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管道運(yùn)輸是現(xiàn)代工業(yè)流體運(yùn)輸?shù)闹匾绞剑绕湓谑突ず吞烊粴猱a(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。然而，由于歷史、技術(shù)和管理原因，工業(yè)壓力管道常常帶“病”運(yùn)行，導(dǎo)致泄漏和爆炸事故頻發(fā)。

 

隨著使用年限增加，管道內(nèi)外壁會(huì)受傳輸介質(zhì)和外力的沖擊、腐蝕等因素的影響而加速老化，出現(xiàn)泄漏、裂痕、磨損和變形等問題，因此必須定期對(duì)其進(jìn)行有效檢測(cè)和維護(hù)。

 

目前的管道無損檢測(cè)技術(shù)包括電測(cè)法、化學(xué)法、聲波和超聲波法、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)、熱成像法等。

 

江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院聯(lián)合南京航空航天大學(xué)的科研人員設(shè)計(jì)了一套管道超聲爬行機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)管道超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)采集和傳輸。系統(tǒng)采用環(huán)形陣列探頭結(jié)構(gòu)和水囊耦合技術(shù)，對(duì)直徑為159 mm、壁厚為4.8 mm的彎頭管道和直徑為159 mm、壁厚為6 mm的直管進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，為管道壓力容器的安全檢測(cè)提供了重要技術(shù)支持。

 

檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 

1、水囊耦合環(huán)形陣列探頭設(shè)計(jì)

 

使用相控陣超聲技術(shù)檢測(cè)壓力管道內(nèi)壁時(shí)，曲面結(jié)構(gòu)和缺陷位置等因素可能導(dǎo)致聲束畸變和偽像產(chǎn)生，影響定位和定量分析的準(zhǔn)確性。曲面結(jié)構(gòu)與常規(guī)探頭難以實(shí)現(xiàn)完全貼合接觸，可能引發(fā)聲能反射和扭曲，影響檢測(cè)可靠性，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題包括優(yōu)化探頭設(shè)計(jì)和確保聲波覆蓋所有檢測(cè)區(qū)域。

 

基于以上問題，在檢測(cè)直徑為159 mm管道的基礎(chǔ)上，以與管道內(nèi)徑比為1:1的直徑來設(shè)計(jì)內(nèi)探輪式探頭，探頭直徑為142 mm，型號(hào)為5CC128-2.1×20（中心頻率為5 MHz，整圓陣列，128陣元，相鄰陣元中心間距為2.1 mm，單個(gè)晶片陣元長(zhǎng)度為20 mm），探頭設(shè)計(jì)尺寸及其實(shí)物如圖1所示。

 

圖1 探頭設(shè)計(jì)尺寸及其實(shí)物

 

為了減少聲波能量在楔塊-試樣界面的損失，凝膠或者填充液體的膜可替代固體楔塊形成探頭與試樣之間的良好耦合。探頭水囊部分采用具有高透聲性能的材料制作，具有一定的彈性，可以保證良好的管徑適配能力。探頭內(nèi)置于膠膜之中，出線處采用了防水格蘭頭，故其有良好的密封性。

 

探頭在使用前先向膠膜內(nèi)部注水，膠膜內(nèi)部充滿水后，如果內(nèi)部產(chǎn)生了氣泡，可以通過排水氣螺釘將內(nèi)部氣體排出，以保證檢測(cè)效果。

 

2、管道爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)

 

用于管道內(nèi)部相控陣超聲檢測(cè)的爬行機(jī)器人由前端驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、尾部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，以及控制終端組成，如圖2所示。其中檢測(cè)機(jī)構(gòu)位于前端驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和尾部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間，三個(gè)機(jī)構(gòu)通過連接件與萬(wàn)向節(jié)連接。機(jī)器人與位于管道外部的控制終端采用復(fù)合電纜線連接，進(jìn)行通信。

 

 

 

圖2 管道爬行機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成及實(shí)物

 

機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由前端和尾部驅(qū)動(dòng)組成，采用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)，通過減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳遞動(dòng)力到主動(dòng)輪，使機(jī)器人行走。

 

檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括相控陣超聲模塊和耦合裝置模塊，負(fù)責(zé)超聲波的發(fā)射接收和保證探頭與管道內(nèi)壁的良好接觸。

 

終端控制通過上下位機(jī)協(xié)調(diào)合作，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的精確控制等功能。

 

簡(jiǎn)而言之，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)行走，檢測(cè)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)探測(cè)，控制終端負(fù)責(zé)管理。

 

管道缺陷檢測(cè)及結(jié)果分析

 

試驗(yàn)儀器采用32/128通道的HSPA30-E型相控陣檢測(cè)儀，采用上述128陣元環(huán)形陣列探頭。原計(jì)劃以管道爬行機(jī)器人帶動(dòng)環(huán)形相控陣探頭在管道中勻速自動(dòng)前進(jìn)，但是由于探頭和機(jī)器人之間的連接組件還未設(shè)計(jì)完成，故以下試驗(yàn)均采用人工手推探頭在管道中進(jìn)行測(cè)試，探頭和管道之間采用水耦合。

 

彎管檢測(cè)試驗(yàn)

 

