現(xiàn)場檢測的厚壁容器堆焊層剝離超聲檢測成像系統(tǒng)搭建,機(jī)械工程論文

現(xiàn)場檢測的厚壁容器堆焊層剝離超聲檢測成像系統(tǒng)搭建,機(jī)械工程論文在石油化工領(lǐng)域,存在著大量的大直徑厚壁容器,需要工作在高溫及腐蝕介質(zhì)環(huán)境,其母材內(nèi)外表均堆焊不銹鋼層,以提高其使用壽命.以石化公司的加氫反響器為例,該類設(shè)備運(yùn)行在高溫、高壓以及臨氫條件下,長期使用后會出現(xiàn)堆焊層與母體材質(zhì)的層間剝離、堆焊層外表開裂、材料回火脆化和氫脆等現(xiàn)象[1-2].大面積的堆焊層層間剝離以及層下裂紋的產(chǎn)生將影響到此類容器的使用壽命,并帶來安全生產(chǎn)隱患,因而及時(shí)地發(fā)現(xiàn)堆焊層層間剝離并定期進(jìn)行跟蹤檢測,有利于安全隱患的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除,并為此類容器的使用壽命評估提供可靠的檢測分析數(shù)據(jù)[3-4].當(dāng)前,針對堆焊層層間剝離的檢測方式方法通常是采用超聲波直探頭手動(dòng)掃查.當(dāng)發(fā)現(xiàn)底面回波異?；蛘叨押笇咏缑婊夭@著時(shí),根據(jù)超聲信號以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)斷定層間剝離能否存在,并對剝離區(qū)域進(jìn)行人工確定和剝離面積計(jì)算.這種手動(dòng)檢測主要存在下面缺點(diǎn):(1)手持探頭進(jìn)行掃查,檢測結(jié)果重復(fù)性差;(2)檢測效率低;(3)檢測結(jié)果的評價(jià)受人為因素影響較大,可比性差;(4)檢測結(jié)果無法保存,可追溯性差;(5)檢測結(jié)果不直觀[5-6].當(dāng)前,國內(nèi)有大量的在役厚壁容器,尤其是石化行業(yè)的加氫反響器運(yùn)行時(shí)間已超過10年,堆焊層剝離問題成為影響其安全可靠運(yùn)行的主要原因,為此,在歷次檢修經(jīng)過中都投入大量人力物力進(jìn)行堆焊層剝離檢測.因而,研發(fā)堆焊層剝離半自動(dòng)超聲檢測系統(tǒng)有助于提高檢測效率,縮短檢修工期(檢測時(shí)間約為手工檢測的1/5),提高經(jīng)濟(jì)效益,使檢測結(jié)果更直觀,并提高檢測結(jié)果的可比性[7-8].主要針對直徑4257mm/4247mm,母材壁厚221mm/221mm、堆焊層厚度7.5mm的加氫反響器,開發(fā)一套適用于現(xiàn)場檢測的厚壁容器堆焊層剝離超聲檢測成像系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)厚壁容器堆焊層層間剝離的在役半自動(dòng)超聲掃查,檢測數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲、分析與評判,同時(shí)該系統(tǒng)對不同直徑、不同厚度的厚壁容器有一定的適用性.該研究成果已經(jīng)完成樣機(jī)制造機(jī)及調(diào)試,并于2018年應(yīng)用于某公司的加氫反響器的堆焊層層間剝離檢測.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)厚壁容器堆焊層剝離超聲檢測成像系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有:(1)容器局部區(qū)域內(nèi)自動(dòng)掃查,尤其適用于容器的抽檢和指定區(qū)域檢測;(2)自動(dòng)辨別缺陷;(3)實(shí)時(shí)顯示缺陷的相對位置、形狀以及大小;(4)能夠?qū)崿F(xiàn)全區(qū)域掃查和定點(diǎn)、定區(qū)域掃查;(5)對缺陷準(zhǔn)確定位與定量;(6)記錄、存儲掃查結(jié)果,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可追溯性.由此設(shè)計(jì)的該系統(tǒng)由超聲探頭及夾具組件、超聲檢測板卡、超聲數(shù)據(jù)采集、后處理及圖像顯示系統(tǒng)、機(jī)械掃查裝置、上下位機(jī)控制系統(tǒng)組成.堆焊層剝離超聲檢測成像系統(tǒng)主要工作流程為:上位控制機(jī)啟動(dòng)下位機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測控制并觸發(fā)超聲檢測系統(tǒng)檢測機(jī)械掃查裝置帶動(dòng)超聲探頭沿設(shè)定的軌跡運(yùn)行,同時(shí)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤探頭位置坐標(biāo)并發(fā)送給超聲檢測系統(tǒng)超聲檢測系統(tǒng)檢測運(yùn)行并實(shí)時(shí)接收控制系統(tǒng)發(fā)送的探頭位置信號超聲檢測系統(tǒng)將檢測結(jié)果以及探頭位置信息打包存儲并顯示.