摘 要：文章对¢406～¢1422mm螺旋焊缝埋弧焊钢管生产中超声波连续探伤设备电控和自动跟踪系统工作状况进行了分析，针对跟踪焊缝精度差，干扰大的问题逐一进行了分析。对超声波探伤设备的电控系统、自动跟踪系统存在问题进行技术改造。阐述了设备改造后取得的效果。
关键词：在线超声波；探伤；激光跟踪焊缝；干扰
超声波探伤工艺是焊管焊缝质量检测的一种重要方法，在石油管生产过程中作为一种无损检测焊缝质量的有效方法被广泛应用。它采用在焊管焊缝两侧布置一定数量的超声波横波探头，在移动焊管的过程中，利用超声波的反射特性（在荧光屏上以纵坐标表示反射回波的幅度，以横坐标表示反射回波的传播时间），根据缺陷反射波的幅度和时间来确定缺陷的大小和存在的位置，探测焊管焊缝中平行于焊缝或垂直于焊缝的缺陷。缺陷的定位、定量和定性评定是超声波无损检测技术中的三大关键问题，特别是在螺旋焊缝的超声波连探的检测过程中（在螺旋管生产过程中的连续探测）一直以来就是技术难题。对探伤仪、自动跟踪的电控系统都有较高要求。
1 超声波设备存在问题
我公司从2011年开始生产石油管，在用的超声波连续探伤设备在检测中存在误报、漏报问题，检测结果的客观可靠性和准确性均不能满足GB/T9711.2、GB/9711.3、API5L等标准要求。这些问题对我公司生产中缅石油管形成瓶颈，制约了生产，须及时有效解决。
2 设备运行状况分析
超声波连续探伤设备主要由机械硬件，电控系统，自动跟踪系统组成，在电脑软件控制下根据生产工艺要求完成一系列检测和评价工作，其中：电控系统，自动跟踪系统工作情况尤为重要，对探伤精度和产品质量控制起到关键作用，现分别对这两部分工作情况进行分析。
2.1 电控系统
2.1.1 电控系统主要由工业控制计算机控制跟踪驱动板及伺服控制器和PLC可编程序控制器。超声波工作时探伤小车往返行走，被检测钢管旋转，探头架沿焊缝两侧开始检测工作。同时速度码盘控制线和探头信号（32通道）线等，通过拖链与操作室主机相连，连接长度约40米，在拖链内来回拖动24米的行程（控制过程见原理框图一）。
图一 电气控制系统原理框图
2.1.2 存在问题
2.1.2.1 从图一可以看出：电控系统由工业控制计算机操纵跟踪驱动板控制伺服控制器及伺服电机和滑台。PLC可编程控制器控制检测行走变频器、旋转机构变频器、探头动作执行机构由气动阀控制气缸动作，探头与管体耦合水由电磁水阀控制。由于PLC可编程控制器集中安装在控制室内，水阀，气阀，接近开关等用控制电缆，易造成各线缆断线。自动跟踪系统为5年前的设计，CCD摄像头，数据处理系统，工控机和PLC编程器的整体配合设计已经不是最好，PLC的先进性，可靠性没有充分发挥出来。
2.1.2.2 控制电缆、信号电缆走线方式设计不合理，检测系统运行过程中电缆破损甚至断线等问题不断发生。电缆经多次修复后信号衰减严重，探伤系统灵敏度降低；屏蔽效果越来越差，抗电磁干扰能力下降。探伤主机干扰波较多，抗干扰性能较差，探伤报警系统不能分辨出干扰波和疑似缺陷波，超声波连续探伤设备在检测中误报、漏报问题逐步增多，有的班次一根被检钢管误报达10多处，且重复一致性非常差。
2.1.3 改进措施
按故障和干扰最小化思路重新设计电控系统，尽量减少控制室到焊缝探架的控制电缆，把PLC控制系统改造成主、从站控制系统。用DP通信电缆取代控制气阀，水阀的控制电缆。新的电控系统由电力柜，工控计算机，触摸屏终端，西门子S7-300系列PLC，西门子变频器，伺服控制器及伺服电机，DP通讯电缆等构成（如图二所示）。
图二 电控系统图
从图二看出：控制室内的PLC主站和安装在探头架上的3#PLC从站由DP通讯电缆控制，减少了控制电缆的数量。本次改造要解决的一个重要问题是控制信号衰减和电磁干扰。通过优化设计，直接把PLC控制主体（3#PLC从站）安装在检测机构上，实现了按故障和干扰最小化思路进行设计和改造的目标，同时对探测机架、随动系统进行了更换和调试，提高了机械强度和对控制信号响应灵敏度，使3#PLC从站控制部分：光电开关，接近开关，控制电磁阀箱主要包括气动电磁阀、水阀、调压阀等准确无误地接受控制指令动作。由于运用了DP通讯电缆，控制系统的抗干扰能力和可靠性大幅提高。
2.2 自动跟踪系统
2.2.1 自动跟踪系统工作原理（如图三所示）
2.2.2 存在问题
