油气输送埋弧焊接钢管超声波自动探伤系统的研制与应用

分析了油气输送埋弧焊接钢管超声波自动探伤系统的组成结构、检测原理、实施方案以及应用状况。该系统采用单元化和模块化结构设计，可任意组合成探伤通道数为１～Ｎ的数字化多通道超声波自动探伤系统。配合探伤操作程序，可做到对复杂缺陷回波的准确评价和严格筛选，有效地避免了系统的误报警，实现了缺陷的自动判别、自动报警、自动存储和缺陷波形动态回放，提高了超声波自动探伤检测的准确性和可靠性，误判率＜２％，漏检率为０。

超声波检测是一项比较完善和成熟的技术，多年来一直是油气输送埋弧焊接钢管生产企业生产检测中的重点和主要检测方法，可以实时、快速、可靠地检测出被检油气输送埋弧焊接钢管内部组织的缺陷，为生产工艺的调整提供依据。由于超声波自动探伤检测使用的不是连续波，而是有一定持续时间、一定频率间隔发射的超声脉冲，而且其回波信号是暂态信号，具有高频特性，埋弧焊接钢管探伤采用不同的超声波探伤方法时探伤准确性相差比较大。另外由于探头的不断磨损、缺陷几何形状的差异及各种复合缺陷所形成波形的不确定性，埋弧焊接钢管超声波自动化探伤的技术难度较大，人为因素影响也很大。如何提高探伤结果的有效性、可靠性，并方便灵活地执行各种不同的国内外探伤标准便成了自动化探伤的重点。

目前国内外的多通道油气输送埋弧焊接钢管超声波自动探伤设备均属于定制产品，设备生产厂家根据埋弧焊接钢管生产企业要求进行专门设计。埋弧焊接钢管生产企业的要求千变万化，如有要求探伤速度高的，有要求探伤通道数多的（多达８Ｎ个通道），也有要求设备经济实用的。下面介绍一种油气输送埋弧焊接钢管超声波自动探伤系统的研制与应用。

１检测对象、方法和检测原理

１．１检测对象及方法

探伤系统检测的油气输送埋弧焊接钢管产品规格为：螺旋埋弧焊管直径２１９～１８９９ｍｍ、壁厚６～２５．４ｍｍ，产品标准ＡＰＩｓｐｅｃ５Ｌ，ＩＳＯ３１８３，ＧＢ／Ｔ９７１１，ＳＹ／５０３７和５０４０等，长度８～１２．４ｍ，材质ＡＰＩｓｐｅｃ５Ｌ钢级Ａ～Ｘ１２０等。超声频率范围２．５～２０ＭＨｚ、仪器重复频率５００Ｈｚ～４ＫＨｚ、管材探伤速度（连续可调）ｖ为３～１２ｍ／ｍｉｎ、衰减量≥１２０ｄＢ、衰减器精度为每１２ｄＢ≤±０．５ｄＢ、每个横波探头远场（１５０ｍｍ）有效声速（－３ｄＢ）宽度≥４ｍｍ，灵敏度余量为使用２．５ＭＨｚ的２０ｍｍ直探头时在２００ｍｍ处２ｍｍ平底孔的余量≥５０ｄＢ。

探伤系统的检测方法为水膜耦合式超声波连续探伤，其可对钢管进行水压前管端焊缝及焊缝全长１００％连续探伤和水压后管端焊缝、焊缝全长及焊缝母材１００％连续探伤。通道数５６个（可选配至２５６个），每一个通道可带２个探头，采用双晶探头一发一收方式。采用５ＭＨｚ的１６ｍｍ双晶水膜耦合式探头检测焊缝两侧热影响区５ｍｍ范围内的分层缺陷；采用２．５ＭＨｚ的８ｍｍ×１０ｍｍ横波探头及４ｍｍ×６ｍｍ耦合状态监视纵波探头组成的复合探头检测焊缝内部缺陷；采用５ＭＨｚ的６ｍｍ×２５ｍｍ双晶纵波探头检测管体母材分层缺陷。

