姚年春 蔣道霞 程永

摘 要：針對無縫鋼管壁厚測量問題，選擇了電磁檢測方法，分析了壁厚測試原理，并對鋼管在線壁厚測試系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方案提高了同一條運(yùn)輸線上不同規(guī)格鋼管檢測的靈活性，檢測過程控制簡潔，同時(shí)也方便后期維護(hù)。

關(guān)鍵詞：無縫鋼管;測厚;電磁檢測

0 ? ?引言

在無縫鋼管的生產(chǎn)中，鋼管壁厚的精度是衡量鋼管質(zhì)量的重要參數(shù)，根據(jù)美國石油學(xué)會最新的《套管和油管規(guī)范》（API SPECIFICATION 5CT）規(guī)定[1]，鋼管的壁厚應(yīng)控制在標(biāo)稱壁厚-12.5%～+12.5%范圍內(nèi)，然而在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐中，壁厚與廠家關(guān)系密切。鑒于此，本文在分析鋼管壁厚測量原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了自動測厚的調(diào)節(jié)裝置。

1 ? ?測厚方式選擇

目前，測厚的主要方法有激光測厚、渦流測厚、電磁檢測、射線測厚和超聲波檢測5種。國外采用的是全長全覆蓋測厚工藝[2-3]，主要有兩種裝置：一種為探頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，被測鋼管做直線運(yùn)動;另一種為探頭靜止不動，鋼管做螺旋狀前行。這兩種方法都不適合淮鋼無縫鋼管大規(guī)格和多品種的測厚要求。鑒于此，本文提出了一種便于調(diào)節(jié)的無縫鋼管自動測厚裝置設(shè)計(jì)方案，該方案采用電磁檢測方式，可用于淮鋼無縫鋼管的在線測厚。

2 ? ?測厚原理

采用電磁檢測方法對鋼管壁厚進(jìn)行檢測時(shí)，通過穿過鋼管的線圈進(jìn)行積分，得到鋼管主磁通的值以及與磁通量相關(guān)的電壓值，測試原理如圖1所示。穿過線圈的總磁通量Φt等于鋼管內(nèi)磁通量Φp與線圈內(nèi)部空氣的磁通量Φa之和，如式（1）所示：

Φt=Φp+Φa ? ? ? ? ? ? ?（1）

線圈兩側(cè)電壓為式（2）：

e=-d（NΦt）/dt ? ? ? （2）

式中：N為測厚線圈的匝數(shù)。

為了避免感應(yīng)線圈直接測量給主磁通帶來的不利影響，設(shè)計(jì)時(shí)通過測量磁感應(yīng)強(qiáng)度來反映磁通量的變化，已知某特定截面的磁通量Φ與該截面面積S和截面內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系如式（3）所示：

Φ=BS ? ? ? ?（3）

由式（3）可知，當(dāng)截面內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B處于非飽和狀態(tài)時(shí)，磁通量的變化可以通過監(jiān)測磁路中磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化來判斷。由于需檢測的鋼管規(guī)格多，管徑變化范圍大，故檢測系統(tǒng)安裝了配有聚磁板的軸向磁化器，磁化器的線圈匝數(shù)、內(nèi)徑/外徑大小、額定電流大小都會影響磁化器的性能。本設(shè)計(jì)中，對磁路導(dǎo)致的磁通量變化與壁厚之間的線性關(guān)系設(shè)定了準(zhǔn)確的基準(zhǔn)值，這樣便可以將對磁通量的測量轉(zhuǎn)變成對磁感應(yīng)強(qiáng)度的測量，這種轉(zhuǎn)換可使測量更方便，同時(shí)保證了高測量精度。

在實(shí)際的壁厚測量過程中，壁厚基本為局部變化，霍爾元件靈敏度高、安裝方便，同時(shí)受磁路中磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，霍爾元件極易處于非線性工作狀態(tài)，所以往往采用間接方法來測量主磁路中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

3 ? ?鋼管在線壁厚檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無縫鋼管在線壁厚檢測系統(tǒng)需要達(dá)到智能檢測效果，從而保證檢測效率和檢測過程中的穩(wěn)定性。因此，針對淮鋼無縫鋼管在線檢測需求，根據(jù)被檢鋼管的不同規(guī)格設(shè)計(jì)了測厚系統(tǒng)，具體設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)方面：

3.1 ? ?信號處理系統(tǒng)

壁厚在線檢測信號處理系統(tǒng)布局如圖2所示。自動采集得到的厚度信號，通過放大器放大后濾波，再使用AD轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，后經(jīng)測厚程序進(jìn)行信號處理，顯示出測厚的波形和相關(guān)數(shù)據(jù)，如果測厚不符合要求，則會發(fā)出信號向PLC報(bào)警，由PLC控制報(bào)警打標(biāo)器。待檢測鋼管進(jìn)入探頭范圍后，信號自動采集動作，由PLC以及光電開關(guān)相互配合完成自動采集。

