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畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告 1 結合畢業(yè)設計課題情況 根據所查閱的文獻資料 撰寫 2000 字左右 的文獻綜述 文 獻 綜 述 無損檢測作為無縫鋼管生產的后續(xù)工序 在保證產品質量方面 起著不可估量的 作用 是提高產品附加值的有力手段 對于使用在一定溫度和壓力范圍的無縫鋼管 國內質檢部門也相應規(guī)定采取渦流探傷或超聲探傷 而對于使用在高溫高壓場合的無 縫鋼管 則需要同時使用渦流探傷和超聲探傷 超聲無損檢測技術 由于其掃描的深 度大 可以檢測到近外表面以下至鋼管內壁的缺陷 因此在無縫鋼管的生產中被廣泛 使用 1 1 課題介紹 在現(xiàn)代工業(yè)進程中 無縫鋼管主要應用于石油 化工 汽車 船舶 建筑 地質 勘探 核工業(yè)以及軍工等行業(yè) 涉及面之廣可見一斑 1 因此 人們形象地將無縫鋼 管稱作 現(xiàn)代工業(yè)的血管 其舉足輕重的工業(yè)地位已經不容置疑 無縫鋼管的生產歷 史可追蹤到新中國成立后不久 經過短短地幾十年發(fā)展 中國已經成為世界上最大的 鋼管生產國 最大的鋼管消費國和最大的凈出口國 但中國還遠不是鋼管生產強國 具體體現(xiàn)在 對于高鋼級 能滿足特殊介質腐蝕環(huán)境下使用的油井管 管線管和高參數(shù) 大容量電站鍋爐用管等高級專用鋼管還依賴于進口 高端生產設備和自動檢測設備依賴 于歐美國家的引進 創(chuàng)新能力不足 生產裝備國產化進程緩慢 技術附加值總體不高 質量控制有待進一步加強 尤其是后續(xù)的鋼管無損檢測重視程度不夠 設備配置水平 較低 正是因為存在這些待改進的關鍵因素 使得部分發(fā)達國家對中國出口的無縫鋼 管提出反傾銷和反補貼的調查提案屢見不鮮 如何提高無縫鋼管的附加值和質量 提 升國內外無縫鋼管的市場競爭力 減少出口貿易摩擦 成了當前無縫鋼管行業(yè)必須要 面對的抉擇 而隨著科技的日益進步 無縫鋼管的質量檢測與評價技術的研究普遍學 術界與工程界的重視 3 4 鋼管的連續(xù)生產工藝決定了檢測設備需要全天工作 2 因此 監(jiān)測設備應具有比 較高的工作可靠性 其次 無縫鋼管的使用一般都是其關鍵部件 對其在軋鋼的制作 過程中所形成的最小缺陷有非常嚴格的要求 檢測設備應該滿足高精度的要求 再次 為了使產能增加 檢測速度與生產速度應該同步 這就要求檢測設備應該具有非常高 的探傷速度 2 5 7 無損檢測是檢測無縫鋼管質量的最有效也是最科學的方法 6 其特點是不損害檢 測對象的使用性能 應用多種物理原理以及化學現(xiàn)象 對各種工程材料的零部件 結 構件進行有效的檢測與測試 以此來評價其連續(xù)性 完整性 安全性 可靠性以及其 物理性能 在檢測中 主要檢測構件材料中是否有缺陷 并對缺陷的位置 形狀 大 小 內含物 分布以及取向等方面進行檢測 能夠提供組織分布應力狀態(tài)以及機械和 物理量等方面的信息 1 2 6 1 2 國內外研究現(xiàn)狀 目前 國內知名的大型無縫鋼管生產商的高端超聲無損檢測設備一般都依賴于進 口 如上海寶鋼使用的是德國的 Mannesmarm 公司設計的超聲自動檢測系統(tǒng) 天津鋼管 有限責任公司的則使用了德國 KarlDeutsch 德國 Nukem 日本三菱等公司設計的超聲 檢測設備 武鋼則引進了德國本特勒公司的檢測設備 縱觀整條生產線裝備 多國化 已形成基本局面 