１．２检测原理

探伤系统某一通道的信号工作时序图如图１所示。系统在计算机给定的时钟下同步工作，每ｎ个周期为一个循环（ｎ为探头设置个数）。计算机时钟信号即为系统的同步基准脉冲，它的一个周期就是一个通道的工作周期。当各通道开始产生发射脉冲时，触发器经计算机时钟信号的上升沿触发置１，持续高电平。当有伤波和底波时，被触发置０，高电平终止，这样就形成一段时间的高电平。系统通过读高电平时间即可得到伤波和底波时间并转换成相应数字量Ｆｔ，Ｂｔ。如果此通道周期没有伤波和底波返回，这样高电平持续到计算机时钟信号下降沿时被触发变成低电平，从而形成Ｔ／２宽度的高电平。现场检测的超声反射回波一般都在Ｔ／４以内，因此≥Ｔ／２的高电平被系统确认为无效的Ｂｔ，Ｆｔ信号，不作处理。

底波峰值Ｂｖ和伤波峰值Ｆｖ信号在伤波和底波出现之前，保持为０Ｖ电压；在伤波、底波产生的瞬间１μｓ之内，经峰值采样保持电路快速充电形成对应高度的直流电压信号。如１００％波高量对应２Ｖ电压，５０％波高量即对应１Ｖ电压。该直流电压信号一直保持到计算机时钟信号的下一个上升沿到来时止，被触发后迅速放电到０Ｖ电压。然后到下一个通道周期再被伤波、底波触发充电形成一定幅值的电压，供计算机作Ａ／Ｄ处理。Ｂｔ，Ｆｔ，Ｂｖ，Ｆｖ信号是探伤系统实现探伤灵敏度自动设定、报警闸门自动设置、灵敏度闭环控制、闸门实时跟踪以及缺陷智能化识别的判断处理依据，是计算机执行智能判伤软件的重要数据。

２实施方案

２．１系统组成结构

系统整体组成结构采用由计算机总站（ＩＰＣ主机）、探伤计算机（下位机）、超声发射单元、超声接收单元、高速数据处理单元（卡）、超声探头阵列、以太网、显示器以及探伤控制系统软件（探伤计算机软件和计算机总站软件）等组成。系统的硬件平台采用集检测、控制和管理为一体的主从式控制网络形式，选用一台高性能的工业控制计算机（ＩＰＣ）作为计算机总站，对整个系统进行管理、高速数据采集和处理及用户的可视化操作。以探伤计算机为主构成的下位机外围硬件设备执行分布式检测与控制任务，并统一管理控制超声发送单元、超声接收单元、高速数据处理单元（卡）、超声探头阵列等。采用标准、高性能的工业控制计算机（ＩＰＣ）作为计算机总站，吸收了虚拟仪器设计思想，以便实现多通道智能化管理。其中每个计算机总站可以通过以太网连接Ｎ个探伤计算机，在每个探伤计算机内可以插入三个高速数据处理卡，每个高速数据处理卡可以连接８，４，２，１个发送和接收单元，使得系统的探伤通道数最少为１个通道，最多为８Ｎ个通道。系统整体组成结构如图２所示。

２．２计算机总站（ＩＰＣ主机）

计算机总站用于管理检测系统的硬软件资源，是整个检测系统的核心。具有管理功能的计算机总站需要对探伤计算机发布命令，通过它运行缺陷判伤诊断程序、控制信号的采集和处理，并专门从事８×ｎ路回波信号的高速数据采集与处理、缺陷波形图像处理、编辑探伤报告等工作，设置系统探伤初始数据并内含功能丰富的用户应用软件。其中自动探伤程序实现增益及闸门自动设置、增益闭环自动控制和闸门实时跟踪，另外执行针对不同被检对象所编制的缺陷判伤诊断程序，从而大大提高系统的抗干扰和免误报能力。计算机总站与探伤计算机实时通讯，并将计算机总站、探伤计算机所有缺陷回波信息进行综合处理，完成图像处理及屏幕显示、设定与修改探伤计算机参数、打印表格、报表并显示声光报警等功能。

