1前言
管道运输作为一种高效的专用运输手段，已在石油天然气运输等领域发挥了越来越大的作用。国内大口径运输管线目前主要采用螺旋焊接钢管建造。为保证运输管线的可靠运作，必须严格保证所使用的螺旋钢管的质量。因此，需要在钢管出厂前对焊缝进行无损探伤检查，以消除隐患。
在欧美发达国家，人们对钢管的无损检测认识得比较早，在检测设备的研制和使用上进行了大量的投入。同国外相比，我国的检测设备水平比较落后，对钢管焊缝的检测基本上还是采用手动或半自动设备进行，因为检测效率极低，通常只能采用抽查的方法，无法完全检测出每根钢管中可能存在的缺陷。在各种国际性招标活动中，通常都要求参与投标的钢管生产企业具有比较完善的检测措施，一些企业虽然花费巨额资金从国外引进了一些自动检测设备，但由于国内生产和检测配套条件的限制，其使用效果往往并不理想，结果导致许多引进设备处于闲置状态，浪费了大量的资金。目前的情况大大限制了国内钢管生产企业的国际竞争力。因此，钢管焊缝的无损检测一直是各企业难以解决而又亟待解决的重要问题，迫切需要开发一种适合于我国生产条件的自动化焊缝检测设备。本文将首先介绍一种用于螺旋焊接钢管焊缝检测的自动化超声波探伤系统整体组成，然后介绍作为检测设备核心的焊缝跟踪机构的机械和电气结构，并介绍了系统自动探伤的工作过程。
2探伤系统组成
焊缝探伤比较有效的手段是采用脉冲反射式超声波检测技术。由于主要是判断是否存在缺陷，这里我们采用A型显示(A扫描)的超声波探伤仪。它利用超声波的反射特性，在荧光屏上以纵坐标代表反射回波的幅度，以横坐标代表反射回波的传播时间，根据缺陷反射波的幅度和时间来确定缺陷的大小和存在的位置，如图1所示。图中，T为工件表面反射波，F为缺陷波，B为底面反射波。
激光测距原理的扫描式焊缝位置传感器，它使用激光测距传感器作为距离敏感元件，采用一个往复扫描机构，通过扫描获取钢管焊缝的二维图象，提供给工业控制计算机提取钢管焊缝信息，用来对钢管焊缝实现自动跟踪。这种传感器具有精度高、抗干扰、数据处理简单等优点。
(4)焊缝传感器接口卡。焊缝位置传感器本身也是一个伺服系统，需要实时地对扫描机构的运行进行控制，同时还要采集扫描的位置和焊缝的高度信息，以便于工控机提取焊缝的特征。为此采用单片机作为控制核心设计了从计算机系统，通过ISA总线与工控机相连。使系统以一定的时序独立工作，实现对扫描机构的控制、焊缝位置信号的采集以及数据的预处理和传输。为了实现扫描速度曲线的优化，采用零相位跟踪方法控制扫描机构，以便获取尽可能多的有效采样数据，对获取的焊缝数据使用小波分析方法提取焊缝的位置。
(5)交流伺服电机及驱动器。考虑到设备的定位精度要求较高，采用两台交流伺服电机作为两个自由度的驱动元件。焊缝位置检测单元获取的是焊缝的水平和垂直方向的偏差量，所以伺服电机都采用位置控制方式，电机采用光电编码器作为反馈元件，位置伺服精度最高可达到5个脉冲当量，小于机械结构的间隙值，完全能够满足系统的跟踪精度要求。
(6)定时器/计数器用于对两台伺服电机的控制。其中计数器用于测量系统的当前位置，提供给工控机以实现整个系统的闭环，定时器用于向伺服电机驱动器发出指令，控制电机的转速和转角，实现位置控制。
5自动检测过程
本文所介绍的自动超声探伤系统工作时，采用下述自动检测流程：
(1)运输小车接受钢管，移动到检测初始位置；
(2)轨道上的光电传感器检测到钢管前端后，给出“钢管准备好”信号，停止小车的进给，探头系统和焊缝位置传感器落到钢管表面，焊缝位置传感器开始扫描，旋转钢管寻找焊缝；
(3)焊缝初始定位后，启动运输小车，探伤仪启动，开始自动探伤；
(4)检测到钢管末端后，抬起探头系统，探伤仪和跟踪机构复位；
(5)运输小车将钢管运到分级拨管位置，卸下钢管，继续下一个检测周期。
在钢管的自动探伤过程中，可随时将系统切换为手动方式，此时，操作人员可根据显示器上的焊缝三维综合图象进行焊缝的手动跟踪。系统采用了多级保护措施，可在紧急情况下采取相应的操作，以防止对系统造成损害。
6结论
焊缝的自动无损检测是保证钢管质量的一种重要手段，但实现起来具有一定的困难。由于采用了合理的结构和测试技术，尤其是激光测距式焊缝位置检测单元的设计和使用，使得本文所设计的超声自动探伤仪具备了进行焊缝超声探伤所要求的跟踪速度和精度。本系统的样机已在实际生产环境中进行了实验，结果表明，系统能够满足螺旋焊接钢管焊缝检测的基本要求，说明其设计思想是正确的。由于实际应用环境比较复杂，存在各种光、电干扰以及周围环境的机械震动，目前需要在系统的抗干扰性以及检测元件的小型化方面进行进一步的工作，以使系统能够适应钢管生产过程中的复杂环境。
作者单位：哈尔滨工业大学
参考文献
［1］胡建恺、张谦琳，超声检测原理和方法，中国科技大学出版社，1993年。
［2］IsaoNakatsugawa,TrackingofSeamWeldingbyVisionSystem“LaserVision”.Robot,1991,No.83:90-95.
［3］吴敏生、李路明等，一种三维光机扫描系统的研究，清华大学学报(自然科学版)，Vol.37,NO.8,1997:29-31.
［4］AndrewN.Vaverect,etc.,AnAdaptiveSeamTrackerforWeldingHeavy-SectionAluminum.IEEETransactionsonIndustrialApplications,Vol.25,No.4,July,1989:658-662.