產品質量是產品立足于國內外市場的基石 國內無縫鋼管行業(yè)如不 加快自動無損檢測設備的自主研發(fā) 意味著在不久的將來陷入兩難的局面 一方面 受國際原材料和運輸費用的繼續(xù)上揚 人民幣持續(xù)升值等因素的影響 國內無縫鋼管 的生產成本在不斷提升 2008 年鐵礦石基準價上漲 65 人民幣至少升值 8 一 10 與 此同時 國內的先進在線自動無損檢測設備一般引自歐美 設備購買和維護費用高昂 導致不少中小企業(yè)利潤低下 另一方面 國外無縫鋼管產能將在近幾年提升 國外幾大 能源和原材料大國正在加緊無縫鋼管產能增加的投入 如俄羅斯的 TMK 烏克蘭的州 TE 即 IPE 白俄羅斯 沙特阿拉伯 澳大利亞等 而這些國家中 絕大部分都擁有先 進的自主研發(fā)的技術裝備 生產調度靈活 設備淘汰更新較快 相比之下 中國的設 備更新代價昂貴 消化吸收慢 國產化進程緩慢 先進的在線無損自動檢測設備至今 仍被歐美壟斷 隨著近兩年來貿易摩擦的加劇 不排除貿易壁壘引起的高端設備引進 難度增大的可能性 為此 中國無縫鋼管產品的質量要想在未來的國際市場上立足并 且邁上鋼管生產強國的道路 必須加快無損檢測設備的國產化 在保證質量的基礎上 大幅度降低生產成本 在近幾十年中 國外在超聲波檢測的技術方面有了較大的發(fā)展 在無縫鋼管的檢 測領域大量的采用了超聲波檢測設備 其中 國外較為成功的超聲波檢測方法主要有 兩種 探頭靜止鋼管螺旋前進式 鋼管直線進給探頭旋轉式 1 探頭靜止 鋼管螺旋前進式 這種檢測方式比較簡易 一般在設備上布置多個探頭 用水做耦合劑 鋼管螺旋 親近經過探頭進行探傷 英國 Krautkramer 公司采用的超聲波大型鋼管檢測設備 GRP PAT 其應用方式即為這種檢測方式 GRP PAT 采用了模塊化相控振電子檢測裝置 VPA 其采用的是部分液浸探傷技術以 及螺旋式傳送方式 并配備小尺寸檢測機械裝置用于高速螺旋式鋼管傳送 其探頭液 浸器在鋼管上其導向作用 該設備不僅能夠用來檢測縱向和橫向缺陷 測量管壁厚度 以及分層缺陷 還可以用來檢測斜向缺陷 GRP PTA 只采用了一個液浸器 這樣能夠有 效的降低其切換次數(shù) 還能用來對關閉變形以及超聲耦合進行檢驗 8 2 探頭旋轉 鋼管直線進給式 探頭旋轉式檢測設備對無縫鋼管的傳動裝置的要求較低 能夠比較好的避免因鋼 管旋轉而造成的震動對其超聲信號的影響 從而大大提高其檢測速度 代表著在線超 聲波無損檢測系統(tǒng)的最高水平 在這一方面 國內相差甚遠 3 鋼管不旋轉直行 探頭靜止不動式 9 鋼管不旋轉直行 探頭靜止不動的工藝是目前國際上使用較少 僅限于直徑在 50mm 以下的工藝 其工作原理是儀器發(fā)射高平電脈沖 直接傳遞到探頭連接線上 觸 發(fā)探頭壓電晶片產生超聲波 向鋼管中發(fā)射超聲波 超聲波遇界面返回到壓電晶片 通過壓電晶片產生高平電脈沖 直接將信號傳回處理器 通過大量的探頭對鋼管進行 全覆蓋 使其產生超聲波 從而能夠在鋼管的全表面進行掃查 從而達到測量鋼管厚 度的要求 4 鋼管原地旋轉 探頭沿軸線移動式 10 鋼管原地旋轉 探頭沿軸線移動式的工藝是在早期檢測試驗時使用較多的工藝 其工作原理是通過儀器發(fā)射高頻電脈沖 并將其直接傳遞到探頭連接線上 使其觸發(fā) 探頭的壓電晶片 從而產生超聲波 超聲波遇到界面返回到壓電晶片 并通過壓電晶 片產生高頻電脈沖 直接傳回信號處理器 11 13 通過探頭的移動和鋼管的旋轉來覆蓋 是超聲波在鋼管全表面進行掃查 從而達到檢測鋼管全體的目的 國內對于超聲檢測方面的研究相對較晚 從上個世紀 70 年代開始 