２．３探伤计算机（下位机）

探伤计算机产生使整个系统协调工作的同步脉冲信号并向计算机总站发送通道标志信号，使计算机总站确定系统循环于哪个通道；若发出一窄脉冲中断请求信号，使计算机总站响应中断，处理每通道的回波信息并判伤报警；受计算机总站控制，发出相应的二进制编码来控制超声系统的衰减量、抑制电平等；发出同步脉冲信号作为时基标准，循环发出各通道的伤波闸门Ｆｇ和底波闸门Ｂｇ。底波闸门时间内采集的回波波形被系统确认为底波，同理在伤波闸门时间内采集的回波波形被系统确认为伤波。初始工作时，计算机总站送来命令控制字，设定各通道闸门的起始位置和宽度，接收从超声系统送来的Ｂｔ，Ｆｔ信号并分析处理，然后传送给计算机总站，并在下一次循环工作到本通道时，将重新调整的闸门起始位置和宽度发送给超声系统，并接收计算机总站发送出的通道判伤时序报警信号、耦合监视报警信号，继而发出报警信号以及在被检测的石油专用管材表面喷涂缺陷标识。可将超声系统送来的底波、伤波的波高保持，电压值的直流电压信号Ｂｖ，Ｆｖ直接转换为数字量并测量伤波时间Ｆｔ和底波时间Ｂｔ，然后将转换结果传送给计算机总站，实时调整超声系统中相应通道的衰减量，实现增益闭环自动控制及控制通道的增益等调节量。

２．４超声发送单元

超声发送单元的主要功能是把高速数据处理单元（卡）发出的同步信号，经脉冲整形驱动，通过多路开关到制定的驱动电路，对该通道的超声波探头发出宽度可调的超声波高电压脉冲信号。将单稳态触发器、驱动器、多路开关、可编程门阵列（ＣＰＬＤ）以及八个驱动电路依次连接组成，可做成８，４，２，１四种通道发送单元模块。从高速数据处理单元（卡）发出的同步信号进入超声发送单元的可编程门阵列（ＣＰＬＤ），通过可编程门阵列（ＣＰＬＤ）内部程序的编写，输出信号Ａ和Ｂ，去控制多路开关的通断；从高速数据处理单元（卡）发出的同步信号通过单稳态触发器、驱动器、多路开关进入相应的八个驱动电路，驱动连接到超声探头的发射端晶片。其中有八个功能相同的驱动电路，通过四个驱动器并联驱动后的信号，经过电阻的上拉，进入场效应管放大后，在４００Ｖ高电压的作用下，再经过电阻和二极管，产生激发超声探头晶片的高电压脉冲，使得超声探头发射超声波，通过耦合剂进入到被检测的石油专用管材组织内部。

２．５超声接收单元

超声接收单元可做成８，４，２，１四种通道的接收方式，其主要功能是选用新型的优质放大器，低噪声、高保真地把超声波探头回波信号放大到一定水平，使其抗干扰性能大大增强，在工业现场进行１００ｍ以内宽带传输，能保证整体设备性能指标。超声探头发射超声波，通过耦合剂传到被检测的焊管组织内部，遇到缺陷后，因缺陷的声阻抗与焊管的声阻抗相差很大，会产生反射波返回到超声探头。经过超声探头的接收端晶片接收到超声回波信号后，转换成回波电信号。经超声接收单元放大器放大和高速模／数转换器转换后，送给高速数据处理单元进行石油专用管材的超声波自动探伤。

接收单元线路是由４个驱动电路、多路开关、低噪声放大器和可编程门阵列（ＣＰＬＤ）依次连接组成，每个驱动电路由电阻连接二极管和稳压管，并连接三极管，再与滤波电阻连接到多路开关的相应管脚上，其中电源的＋５Ｖ和－５Ｖ通过电感连接到三极管的集电极和发射极电阻的另一端。从高速数据处理卡发出的同步信号进入发送单元的可编程门阵列（ＣＰＬＤ），通过可编程门阵列（ＣＰＬＤ）内部程序的编写，输出信号Ａ和信号Ｂ去控制多路开关的通断。