系統(tǒng)流程圖如此圖1所示.1.1機(jī)械掃查裝置厚壁容器堆焊層剝離超聲檢測成像系統(tǒng)機(jī)械掃查裝置主要由磁輪吸附組件、機(jī)械橫梁組件、垂直移動(dòng)組件、同步帶壓緊組件、支撐輪組件、探頭夾具組件以及附件組成.采用永磁式吸附,通過磁吸附將整個(gè)機(jī)械掃查裝置固定于厚壁容器外外表,通過絲杠傳動(dòng)以及同步帶傳動(dòng),帶動(dòng)探頭夾具沿著X、Y坐標(biāo)移動(dòng),實(shí)現(xiàn)超聲探頭的定區(qū)域掃查.整個(gè)掃查軌跡以可調(diào)節(jié)等間距的柵格形式進(jìn)行.考慮工程應(yīng)用的便利,整個(gè)裝置采用模塊化設(shè)計(jì)思想,系統(tǒng)部件之間拆卸安裝方便,供水、電控均采用插接式連接,便于運(yùn)輸與現(xiàn)場的拆裝.裝置實(shí)物及組成如此圖2所示.該機(jī)械掃查裝置具有如下特點(diǎn):(1)采用模塊化設(shè)計(jì)思想,整個(gè)機(jī)械掃查裝置由多個(gè)組件或者部件組成,安裝與拆卸方便,極大地方便現(xiàn)場工程應(yīng)用,同時(shí)也便于機(jī)械掃查裝置的維護(hù)、改良以及運(yùn)輸;(2)機(jī)械掃查裝置構(gòu)造設(shè)計(jì)簡潔,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,總體質(zhì)量輕,方便了工程應(yīng)用;(3)采用偏心輪起動(dòng)磁輪,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎,方便了磁吸附的安裝與拆卸;(4)機(jī)械橫梁組件與垂直移動(dòng)組件的滑槽式連接,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械橫梁組件與垂直移動(dòng)組件的分體設(shè)計(jì);(5)伸縮式探頭夾具的設(shè)計(jì),適用于通用超聲探頭,能夠根據(jù)不同需要更換超聲探頭,實(shí)現(xiàn)夾具設(shè)計(jì)的通用性,同時(shí)采用萬向滾輪壁面接觸方式,很大程度上減少了探頭與容器壁在二維移動(dòng)方向的滑動(dòng)摩擦.1.2控制系統(tǒng)厚壁容器堆焊層剝離成像系統(tǒng)的控制系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)二維的運(yùn)動(dòng)控制平臺,從系統(tǒng)要求的性能指標(biāo)來看,控制系統(tǒng)需要知足如下指標(biāo):(1)水平掃查速度可達(dá)6mm/s無級可調(diào);垂直掃查速度達(dá)300mm/s無級可調(diào);(2)能夠?qū)崿F(xiàn)粗掃查和精致細(xì)密掃查,對指定的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精致細(xì)密掃查;(3)系統(tǒng)的控制方式分為手動(dòng)/自動(dòng),兩者之間能夠切換;(4)X軸(水平)和Y軸(垂直)兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)誤差不大于1mm.1.2.1控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)對運(yùn)動(dòng)控制,必須控制X、Y方向上的2個(gè)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)并具有良好的響應(yīng)速度.由此選擇了Tech-nosoft公司的IPM100.IPM100將運(yùn)動(dòng)控制和伺服驅(qū)動(dòng)集成在一起,具有體積小、性能高、控制簡單、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),但是每個(gè)只能控制一個(gè)電機(jī).若要兩臺電機(jī)協(xié)同控制,通過RS485總線將其連接起來.利用Technosoft運(yùn)動(dòng)開發(fā)平臺IPMmotionStudio實(shí)現(xiàn)快速安裝、測試和運(yùn)動(dòng)程序開發(fā).強(qiáng)大的TML指令庫易于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)次序的定義和執(zhí)行.1.2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件主要完成對探頭位置的運(yùn)動(dòng)控制,如此圖3.用戶操作界面功能有:(1)參數(shù)設(shè)置與顯示模塊主要是設(shè)置一些系統(tǒng)參數(shù)(如掃查長度、步進(jìn)寬度)和控制參數(shù)(如速度參數(shù)、加速度參數(shù)等);(2)任何時(shí)刻,控制程序都時(shí)刻監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,隨時(shí)對系統(tǒng)故障做出相應(yīng)的處理.軟件部分包括X向運(yùn)動(dòng)和Y向的掃查運(yùn)動(dòng)、數(shù)據(jù)存儲及處理、手動(dòng)控制、故障處理、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示及故障顯示等.