一些企業(yè)和高 校開始對探頭和探傷儀等相關技術進行研究 并在這一領域取得了相對較大的成就 主要代表是冶金鋼鐵研究院總院張廣純教授等 在經過 30 多年的深入研究與不斷完善 他們通過發(fā)射機發(fā)射出大功率脈沖信號 在壁厚 18mm 的鋼板中產生 lamb 波檢測缺陷 12 從理論研究領域看 我國的研究水平與國際基本同步 但在實際應用方面 我國 與國外尚存在一定差距 14 近些年來 我國的工業(yè)飛速發(fā)展 鋼管廠大量涌現(xiàn) 從而對于鋼管的質量檢測控 制也成了歷史必然 在這種情況下 國內的許多企業(yè)和研究所開始研發(fā)具有自主產權 的無損檢測設備 如鞍山超聲儀器工業(yè)公司結合研制探傷設備經驗 開發(fā)了一套鋼管 在線超聲探傷系統(tǒng) 該系統(tǒng)通過接觸法 采用電磁機械跟蹤以及電子為跟蹤相結合的 跟蹤系統(tǒng) 從而保證焊縫兩側的探頭能夠始終被覆蓋 15 天津鋼管廠的白昭仁采用探 頭高速旋轉的方式研制了一套無縫鋼管超聲檢測系統(tǒng) 16 浙江大學和哈爾濱工業(yè)大學 等其他的一些研究單位也都對水浸超聲檢測系統(tǒng)的開發(fā)做了大量的理論研究及實際工 作 17 1 3 無縫鋼管超聲檢測關鍵技術 無損檢測是在不損壞原工件的情況下對工件進行檢測的一種方式 無損檢測主要 有磁粉檢測 MT 超聲檢測 UT 以及渦流檢測 ET 等方法 這些檢測方法各有其 優(yōu)缺點 17 本課題采用超聲檢測 其原理是 在檢測時 把具有較強穿透能力的超聲 波導入到鋼管中 在遇到先后聲阻抗不一致的交界面是 一部分聲波會被反射回來產 生回波 系統(tǒng)能夠檢測到這些回波 并對其進行放大處理 使其轉化成數(shù)字信號 顯 示在屏幕上 其反射回來的能量大小與交界面兩邊的介質聲阻抗差異跟交界面的取向 以及大小有關 4 17 超聲波檢測的精度較高 能夠將構件的表面和內部缺陷檢測出來 對其缺陷進行精確的定位 但是 其檢測過程需要耦合劑 其檢測速度也相對較慢 目前超聲檢測技術 18 主要有三種 1 電磁超聲檢測 在金屬試件表面布置線圈 并通以交流電 線圈將產生交變磁場 金屬表面隨即感應 出渦流 電流在磁場中受到洛倫茲力作用 金屬在交變應力作用下就會產生應力波 當頻率超過 20KHz 19 就形成了超聲波 從電磁超聲產生的機理可以看出 該種檢測 方法也是一種非接觸式超聲檢測 與非聚焦超聲縱波測厚相比 電磁超聲激發(fā)出的橫 波由于聲速較縱波聲速小 可用于測量厚度較薄 20 的金屬試件 且精度更高 在冶金 工業(yè) 電磁超聲已成功應用于無縫鋼管的壁厚檢測 2 空氣耦合的超聲檢測 實際生產過程中 很多場合都不希望超聲檢測帶有禍合劑 尤其是水 除了激光超聲 發(fā)生器和電磁超聲換能器 EMAT 空氣耦合超聲檢測技術的研究已經多年 近年來逐 漸得到重視 尤其是在材料無損檢測 21 領域 但是 超聲波在空氣中的衰減非常厲害 早期的研究由于缺乏合適的換能器 主要集中在低頻超聲和導波檢測技術 如今隨著 換能器設計制造技術的突破 空氣耦合超聲檢測得到迅速發(fā)展 適于野外使用的便攜 式空氣禍合超聲探傷儀已投入使用 美國 QMI 公司已研制出商品化的空氣耦合超聲探 傷儀 11 22 意大利空軍已將空氣耦合技術成功用于復合材料的檢測 雖然空氣耦合技 術在近幾年來取得了突破性進展 但是離在線檢測目標似乎還有很長一段路要走 3 組合式檢測使無損檢測 任何一種無損檢測技術都只能檢測材料中某些特定的缺陷 如超聲檢測對鋼管的裂紋 直道 夾雜等缺陷比較敏感 而渦流檢測技術則對鋼管近表面缺陷比較敏感 