２．６高速数据处理单元

高速数据处理单元的核心是以高速数据处理器为核心的数据处理卡，其结构如图３所示，由两级可编程放大器单元、高速数据处理单元、计算机接口单元三部分组成。接收单元处理后的回波信号进入第一级数字可编程放大器，第一级数字可编程放大器是由ＤＳＰ的数据线经过驱动器驱动后的三个输出端控制，依次可以控制不同的分贝数（ｄＢ），通过多路开关把不同衰减的回波送到低噪声放大器后，进入第二级数字可编程放大器。第二级数字可编程放大器是由增益可编程线型放大器通过高速数据处理器的串行口控制，增益范围可在０～５３ｄＢ变化。信号经过增益放大后，再送到低噪声放大器再次放大，经二极管检波放大器放大后的信号送到高速数据处理单元。

高速数据处理卡的作用就是对小信号进行放大，对大信号进行衰减，以保证足够的动态范围，并对一定范围内的回波信号进行实时波形采集以及将高速采样波形在ＩＰＣ主机的显示器上显示。接收ＩＰＣ主机发出的命令，确定波形采集的起始时间和宽度，以此选择采集有效的回波区域。

高速模／数转换器完成电信号的模拟／数字转换。信号首先通过两级可编程增益运算放大单元放大，然后进入高速模／数转换器的输入端，把模拟信号转换为８位的数字信号。通过８位进１６位出的高速先进先出缓冲器，把转换的数字信号送到高速数据处理器。高速数据处理器可达１００ＭＨｚ的速度，其存储器为１６ｋ，还具有ＤＭＡ的功能，因此处理数据的速度非常快。高速数据处理器处理后的数据经过它本身的并行口ＨＰＩ把数据快速传送到计算机接口单元的可编程门阵列器件（ＣＰＬＤ）的管脚上。运算放大器的增益通过一个数／模转换器由复杂可编程门阵列器件（ＣＰＬＤ）控制，ＣＰＬＤ把所有信号通过ＰＣＩ总线接口送入ＩＰＣ主机进行数据处理和分析，并对采集的数据进行处理后实现波形再现。

２．７系统软件设计

系统的应用软件程序由计算机总站软件和探伤计算机（下位机）软件、两层次软件组成，采用ＶＣ＋＋编写。计算机总站软件在计算机总站的计算机中的程序主要完成实时网络接收数据、处理综合数据、形成探伤报告、自动报警、波形回放、存档和打印等功能。自动报警通过比较回波波高的幅值，当回波波高的幅值超过设定的缺陷灵敏度幅值时，自动报警功能就会发出报警信息；存档功能模块记录探伤参数和探伤结果；波形回放功能模块可以回放出伤波图形、位置、时间。探伤计算机（下位机）软件是指在嵌入式系统（或工业控制计算机）中的程序，它主要完成综合数据的采集、实时显示、实时网络发送数据、实时改变采样参数和改变回波的衰减等功能。系统首先构建了虚拟仪器面板并采用窗口切分技术对操作人员进行指导和提示。进入检测时，虚拟仪器面板生成的可视化仪器参数设定窗口首先呈现给操作人员，操作人员可从虚拟仪器面板的参数设定窗口上选择项目，完成系统的设置及钢管的检测。由于该软件所要检测的内容较多，程序设计庞大复杂，所以按照程序模块化的设计思想，设计了数据采集、探伤检测、判伤报警、缺陷图像处理、缺陷波形回放等相对独立的模块。由于软件的模块化、开放性和灵活性的特点，当用户的检测需求发生变化时，可以方便地由用户自己来增减硬软件模块或重新配置现有系统以满足新的检测要求。程序中可以灵活多样地设置采样频率、通道和采样点数，方便了采样过程并实时显示检测过程和结果，可以将检测波形和数值的形式显示在显示器上。实现了８×Ｎ通道波形的实时显示，波形间可任意切换。