3.2 ? ?PLC單元

根據(jù)測厚系統(tǒng)的工藝需求，PLC單元的設(shè)計(jì)如圖3所示。出入口處都設(shè)有檢測光電開關(guān)，用來檢測鋼管是否在線，以控制輥道的啟停;水箱進(jìn)出口處的光電檢測開關(guān)，用來檢測鋼管進(jìn)出水箱時(shí)的端部位置。光電開關(guān)與各自相對應(yīng)的編碼器安裝在同一垂直面上，便于控制編碼計(jì)數(shù)。

3.3 ? ?探頭分布

本設(shè)計(jì)主要是根據(jù)鋼管斷面的幾何形狀、鋼管直徑變化范圍以及回波信號的要求，來對鋼管測試探頭的頻率、型式和晶片大小等參數(shù)進(jìn)行選擇。測量探頭的分布方式如圖4所示。

在測試過程中，試塊和探頭是重要的組成零件，試塊在測試過程中可以確定尺寸等方面的靈敏度和探頭的性能，通過調(diào)整掃描速度來對尺寸進(jìn)行評判。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性好，同時(shí)保證最大管徑在圓周方向上測量覆蓋達(dá)到100%，共設(shè)計(jì)了4組探頭，每組16個(gè)，4組探頭安裝在同一個(gè)探頭箱中，設(shè)計(jì)保證了鋼管測試過程中最大和最小管徑的耦合距離。

無縫鋼管測厚時(shí)，采用的是探頭固定、探頭箱調(diào)整參數(shù)的方法，當(dāng)鋼管規(guī)格變化時(shí)，只需要調(diào)整探頭箱的高度，使探頭中心線和鋼管的中軸線保持一致，同時(shí)調(diào)整不同規(guī)格鋼管的參數(shù)設(shè)置，保證同一個(gè)探頭箱能夠適應(yīng)所有不同規(guī)格的鋼管的在線測厚要求。在配套的測量軟件中，采用了動態(tài)跟蹤技術(shù)對管壁的跳動進(jìn)行跟蹤測量，當(dāng)鋼管管壁發(fā)生跳動時(shí)，水層的厚度也跟著變化，保證了測量的精度。

通過生產(chǎn)反復(fù)測試，本設(shè)計(jì)選擇的鋼管探頭為縱波直探頭，頻率為5 MHz，晶片的直徑為25 mm。

3.4 ? ?鋼管壁測厚線結(jié)構(gòu)

測厚總成是在線測厚裝置的核心部分，鋼管壁測厚線的總體結(jié)構(gòu)主要包括傳輸線、磁懸浮壓緊、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和打標(biāo)器，如圖5所示?？偝稍O(shè)計(jì)部分，在垂直方向上的中心高度可以調(diào)節(jié)，當(dāng)待檢測鋼管進(jìn)入總成時(shí)，鋼管被壓緊，對于不同管徑規(guī)格的鋼管，通過電機(jī)來調(diào)整探頭中心高度以保證測試的順利進(jìn)行。

3.5 ? ?總體結(jié)構(gòu)圖

測量裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖6所示，測量裝置底座上安裝的測量箱體和右半箱體通過箱體下連接桿連接可以緊固連接穩(wěn)定裝置，光電編碼器和數(shù)據(jù)顯示表可以顯示待測量無縫鋼管的厚度，螺旋式絲桿、絲桿聯(lián)軸器和測量推進(jìn)油缸的配合可以改變測量箱體和右半箱體的距離，可以測量不同直徑的鋼管，可解決鋼管工業(yè)中測量的方法不成熟、測量的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，或者無法測量厚度等技術(shù)問題。

4 ? ?結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用電磁檢測方法，實(shí)現(xiàn)了無縫鋼管自動測厚功能，設(shè)計(jì)過程中，選擇霍爾元件實(shí)現(xiàn)磁場信號的無漏檢測，保證了探測信號的穩(wěn)定性和全面性;針對不同規(guī)格的鋼管，通過更換檢測探頭，提高了同一條運(yùn)輸線上檢測方式的靈活性，并能分類記錄相關(guān)檢測結(jié)果。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 套管和油管規(guī)范：API SPECIFICATION 5CT[S].

[2] SMS米爾股份有限公司.在管材軋機(jī)中測量管壁厚的裝置：CN200310027838.1[P].2006-03-29.

[3] 谷立功.中國鋼管行業(yè)2019年回顧及2020年展望[J].鋼管，2020，49（3）：1-5.

收稿日期：2021-09-02

作者簡介：姚年春（1975—），男，山東青島人，碩士研究生，副教授，研究方向：控制理論與控制工程。