操作界面(GUI)清楚明晰、簡單,方便用戶調(diào)試、運(yùn)行,同時(shí)能夠?qū)⑺欧?qū)動(dòng)器傳遞過來的信息顯示出來,便于監(jiān)控.任務(wù)編程模塊的主要功能為實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)的規(guī)劃,如X向和Y向運(yùn)動(dòng)等,包括故障查詢、處理.1.3數(shù)據(jù)采集與成像系統(tǒng)沉著器外壁檢測內(nèi)壁堆焊層剝離主要是利用超聲脈沖反射法在剝離界面處發(fā)生強(qiáng)烈的反射波進(jìn)行的,同時(shí),原底波伴隨有衰減現(xiàn)象.超聲波途徑示意圖如此圖4所示,超聲波反射回波示意圖如此圖5所示.1.3.1超聲成像原理由圖4可知,當(dāng)已經(jīng)知道工件母材厚度t和工件總厚度s時(shí),設(shè)定檢測范圍、檢測靈敏度和成像閘門A,使閘門A在實(shí)時(shí)采集顯示的A掃信號圖上位于工件總厚度s之前的包括母材厚度t處.若被掃查區(qū)域存在一定程度(當(dāng)量)的剝離,其回波信號會超過閘門A并被成像軟件自動(dòng)記錄.其幅度可用不同的顏色表示.因而,結(jié)合探頭運(yùn)動(dòng)的位置信息,可構(gòu)成剝離C掃描圖像,如此圖6所示.1.3.2軟件模塊組成該數(shù)據(jù)采集與成像系統(tǒng)由參數(shù)設(shè)置調(diào)整模塊、實(shí)時(shí)采集模塊以及成像與處理模塊組成.(1)參數(shù)設(shè)置調(diào)整模塊.主要完成聲速測試及校準(zhǔn);探頭延遲的設(shè)置;掃描速度/量程的設(shè)置;探傷靈敏度的設(shè)定;其他參數(shù)的輸入.(2)實(shí)時(shí)采集模塊.主要完成采集及其控制;數(shù)據(jù)文件的存儲途徑、名稱與機(jī)械控制系統(tǒng)的通信;以采集探頭位置信息實(shí)時(shí)顯示A掃波形;手動(dòng)/自動(dòng)采集.(3)成像與處理模塊.主要完成A掃、C掃成像;數(shù)據(jù)回放、分析;剝離的測量和評價(jià).2檢測試驗(yàn)應(yīng)用上述檢測系統(tǒng),對安裝在模擬體上的參考試塊進(jìn)行檢測,該參考試塊壁厚為108mm,華而不實(shí)堆焊層厚度為8mm.人工反射體為2、3、4、10的平底孔,從堆焊層處加工至界面處.參考JB4730.3-2005標(biāo)準(zhǔn),從母材側(cè)檢測堆焊層與母材的剝離,應(yīng)采用10的平底孔作為檢測的基準(zhǔn)靈敏度[9].以此基準(zhǔn)靈敏度提高6dB作為掃查靈敏度來檢測參考試塊,成像結(jié)果如此圖7所示.由成像結(jié)果能夠看出:該自動(dòng)檢測成像系統(tǒng)在設(shè)定的檢測靈敏度下,對于4的平底孔,能夠清楚明晰成像.實(shí)際檢測經(jīng)過中,根據(jù)檢測標(biāo)準(zhǔn),對發(fā)現(xiàn)的剝離類缺陷進(jìn)行質(zhì)量評定.3結(jié)論厚壁容器堆焊層剝離超聲檢測成像系統(tǒng)的開發(fā)具有較為廣泛的工程應(yīng)用前景.該系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了大直徑厚壁容器的堆焊層剝離半自動(dòng)超聲檢測,避免了由于手動(dòng)檢測帶來的效率低下、檢測結(jié)果重復(fù)性差、檢測數(shù)據(jù)可追溯性差的缺點(diǎn),推動(dòng)了檢測經(jīng)過的自動(dòng)化,提高了檢測結(jié)果的可重復(fù)性、可靠性、可比照性和可追溯性.該研究成果采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想,方便了現(xiàn)場的工程使用,同時(shí)對系統(tǒng)的維護(hù)和改良提供了方便.該研究成果具有創(chuàng)新性,是無損檢測自動(dòng)化實(shí)踐的又一嘗試.該研究成果已經(jīng)應(yīng)用于某公司的加氫反響器的堆焊層層間剝離檢測,同時(shí)該系統(tǒng)可以應(yīng)用于其他類似大直徑厚壁容器的堆焊層層間剝離檢測.以下為參考文獻(xiàn):【1】劉成勇.加氫反響器的無損檢測[J].聚酯工業(yè),2005,18(2):47-50.【2】張振戎,張文輝,盧慶春.加氫反響器的發(fā)展歷史[J].一重技術(shù),2004(1):1-3.【3】毛大興,李平瑾.加氫反響器監(jiān)造經(jīng)過中的質(zhì)量控制(二)[J].壓力容器,2005(4):17-21.【4】李波,于麗萍,鄭啟文.加氫反響器損傷及檢驗(yàn)技術(shù)討論[J].化工科技,2004,12(5):39-42.【5】燕林.國外重視大型加氫反響器的焊接腐蝕[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2005(4):37.【6】王秋靈,程豪奇.加氫反響器壓降增長過快的原因和措施[J].石油化工安全技術(shù),