對于內 部或者靠近內壁缺陷則無法檢測 因此 如果試圖檢測鋼管內可能存在的全部缺陷 單靠一種無損檢測技術 到目前為止還是相當困難的 為了能檢測出無縫鋼管中的所 有缺陷 采用組合無損檢測技術就是一種重要的手段 在油管檢測過程中 典型的組 合是漏磁和超聲組合 實現(xiàn)縱 橫缺陷檢測及測厚功能 對于高壓輸送管道 某些化 工用管一般采用渦流 超聲組合 基于以上方法的比較與分析 本文以無縫鋼管的出廠質量檢測為研究對象 可確 定本文的研究方法為基于水介質超聲波檢測法 23 參考文獻 1 張元奇 基于超聲技術的無縫鋼管缺陷檢測系統(tǒng)的設計 D 青島科技大學 2012 2 李楊輝 無縫鋼管超聲波測厚工藝及裝置研究 D 昆明理工大學 2006 3 涂君 鋼管水浸超聲自動檢測的關鍵工藝參數(shù) D 華中科技大學 2009 4 杜瑞濤 無縫鋼管在線超聲無損檢測系統(tǒng)的研制 D 浙江大學 2011 5 黨玉春 無逢鋼管在線超聲波自動測厚裝置研制 D 四川大學 2006 6 鄭熙 侯力 王裕林 楊英琴 厚壁無縫鋼管的超聲波檢測系統(tǒng) J 機械設計與制造 2010 07 90 92 7 舒飏 無縫鋼管超聲檢測實驗系統(tǒng)的研制與開發(fā) D 浙江大學 2006 8 方文平 無縫鋼管超聲自動檢測關鍵技術研究 D 浙江大學 2010 9 白仁昭 無縫鋼管超聲波自動檢測系統(tǒng)研制 J 機電工程 2006 05 56 58 10 胡均平 尹中榮 張令山 鄭杰 吳楊寶 新型無縫鋼管的超聲波自動探傷系統(tǒng) J 中南 工業(yè)大學學報 自然科學版 1999 02 84 87 11 胡建凱 張謙琳 超聲檢測原理和方法 M 中國科學技術大學出版社 2006 12 卓東妮 無縫鋼管探傷方法探討 J 特鋼技術 2009 3 48 50 13 尹中榮 鄭杰 張令山等 新型大口徑無縫鋼管超聲波自動探傷系統(tǒng)的研制 J 無損檢測 2006 1 14 方文平 無縫鋼管超聲波自動檢測相關關鍵技術研究 D 浙江大學碩士學位論文 2010 1 15 趙華 2009 年無縫鋼管市場情況與 2010 年展望 J 鋼管 2010 2 69 73 16 張俊哲 無損檢測技術及其應用 M 北京 科學出版社 1993 17 盧杉 無損檢測技術及其進展 J 焦作大學學報 2004 l 73 一 74 18 冉啟芳 無損檢測方法的分類及其特征簡介 J 無損檢測 1999 21 2 75 一 80 19 喬華偉 檢測聲學信號智能處理技術的研究 D 杭州 浙江大學碩士學位文 2008 20 楊文華 三峽電站排砂鋼管超聲檢測 J 無損探傷 2002 3 18 一 20 21 呂慶功 李霞 朱景清 無縫鋼管壁厚精度的解釋結構模型 J 軋鋼 2000 17 2 10 一 13 22 李清華 鋼管壁厚在線自動檢測方法研究 D 武漢 華中科技大學碩士學位論文 2007 23 馮諾 超聲手冊 M 南京 南京大學出版社 1999 24 K H Beck Cost effective ultrasonic inspection of tubes J Tube Pipe Technology 1988 1 5 31 25 J Krautkaramer H Krautkramer Ultrasonic testing of materials Berlin Springer Verlag 1997 178 179 26 Zhang Nan Zhang Li Application of ultrasonic automatic testing