進(jìn)行彎管檢測(cè)試驗(yàn)的彎頭管道實(shí)物如圖3所示，紅框區(qū)域存在一個(gè)人工加工的缺陷，因?yàn)闄z測(cè)時(shí)不僅要保證探頭的勻速推進(jìn)，而且要保證探頭與彎頭管道耦合良好，但是加工的缺陷位置與彎管端頭有一定距離，手持探頭檢測(cè)時(shí)難以實(shí)現(xiàn)高同心度和良好耦合，所以在試驗(yàn)中探測(cè)的區(qū)域主要位于管端彎頭處，用于驗(yàn)證水囊耦合探頭的性能。

 

圖3 彎頭管道實(shí)物

 

為使檢測(cè)過程簡(jiǎn)易，將彎頭管道置于凹形槽上并固定，連接探頭與設(shè)備，人工手動(dòng)緩慢將探頭逐步向前推進(jìn)，同時(shí)在探頭前方噴涂水進(jìn)行耦合。彎頭管道檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)及其相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

 

 

 

圖4 彎頭管道檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)及其相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果

 

由檢測(cè)結(jié)果可以看出探頭與管道之間具有良好的耦合效果，圖中藍(lán)色框內(nèi)表示的是水囊探頭與管道鋼界面的回波，紅色框內(nèi)多次且呈規(guī)律的A掃描信號(hào)為鋼管的底波反射信號(hào)，通過查看相鄰兩個(gè)A掃描底波反射信號(hào)之間的時(shí)間差，可以計(jì)算得到管道的壁厚。

 

直管檢測(cè)試驗(yàn)

 

進(jìn)行直管檢測(cè)試驗(yàn)的直管實(shí)物如圖5所示，圖中用紅框標(biāo)出了4個(gè)人工加工缺陷，整根管道采用三截管道拼接而成，焊接時(shí)焊縫余高未處理干凈，導(dǎo)致焊縫處管道內(nèi)徑變窄，環(huán)形相控陣探頭無法通過焊縫區(qū)到達(dá)缺陷區(qū)，故在近端處加工了兩個(gè)直徑分別為2 mm和3 mm，深度為3 mm的平底孔，管道內(nèi)焊縫余高及加工的平底孔形貌如圖6所示。

 

圖5 用于檢測(cè)試驗(yàn)的直管實(shí)物

 

 

 

圖6 管道內(nèi)焊縫余高及加工的平底孔形貌

 

通過手動(dòng)推進(jìn)的方式，將探頭緩慢推入管道內(nèi)部，對(duì)近端處直徑為3 mm，深度為3 mm的平底孔進(jìn)行缺陷檢測(cè)，壁厚6 mm直管檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)及檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

 

 

 

圖7 壁厚6 mm直管檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)及檢測(cè)結(jié)果

 

圖7(b)中左側(cè)線掃描視圖紅色框內(nèi)為人工缺陷信號(hào)回波，對(duì)應(yīng)于右側(cè)視圖中的A掃描信號(hào)，通過移動(dòng)閘門獲取底波信號(hào)，前后比較可知缺陷回波差值為3 mm，與事先設(shè)置的平底孔缺陷大小一致，說明該環(huán)形探頭對(duì)于缺陷的檢測(cè)靈敏度高。

 

但由于試驗(yàn)采用的直管壁厚僅為6 mm，缺陷信號(hào)與界面回波信號(hào)不易區(qū)分，故為了進(jìn)一步驗(yàn)證探頭的檢測(cè)能力，將壁厚為6 mm的原直管換為壁厚為20 mm的新直管，并在距離其管端30 mm處加工了直徑為2 mm和3 mm，深度為10 mm的平底孔缺陷，其形貌如圖8所示。

 

圖8 壁厚20 mm直管上的平底孔缺陷形貌

 

按照之前的檢測(cè)步驟對(duì)新管道進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)及檢測(cè)結(jié)果如圖9所示，可以看出圖9(b)中左側(cè)線掃描圖中的缺陷顯示，經(jīng)過測(cè)量可以驗(yàn)證缺陷檢出尺寸與加工的人工缺陷尺寸一致，表明探頭信噪比良好。

 

圖9 壁厚20 mm直管上的平底孔缺陷檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)及結(jié)果

 

結(jié)語(yǔ)

 

1、開發(fā)設(shè)計(jì)了一套針對(duì)壓力容器管道的相控陣超聲爬行機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)，試驗(yàn)證明，其能夠?qū)崿F(xiàn)管道的快速全覆蓋檢測(cè)，提高了檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性。

 

2、設(shè)計(jì)了一種環(huán)形陣列相控陣探頭，通過水囊耦合裝置，該探頭能對(duì)管道進(jìn)行全覆蓋快速檢測(cè)并且與管內(nèi)壁貼合良好，具有良好的密封性，不會(huì)產(chǎn)生漏水現(xiàn)象。

 

3、實(shí)際彎頭管道和直管道的檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的探頭在保持較高同心率的同時(shí)，對(duì)于人工缺陷具有較高的檢測(cè)靈敏度，對(duì)于厚壁管道的檢測(cè)信號(hào)也具有較高的信噪比。

 

來源：《無損檢測(cè)》2024年10期

 

作者：丁春雄1，傅姜2，王海濤2，王晉1，任毅1，鄭凱1

 

工作單位：1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院；2.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院

 

第一作者簡(jiǎn)介：丁春雄，高級(jí)工程師，主要從事承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)、無損檢測(cè)新技術(shù)的應(yīng)用研究工作。