超聲波探傷在大型鋼板中的應用
2014-06-10
1、概述
根據標準規定或用戶要求，鍋爐與壓力容器板、橋梁、建筑、管線用板等特殊用途的鋼板，需要進行超聲波探傷。隨著對鋼板產品內在質量、性能、規格越來越高的要求，越來越多的用戶要求對鋼板進行100%的探傷。
根據使用方式的不同，超聲波探傷可分為手動探傷和自動探傷。由于手動探傷具有投資低、使用靈活等優點，國內中厚板廠多采用此方式，但手動探傷也存在著許多無法彌補的缺點，一是探傷時間長、生產效率低；二是探傷勞動強度大，容易疲勞；三是占用生產場地鋼板復搬運量大；四是難以保證超聲波波束100%地覆蓋鋼板表面，從而不可避免地造成漏探和誤探。手動探傷還因探傷速度慢而難以適應現代化大生產的要求。而自動探傷具有速度快、效率高、占用生產場地小等明顯優點，采用在線方式則基本上不占用生產場地也不存在鋼板的重復搬運問題。
該廠采用的SONOTROTM66鋼板檢測器是NDT 技術公司運用超聲波技術生產的一種非損傷性檢測重型鋼板的檢測系統。鋼板的在線高速掃描速度為2.0米/秒，探傷能力能透過6-60mm厚的鋼板，并且覆蓋100%表面及鋼板的里面。所采用的探頭是性能較高的壓電晶體制成的，有兩種形式———單晶體式探頭和雙晶體式探頭。兩種形式的探頭運轉由電子脈沖產生的高頻脈波穿過水干擾后進入鋼板內，并從缺陷點或壁表處反射回來。缺陷表面越大，則反射的能量越大，并產生一個較高的可視峰值。該操作方式稱為“脈沖回聲模式”，掃描結果由集成電子系統處理。可以檢測的鋼板材料類型有：鍋爐板、壓力容器板、橋梁板、船板、結構板及用于其它特殊結構的鋼板等。
2、超聲波探傷原理
超聲波測試的基本方法是基于超聲波的頻率要高于20KHz。對于不同頻率和波形，從材料返回的波形是不同的。當超聲波進入材料后，將在材料中產生機械振動，超聲波在被檢測材料中傳播時，材料的聲學特性和內部組織的變化對超聲波的傳播產生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測來了解材料性能和結構的變化。
檢測過程是通過使用一種壓電晶片向材料里面發射超聲波進行的，這種壓電晶片被稱為探頭或傳感器。使用的探頭分為單晶和雙晶兩種探頭，是基于脈沖反射的原理。脈沖反射方式是：超聲波進入材料中，當遇到缺陷或界面時，聲波將被反射回探頭通過觀察波形中反射回的能量多少可知道缺陷的大小，大的缺陷比小的缺陷返回的能量多。測試過程是通過縱波和橫波兩種波形來完成的。縱波是用來檢測鋼板內部缺陷的，這種波適合檢測鋼板內部的分層、夾渣和球狀裂紋；橫波被用來檢測鋼板表面和內部的縱向線狀缺陷。
為了使超聲波進入材料和從材料中反射，探頭必須與被測材料盡量靠近，并且在探頭和被測材料之間有介質。在鋼板的超聲波探傷中，多用水作介質，即所謂“耦合水”。檢測期間，所有探頭處在離鋼板表面同一水平面，聲音藕合由水來完成。
3、系統組成及功能
超聲波探傷裝置是一個完整的系統，由檢測系統、數據系統、自動控制系統、報告輸出系統、缺陷標記系統等子系統組成，為檢測鋼板需要配套運輸輥道、壓緊輥、側導輥、打正機等。
檢測器探頭安裝在測試鋼板下方的兩個伺服驅動架上的探頭機座內，按照一定編碼的通道根椐鋼板的寬度進行掃描。最窄的鋼板要求測試一個通道，而最寬的則需測試3個通道。每次進行測試時，探頭在支架內執行浮移和傾斜功能。由此，探頭表面與板盡可能的水平接觸，同時也能補償了鋼板表面的偏差值。
為了實現100%的探傷，還需要一定的速度檢測與位置檢測元件；探頭是自動超聲波檢測系統的基本結構，呈陣列布置，它從底部檢測鋼板。在探頭之間超聲波應100%地覆蓋，而且整個探頭覆蓋板寬的1/3。探頭必須與被測材料盡量接近，以便于超聲波進入材料和從材料中反射。在超聲波的傳輸中水是必須的。檢測探頭位于鋼板下面，同時安裝在小車上，能夠橫向移動。伺服驅動能夠在鋼板側邊任何地方對探頭進行定位，同時能與鋼板邊部保持同步，這一點對100%探傷是非常重要的。