equipment in large steel plate 3500 mm production line in Tian Gang J Tianjin Metallurgical 2009 4 50 52 27 Yue Linping Diao Lunan Ran Aiwen Application of the ultrasonic detector in heavy plate mill of Jigang J Application research 2007 9 65 66 28 Zhu jixiang Wang xiaowu Guo jinhua Analyses to several UT scanning methods to steel plate used by large longitudinal welded pipe 2007 Wuhan Hubei NDT conference proceedings 1 5 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段 途徑 2 1 畢業(yè)設計的主要工作 本項目根據國內無縫鋼管的生產現(xiàn)狀 以超聲波檢測理論作為理論支撐 以探頭 旋轉鋼管直線運動和直接檢測法的檢測方法和測厚原理 對無縫鋼管超聲波測厚工藝 以及裝置進行研究 本文的主要涉及的研究內容包含一下幾點內容 1 制定總體方案 無縫鋼管超聲波測厚裝置系統(tǒng)以及各部分設計方案的確定 2 設計回轉機構 傳動系統(tǒng)的組成部分 其包括鋼管的直線運動 探頭布 置等 3 設計組合檢測結構 機架設計 探頭架的設計 探頭的布置和使用數(shù)量的 確定等 4 繪制機械總裝配圖 包括總裝配圖 零件圖 等 2 2 擬采用的手段 根據以上問題以及內容的分析 本項目擬采用鋼管螺旋前進探頭平動式的檢測工 藝 其具體內容如下 1 資料搜集 查閱大量資料 熟悉數(shù)控回轉工作臺的結構 工作原理 關鍵技 術 了解國內外此產品的研究現(xiàn)狀 關注檢測技術成熟的知名廠家 獲取相關產品的 一些技術參數(shù) 并進行分析 熟悉幾種典型規(guī)格的回轉臺 將其主要的關鍵技術與指 導老師進行探討 2 結合鋼管的缺陷類型 給出無縫鋼管超聲波自動檢測的設計方案 通過四種 設計工藝進行比較 結合具體情況 本項目選擇了 鋼管直線前進探頭旋轉 的方式 通過直接檢測法對鋼管進行探傷 3 通過對檢測對象的參數(shù)進行分析 考慮實際情況 對無縫鋼管超聲檢測系統(tǒng) 機械部分進行合理設計 4 利用 autocad 軟件繪制系統(tǒng)的總裝配圖 零件圖等 2 3 畢業(yè)設計的工作進度計劃 2016 年 2 月 29 日 3 月 21 日 撰寫開題報告 確定技術方案 2016 年 3 月 30 日 5 月 10 日 完成具體設計 2016 年 5 月 11 日 6 月 1 日 撰寫設計說明書 2016 年 6 月 1 日 6 月 5 日 畢業(yè)設計答辯 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告 指導教師意見 溫森同學綜述了無縫鋼管超聲無損檢測國內外發(fā)展現(xiàn)狀 闡述了課題的研究意義 所述內容條理清楚 溫森同學對畢業(yè)設計任務書要求 對主機架 組合檢測機構及回轉機構的進行方 案設計 方案基本可行 但需要進一步細化 同意溫森同學按時開題 指導教師 2016 年 3 月 22 日 所在學院審查意見 同意開題 負責人 2016 年 3 月 22 日