度快，但他的主要缺陷是在降低噪声的同时使图像产 生模糊，特别在边沿和细节处，邻域越大，模糊越厉害。 为了减少这种效应，可以采用阈值法，也就是根据式( 1 1 ) 所示的准则形成平滑 图像- g 力：l 击磊，伽以若卜力一去。黾似斗丁 l f ( x ，y ) 其他( 1 1 ) 式中t 是一个规定的非负域值，当一些点和他们邻值的差值不超过规定的t 域值时，仍保留这些点的像素灰度值。这样平滑后的图像比邻域平均法模糊程度 减少。当某些点的灰度值与各邻点灰度的均值差别较大时，它必然是噪声，则取 其邻域平均值作为该点的灰度值，它的平滑效果仍然是很好的。 2 中值滤波 中值滤波是一种不同于卷积算法的非线性区域处理方法。它一般采用一个含 有奇数个点的滑动窗口，将窗口中各点灰度值的中值替代指定点( 一般是窗口的 中心点) 的灰度值。对于奇数个元素，中值是指按大小排序后，中间的数值；对 于偶数个元素，中值是指排序后中间两个元素灰度值的平均值。 因为区域中像素值发生随机突变的像素经排序后，将位于队首或队尾，因此 取得的中问像素值是正常的像素值。所以，中值滤波可以有效地除去随机噪声， 并得到较好的视觉效果。并且由于它在实际运算过程中并不需要图像的统计特征， 韭壅窑迢太堂亟堂焦j 金塞熬主璺傻熊翼程度殴途进 所以比较方便。在一定的条件下，中值滤波可以克服线性滤波器所带来的图像细 节模糊，而且对虑除脉冲干扰及图像扫描噪声最有效。 3 空间域低通滤波 从信号频谱分析的知识，我们知道信号的慢变部分在频率域属于低频部分， 而信号的快变部分在频率域是高频部分。对图像来说，它的边缘以及噪声干扰的 频率分量都处于空间频率域较高的部分，因此可以采用低通滤波的方法来去除噪 声，而频域的滤波又很容易从空间域的卷积来实现，为此只要适当地设计空间域 系统的单位冲击响应矩阵就可以达到虑除噪声的效果。 g 0 ，y ) ；罗y ， 一 一再+ 1 ) (12)fm n ) i c ( xm + l , y 式中，6 为n x n 阵列，h 为l l 阵列。 下面是几种用于噪声平滑的系统单位冲击响应阵列： 墨= ； ； q2 击 i ； 也= 去睦i 2 ； 。，。， 以上矩阵h 又叫低通卷积模板。 4 频域低通滤波 这是一种频域滤波法，对于一幅图像，它的边缘、跳跃部分以及噪声都代表 图像的高频分量，而大面积的背景区和慢变部分则代表图像的低频分量，用频域 低通滤波法除去其高频分量就能去掉噪声，从而使图像得到平滑。 常用的几种低通滤波法包括： 1 ) 理想低通滤波器( i u f ) 2 ) 巴特沃思低通滤波器( b l p f ) 3 ) 指数滤波器( e l p f ) 4 ) 梯形滤波器( 1 r i j f ) 限于篇幅，各个滤波法的实现过程这里不再详细叙述。 3 2 2系统采用的图像处理方法【2 2 】 在图3 2 数据显示界面中，点击图像处理按钮，弹出“图像处理”对话框，如 图2 8 所示。 图2 8 图像处理界面 上节已经指出，图像处理操作主要完成的功能是虑除原始b 扫描图像中由于 检测到的工件边沿信号和由噪声引起的干扰信号，得到清晰、明显的伤波信号。 为了达到这两个目的，我们采用了两种滤波方法i 边缘滤波法和中值滤波法。 为了更形象的说明问题，现给出一组测试试验中得到的b 扫描图像，如图2 9 所示。 图2 9 轴后探头对应的一组b 扫描图像 图中已经给出了各信号表示的意义。我们必须分别滤除边缘波信号和强、弱 噪声信号，下面分别给予介绍。 3 2 2 1 边缘信号滤除 边缘信号滤波原理类似于我们前面3 2 1 节介绍的邻域平均法。由于边缘信号 是由超声波扫射到工件边缘( 沿工件一周方向) 后反射回接收器形成的，所以边 缘信号均为沿工件长度方向自始至终且强度基本不变的信号。根据这一特性，设 定合适的阙值k ，沿图像每一行长度方向各点像素值做和，其值大于某阈值的行 必定为边缘波信号对应的行，令此行对应点的像素的灰度值均为r g b ( o ，o ，o ) ，即 些巫窑适厶鲎亟堂位途塞堑主型攫丝堡攫庄丝邀盐 使其变为底色黑色，从而消除边缘信号干扰。 3 2 2 2 噪声滤除i 4 j 由图2 9 已知噪声信号分为强噪声信号和弱噪声信号【捌。弱噪声信号的滤除使