作为一种数字化多通道自动探伤系统，在ＶＣ＋＋的平台上构建一个通用探伤的数据库，用户不但可以根据实际需求选择相应的探伤标准和探伤设备的技术指标，而且在软件平台的支持下，因具有开放性的构成方式，可以实现对系统硬件和软件的重构。例如，根据回波信号的特点和探伤检测现场的干扰状况，选择不同的滤波器结构、参数和不同的实时报警策略，可调用多种用户应用软件，并方便灵活地执行各种不同的国内外探伤标准，充分体现了虚拟仪器的灵活特点。

２．８系统检测图像化输出和缺陷波形回放

检测系统通过计算机控制的阵列式超声探头对被检测对象进行扫描，并将被检测对象内的缺陷响应送入计算机。计算机对这些缺陷采样数据进行统计、分析、判断、处理、计算后，给出被检测对象内部缺陷的各个断面或截面的图像及计算机三维图像重构的平面展开图，以便做进一步的分析和确认，最终完成对被检测对象内部缺陷的形状、尺寸、位置、数量、密集度、合格与判废等资料的图文报告及其贮存、打印或网上传送。

现场超声波自动化探伤检测是单向、单程的，一般不允许往复检测，因此需要有一次通过的检测准确率。但是在现场动态生产条件下，在线伤一过即逝，一旦漏检误判便无法追回和验证。为此系统采用ＰＣＩ总线的高速采样和高速数据处理技术，检测过程中一旦有缺陷信号响应，缺陷图像处理模块立即备份并全部存储，然后操作人员可根据需要进行动态波形和缺陷图像的显示回放，以便做进一步的分析和确认，有效地克服了超声波自动化探伤检测中的缺陷种类难以识别的不足，提高了探伤检测的准确性和可靠性。

３系统检测应用

该型超声波自动探伤系统经过四年多的现场使用和完善，效果良好，误判率＜２％，漏检率为０，已向国内外各油田用户交付使用。经过该系统检测的各种直径规格钢管，累计达４２万ｔ，探伤质量稳定可靠。自２００８年１２月起，连续４年通过辽宁省计量科学研究院每年一次的周期检定，２０１１年１２月辽宁省计量科学研究院对该系统的年度周期检定结果如下：

（１）管材规格外径１２１９ｍｍ、壁厚１８ｍｍ。

（２）检定参数探伤速度（连续可调）３≤ｖ≤１２ｍ／ｍｉｎ；仪器重复频率５００Ｈｚ～４ｋＨｚ；分层探头工作频率５．０ＭＨｚ；纵、横向缺陷探头工作频率

５ＭＨｚ。

（３）仪器性能水平线性≤１．０％；垂直线性≤０％；动态范围≥３０ｄＢ。

（４）综合性能检测重复性≤１ｄＢ；检测稳定性≤１ｄＢ；信噪比＞１８ｄＢ；漏检率＝０；误判率≤２％；管端检测盲区≤１００ｍｍ。

由上可见，系统的各项技术参数指标均满足ＡＰＩｓｐｅｃ５Ｌ标准中的探伤检测要求。

４结论

综上所述，研制的超声波自动探伤系统不但客观上保证了油气输送埋弧焊接钢管检测的准确性和高效率，而且降低了探伤检测的生产成本，克服了探伤检测中许多人为因素的影响。同时系统设计具有兼容性、通用性，能满足不同生产的要求，其缺陷波形动态回放有效地克服了超声波自动化检测中的缺陷种类难以识别的不足。但该系统与国外先进的检测设备相比仍存在一定差距，后续应以超声波传感器部分和信号处理部分的性能提高为重点和主要研究方向，带动电子线路的研究开发，以进一步提高自动化探伤的检测效率、检测精度和检测稳定性，减小缺陷的误判率。