大型回转件表面形状自适应扫查在线超声波探伤系统

    超声波检测技术是无损检测技术中的一种重要方法,其穿透能力强、检测灵敏度高、对人体无害、使用灵活并可及时得到探伤结果,已被广泛应用于各行各业的质量监控和安全保障。对于发电设备、压力容器等大型回转体重要零部件,通常采用超声波检测其在制造或使用过程中产生的结构缺陷,从而及时发现故障,改进制造工艺,提高产品质量,保证设备安全、高效、可靠地运行[1]。

    目前,对大型回转体工件的探伤通常在工件加工完成后,采用离线手工超声波扫查,人工经验判废的方式进行。这种探伤方式不仅效率低、劳动强度大,同时还存在主观性大、标准不统一等问题。因此,结合大型工件制造企业的实际需要,开展超声波探伤在线自动检测装置与数据处理算法研究,设计并实施基于超声波探伤的实时在线系统,对于大型设备的使用寿命可靠性、安全性的提升及探伤自动化具有重要的理论和实践意义。

    笔者结合大型设备制造企业的生产现场情况以及探伤要求,以超声波探伤技术、计算机技术以及数字信号处理技术为基础,开展超声波探伤在线自动检测装置与数据处理研究,设计并实施超声波在线探伤系统。为大型发电设备的转子、轧辊和轧机锻件等高价值回转体零件的无损评价、寿命分析等实用性判断提供可靠的数据。

1　超声波在线探伤系统总体设计方案

    超声波探伤在线自动检测系统的研究目标是:在卧式车床上对大型回转体表面半精车加工的同时(即在加工现场不重新装卸、不另安排检测时间),自动连续完成整体零件的超声波垂直入射和接收。系统应包括自动扫查装置、信号处理与缺陷定位、定量、定性识别以及自动记录保存信号功能;检测精度达到ASTM E114—1995《Standard Practice for Ultrasonic Pulse-Echo Straight-Beam Examination by the Contact Method》标准对缺陷定位、定量和定性的要求;检测系统在加工现场使用,应具有较高的可靠性、稳定性、较强的抗干扰能力和低故障率;整个检测系统便于携带和移动使用。设备引起的声、光、电、磁的污染必须满足相关标准的要求,不得对周围人体、仪器、设备产生危害和干扰;探伤系统软件部分应具有A型扫描超声波探伤仪的全部功能;DAC曲线调校点数应可选择;能适时记录、自动存储数据和图像;用户界面为窗口化图形界面;支持后续分析、处理和测试任何位置的探伤情况;自动生成分析结果和检测报告,并具有探伤报告打印功能。

根据上述要求,设计的回转体在线探伤系统整体结构如图1所示。探伤过程中,夹持探头的系统扫查机构根据工件表面形状调整自身姿态,使超声波始终沿工件表面法线方向垂直入射;探伤系统采用EI公司B2S直探头,晶片直径20 mm,频率为2 MHz;采用PCI总线4通道超声波发射/接收卡实现超声波信号发送和采集,其最高采样频率为100 MHz,水平线性误差<1%,垂直线性误差<±3%,满屏时平均电噪声<20%;设计了能快速装拆的多关节接油盘回收耦合剂,以适应在不同大小机床上的耦合剂循环使用的需要;采用OMRON(500P/R)编码器实现探伤行程检测,并得到缺陷位置;软件系统操作简单,功能强大,人机交互性强。