該系統為全自動化控制系統，使用的是Mitsubishi邏輯控制器（PLC），它將主操作員站與現場操作柜進行聯鎖。該系統從縱向探頭和橫向探頭采集數據，并把數據發送給視頻監測器上的操作員。其功能有自動診斷系統、通過計算機可調節靈敏度、脈沖頻率、DAC補償及補償范圍、檢測鋼板通過速度及方向、自動報警及檢測不良耦合、檢測內部超過標定參數的不連續的缺陷、標準掃描等。
4、檢測過程簡述
鋼板的位置檢測完全靠四個光電開關的動作來實現，在運輸輥道上可根據需要進行一道次或三道次的來回檢測。
光電開關PC—101動作時表明鋼板開始進入了測試區，鋼板減速運行并啟動浮動活塞以跟蹤鋼板的波度。當鋼板已將所有探頭座覆蓋以后，鋼板速度加速至2米/分，開始進行鋼板的超聲波探傷工作。鋼板完全被掃描完成后，減速繼續運行直至運行到PC—104光電開關動作時，鋼板退出測試區并停下來。SV_U3H2A8X0.tmp)
圖1 鋼板測試區詳圖檢查過程中，該系統使用傳感器和兩個工業攝像機檢測鋼板的邊緣。在縱向架上有16個高溫傳感器，橫向架上有32個高溫傳感器，攝像機定位在探頭架上測量鋼板的寬度。為了能補償鋼板的扭曲度，探頭的所有部分能夠上下移動或傾斜，以保證測試期間它們與鋼板表面完全接觸。為了使探頭得到保護，在探頭表面安裝了高效防腐材料制作的專用防磨裝置。探頭表面與表面下面的鋼板不直接接觸，使用了聲藕合裝置達到檢查的目的。
5、結束語
該套超聲波檢測系統能100%覆蓋鋼板表面，探頭能準確跟蹤鋼板并與鋼板表面良好耦合，減少了漏探和誤探，而且檢測缺陷尺寸精度達到最小φ3mm；配套的計算機系統能夠根據各種標準對鋼板缺陷進行評判，對鋼板軋制質量的分析具有較好的實用價值。(end)
根據標準規定或用戶要求，鍋爐與壓力容器板、橋梁、建筑、管線用板等特殊用途的鋼板，需要進行超聲波探傷。隨著對鋼板產品內在質量、性能、規格越來越高的要求，越來越多的用戶要求對鋼板進行100%的探傷。
根據使用方式的不同，超聲波探傷可分為手動探傷和自動探傷。由于手動探傷具有投資低、使用靈活等優點，國內中厚板廠多采用此方式，但手動探傷也存在著許多無法彌補的缺點，一是探傷時間長、生產效率低；二是探傷勞動強度大，容易疲勞；三是占用生產場地鋼板復搬運量大；四是難以保證超聲波波束100%地覆蓋鋼板表面，從而不可避免地造成漏探和誤探。手動探傷還因探傷速度慢而難以適應現代化大生產的要求。而自動探傷具有速度快、效率高、占用生產場地小等明顯優點，采用在線方式則基本上不占用生產場地也不存在鋼板的重復搬運問題。
該廠采用的SONOTROTM66鋼板檢測器是NDT 技術公司運用超聲波技術生產的一種非損傷性檢測重型鋼板的檢測系統。鋼板的在線高速掃描速度為2.0米/秒，探傷能力能透過6-60mm厚的鋼板，并且覆蓋100%表面及鋼板的里面。所采用的探頭是性能較高的壓電晶體制成的，有兩種形式———單晶體式探頭和雙晶體式探頭。兩種形式的探頭運轉由電子脈沖產生的高頻脈波穿過水干擾后進入鋼板內，并從缺陷點或壁表處反射回來。缺陷表面越大，則反射的能量越大，并產生一個較高的可視峰值。該操作方式稱為“脈沖回聲模式”，掃描結果由集成電子系統處理。可以檢測的鋼板材料類型有：鍋爐板、壓力容器板、橋梁板、船板、結構板及用于其它特殊結構的鋼板等。
2、超聲波探傷原理
超聲波測試的基本方法是基于超聲波的頻率要高于20KHz。對于不同頻率和波形，從材料返回的波形是不同的。當超聲波進入材料后，將在材料中產生機械振動，超聲波在被檢測材料中傳播時，材料的聲學特性和內部組織的變化對超聲波的傳播產生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測來了解材料性能和結構的變化。