（1）检测焊接缺陷点定位不准，问题在自动跟踪系统，首先，从图三看出自动跟踪系统是几年前的设计，系统配置老化，跟踪精度低，已不能满足生产工艺的要求，需要进行改造。其次，此系统包括自动控制、机械、液压等多个环节。经模拟操作和查阅PLC控制程序未发现异常，机械及液压随动系统动作也正常。理论分析和模拟测试都不能确定问题所在，采用排除法逐步缩小范围，深入观察跟踪系统的工作过程，发现白班与夜班所反映的缺陷点定位不准问题不一样，最终锁定问题：跟踪系统（摄像头受环境光线的干扰）对环境光线变化较敏感，把环境干扰信号反馈给电脑造成缺陷点误判。
图三 系统工作原理框图
（2）原有的CCD工业摄像机和半导体激光发生器是分开的如图四所示。工作过程中容易受到光线强弱的干扰，影响跟踪精度。
2.2.3 改进措施
首先，针对原系统摄像头对光线敏感容易造成误判的问题，认真研究后把CCD工业摄像机和半导体激光发生器组合在一起，加上滤光片，防护玻璃及外壳组成传感器如图五所示。从图五可看出改进后的传感器，机械强度，稳定性、受自然光线变化影响及抗干扰能力都得到大幅提高。
图四 原有的工业摄像机和激光发生器 图五 改进后的激光视觉传感器
其次，焊缝自动跟踪系统是超声波探伤设备的重要组成部分，跟踪精度的高低直接影响到超声波检测设备效果。在生产过程中由于原料宽度及焊接参数的轻微变化，焊管实际焊缝的螺旋线与理想的螺旋线之间会存在差距，焊缝自动跟踪关键技术是随时找到实际焊缝位置与理想位置的偏差值。因此良好的焊管螺旋线跟踪是螺旋焊管焊缝超声波探伤的关键。因此跟踪系统的改进是最重要的。
改进后的跟踪系统主要由PLC电器控制柜，工控计算机，变频器，传感器，跟踪滑台，伺服驱动电机及操作控制等部分组成。传感器和跟踪滑台安装在探头支架上。旋转辊变频器控制三台旋转电机，行走小车变频器控制一台行走电机，旋转电机让管子旋转，行走小车使焊缝架前后运行，构成焊缝的粗级跟踪。加上激光视觉传感器，伺服电机控制器，伺服电机及滑台形成焊缝探头架的精跟踪。激光跟踪系统的基本原理如图六所示。
跟踪系统工作时，半导体激光发生器作为光源，以一定的角度将一束高亮度激光投射到传感器下部的工件表面，摄像机镜头前装有特定波长的光学滤光片，可以有效地滤去杂散光线，从而使摄像机获得高清晰的包含焊缝信息的激光线图像，并传送给工控机“图像采集卡”和“激光自动跟踪软件”。图像采集卡将激光视觉传感器采集的模拟视频信号转换为数字信号，经工控机对该数字图像依据亮度值进行二值化，得到如图七所示图像，激光自动跟踪软件针对该图像进行分析处理，得出焊缝位置偏差信息，然后传输给PLC。PLC控制跟踪滑台和探头调整机构的动作。在自动情况下接收来自工控机的偏差信号，将此信息转化为模拟量传送给电机驱动器，驱动电机带动滑台移动，使探头到达正确位置，从而实现焊缝的自动跟踪。
焊缝自动跟踪关键技术是随时找到实际焊缝位置与理想位置的偏差值。当前国外普遍的跟踪是以求导方式找到激光线拐点，以拐点位置变化为跟踪偏差。但由于国内螺旋焊管生产工艺的不断提高，焊管焊接质量有了很大改进，焊缝余高有所降低，焊缝与母材的过渡也更趋于平缓，焊缝形状更为合理，因此使用通常找拐点的方法不能好地找到正确的偏差值，造成焊缝跟踪失效。我们根据焊缝图像特征，综合各种算法的优势摸索出一种新的模糊算法，使跟踪准确、稳定。自动跟踪系统是通过伺服电机控制跟踪滑台来实现左右移动，移动范围为±125mm，重复精度可达到0.01mm。
图六 激光跟踪系统原理图
图七 焊缝自动跟踪软件界面
3 改进后的设备情况
经过技术改进整套系统具有响应迅速，调节灵活，维护方便等特点，提高探伤效率。漏报率、误报率、激光跟踪焊缝精度等主要指标都有了显著提高。经改进后的探伤系统，其技术指标先进，钢管探伤速度达到5～8分钟/每根，管子的检测速度大幅提高。动态探伤波形稳定，可靠。每根钢管的探伤波形可记录存档并可供离线分析波形。
4 结语
超声波探伤系统现已正常使用一年多，经过生产检验证明，该套超声波探伤系统跟踪准确，稳定性好，探伤耦合良好，焊缝内在缺陷检出率高，没有漏报，误报小于2%。工作稳定可靠，探伤结果真实准确，并且该设备调节容易，大大减轻了工人的劳动强度。该系统的激光跟踪系统总体水平与国外同类产品相当。探头架和超声波仪器组合，使缺陷信噪比这一关键指标达到国内先进水平。
参考文献
[1] 北京赛诚工控科技有限责任公司.超声波探伤系统说明书[Z].2011.
[2] 王晨，高志凌，张文正，王力阳.螺旋焊管焊缝超声波探伤系统[J].焊管，2009（2）.
[3] 石油工业标准化研究所.管线钢管规范（第45版）[M].北京：石油工业标准化研究所，2012.
作者简介：卢宇明（1962- ），男，电气工程师，从事轧钢电气维修工作22年，现从事螺旋焊管设备电气维修工作5年主要对螺旋焊管X光机，螺旋焊管焊缝超声波探伤设备，林肯焊机维修，维护及设备管理工作。研究方向：自动控制和焊缝自动跟踪。