檢測過程是通過使用一種壓電晶片向材料里面發射超聲波進行的，這種壓電晶片被稱為探頭或傳感器。使用的探頭分為單晶和雙晶兩種探頭，是基于脈沖反射的原理。脈沖反射方式是：超聲波進入材料中，當遇到缺陷或界面時，聲波將被反射回探頭通過觀察波形中反射回的能量多少可知道缺陷的大小，大的缺陷比小的缺陷返回的能量多。測試過程是通過縱波和橫波兩種波形來完成的。縱波是用來檢測鋼板內部缺陷的，這種波適合檢測鋼板內部的分層、夾渣和球狀裂紋；橫波被用來檢測鋼板表面和內部的縱向線狀缺陷。
為了使超聲波進入材料和從材料中反射，探頭必須與被測材料盡量靠近，并且在探頭和被測材料之間有介質。在鋼板的超聲波探傷中，多用水作介質，即所謂“耦合水”。檢測期間，所有探頭處在離鋼板表面同一水平面，聲音藕合由水來完成。
3、系統組成及功能
超聲波探傷裝置是一個完整的系統，由檢測系統、數據系統、自動控制系統、報告輸出系統、缺陷標記系統等子系統組成，為檢測鋼板需要配套運輸輥道、壓緊輥、側導輥、打正機等。
檢測器探頭安裝在測試鋼板下方的兩個伺服驅動架上的探頭機座內，按照一定編碼的通道根椐鋼板的寬度進行掃描。最窄的鋼板要求測試一個通道，而最寬的則需測試3個通道。每次進行測試時，探頭在支架內執行浮移和傾斜功能。由此，探頭表面與板盡可能的水平接觸，同時也能補償了鋼板表面的偏差值。
為了實現100%的探傷，還需要一定的速度檢測與位置檢測元件；探頭是自動超聲波檢測系統的基本結構，呈陣列布置，它從底部檢測鋼板。在探頭之間超聲波應100%地覆蓋，而且整個探頭覆蓋板寬的1/3。探頭必須與被測材料盡量接近，以便于超聲波進入材料和從材料中反射。在超聲波的傳輸中水是必須的。檢測探頭位于鋼板下面，同時安裝在小車上，能夠橫向移動。伺服驅動能夠在鋼板側邊任何地方對探頭進行定位，同時能與鋼板邊部保持同步，這一點對100%探傷是非常重要的。
該系統為全自動化控制系統，使用的是Mitsubishi邏輯控制器（PLC），它將主操作員站與現場操作柜進行聯鎖。該系統從縱向探頭和橫向探頭采集數據，并把數據發送給視頻監測器上的操作員。其功能有自動診斷系統、通過計算機可調節靈敏度、脈沖頻率、DAC補償及補償范圍、檢測鋼板通過速度及方向、自動報警及檢測不良耦合、檢測內部超過標定參數的不連續的缺陷、標準掃描等。
4、檢測過程簡述
鋼板的位置檢測完全靠四個光電開關的動作來實現，在運輸輥道上可根據需要進行一道次或三道次的來回檢測。
光電開關PC—101動作時表明鋼板開始進入了測試區，鋼板減速運行并啟動浮動活塞以跟蹤鋼板的波度。當鋼板已將所有探頭座覆蓋以后，鋼板速度加速至2米/分，開始進行鋼板的超聲波探傷工作。鋼板完全被掃描完成后，減速繼續運行直至運行到PC—104光電開關動作時，鋼板退出測試區并停下來。
圖1 鋼板測試區詳圖檢查過程中，該系統使用傳感器和兩個工業攝像機檢測鋼板的邊緣。在縱向架上有16個高溫傳感器，橫向架上有32個高溫傳感器，攝像機定位在探頭架上測量鋼板的寬度。為了能補償鋼板的扭曲度，探頭的所有部分能夠上下移動或傾斜，以保證測試期間它們與鋼板表面完全接觸。為了使探頭得到保護，在探頭表面安裝了高效防腐材料制作的專用防磨裝置。探頭表面與表面下面的鋼板不直接接觸，使用了聲藕合裝置達到檢查的目的。
5、結束語
該套超聲波檢測系統能100%覆蓋鋼板表面，探頭能準確跟蹤鋼板并與鋼板表面良好耦合，減少了漏探和誤探，而且檢測缺陷尺寸精度達到最小φ3mm；配套的計算機系統能夠根據各種標準對鋼板缺陷進行評判，對鋼板軋制質量的分析具有較好的實用價值。(end)
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