无缝钢管超声波无损检测装置设计毕业设计开题报告

毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述无损检测作为无缝钢管生产的后续工序，在保证产品质量方面，起着不可估量的作用，是提高产品附加值的有力手段。对于使用在一定温度和压力范围的无缝钢管，国内质检部门也相应规定采取涡流探伤或超声探伤，而对于使用在高温高压场合的无缝钢管，则需要同时使用涡流探伤和超声探伤。超声无损检测技术，由于其扫描的深度大，可以检测到近外表面以下至钢管内壁的缺陷，因此在无缝钢管的生产中被广泛使用。1.1 课题介绍在现代工业进程中，无缝钢管主要应用于石油、化工、汽车、船舶、建筑、地质勘探、核工业以及军工等行业，涉及面之广可见一斑 1。因此，人们形象地将无缝钢管称作“现代工业的血管” ，其举足轻重的工业地位已经不容置疑。无缝钢管的生产历史可追踪到新中国成立后不久，经过短短地几十年发展，中国已经成为世界上最大的钢管生产国、最大的钢管消费国和最大的净出口国，但中国还远不是钢管生产强国，具体体现在:对于高钢级、能满足特殊介质腐蚀环境下使用的油井管、管线管和高参数大容量电站锅炉用管等高级专用钢管还依赖于进口;高端生产设备和自动检测设备依赖于欧美国家的引进;创新能力不足，生产装备国产化进程缓慢;技术附加值总体不高，质量控制有待进一步加强，尤其是后续的钢管无损检测重视程度不够，设备配置水平较低。正是因为存在这些待改进的关键因素，使得部分发达国家对中国出口的无缝钢管提出反倾销和反补贴的调查提案屡见不鲜。如何提高无缝钢管的附加值和质量，提升国内外无缝钢管的市场竞争力，减少出口贸易摩擦，成了当前无缝钢管行业必须要面对的抉择。而随着科技的日益进步，无缝钢管的质量检测与评价技术的研究普遍学术界与工程界的重视 34。钢管的连续生产工艺决定了检测设备需要全天工作 2，因此，监测设备应具有比较高的工作可靠性；其次，无缝钢管的使用一般都是其关键部件，对其在轧钢的制作过程中所形成的最小缺陷有非常严格的要求，检测设备应该满足高精度的要求；再次为了使产能增加，检测速度与生产速度应该同步，这就要求检测设备应该具有非常高的探伤速度 257。无损检测是检测无缝钢管质量的最有效也是最科学的方法 6。其特点是不损害检测对象的使用性能，应用多种物理原理以及化学现象，对各种工程材料的零部件、结构件进行有效的检测与测试，以此来评价其连续性、完整性、安全性、可靠性以及其物理性能。在检测中，主要检测构件材料中是否有缺陷，并对缺陷的位置、形状、大小、内含物、分布以及取向等方面进行检测，能够提供组织分布应力状态以及机械和物理量等方面的信息 126。1.2 国内外研究现状目前，国内知名的大型无缝钢管生产商的高端超声无损检测设备一般都依赖于进口。如上海宝钢使用的是德国的 Mannesmarm 公司设计的超声自动检测系统;天津钢管有限责任公司的则使用了德国 KarlDeutsch、德国 Nukem、日本三菱等公司设计的超声检测设备；武钢则引进了德国本特勒公司的检测设备。纵观整条生产线装备， “多国化”已形成基本局面。产品质量是产品立足于国内外市场的基石。国内无缝钢管行业如不加快自动无损检测设备的自主研发，意味着在不久的将来陷入两难的局面。一方面，受国际原材料和运输费用的继续上扬、人民币持续升值等因素的影响，国内无缝钢管的生产成本在不断提升 2008 年铁矿石基准价上涨 65%，人民币至少升值 8%一 10%。与此同时，国内的先进在线自动无损检测设备一般引自欧美，设备购买和维护费用高昂，导致不少中小企业利润低下;另一方面，国外无缝钢管产能将在近几年提升，国外几大能源和原材料大国正在加紧无缝钢管产能增加的投入。如俄罗斯的 TMK，乌克兰的州TE 即 IPE、白俄罗斯、沙特阿拉伯、澳大利亚等。而这些国家中，绝大部分都拥有先进的自主研发的技术装备，生产调度灵活，设备淘汰更新较快。相比之下，中国的设备更新代价昂贵，消化吸收慢，国产化进程缓慢，先进的在线无损自动检测设备至今仍被欧美垄断。随着近两年来贸易摩擦的加剧，不排除贸易壁垒引起的高端设备引进难度增大的可能性。为此，中国无缝钢管产品的质量要想在未来的国际市场上立足并且迈上钢管生产强国的道路，必须加快无损检测设备的国产化，在保证质量的基础上，大幅度降低生产成本。在近几十年中，国外在超声波检测的技术方面有了较大的发展，在无缝钢管的检测领域大量的采用了超声波检测设备。其中，国外较为成功的超声波检测方法主要有两种：探头静止钢管螺旋前进式、钢管直线进给探头旋转式。（1） 探头静止、钢管螺旋前进式这种检测方式比较简易，一般在设备上布置多个探头，用水做耦合剂，钢管螺旋亲近经过探头进行探伤。英国 Krautkramer 公司采用的超声波大型钢管检测设备 GRP-PAT ,其应用方式即为这种检测方式。GRP-PAT 采用了模块化相控振电子检测装置 VPA；其采用的是部分液浸探伤技术以及螺旋式传送方式，并配备小尺寸检测机械装置用于高速螺旋式钢管传送。其探头液浸器在钢管上其导向作用。该设备不仅能够用来检测纵向和横向缺陷、测量管壁厚度以及分层缺陷，还可以用来检测斜向缺陷。GRP-PTA 只采用了一个液浸器，这样能够有效的降低其切换次数，还能用来对关闭变形以及超声耦合进行检验 8。（2） 探头旋转、钢管直线进给式探头旋转式检测设备对无缝钢管的传动装置的要求较低，能够比较好的避免因钢管旋转而造成的震动对其超声信号的影响，从而大大提高其检测速度。代表着在线超声波无损检测系统的最高水平,在这一方面，国内相差甚远。（3） 钢管不旋转直行，探头静止不动式 9钢管不旋转直行，探头静止不动的工艺是目前国际上使用较少，仅限于直径在50mm 以下的工艺，其工作原理是仪器发射高平电脉冲，直接传递到探头连接线上，触发探头压电晶片产生超声波，向钢管中发射超声波，超声波遇界面返回到压电晶片，通过压电晶片产生高平电脉冲，直接将信号传回处理器。通过大量的探头对钢管进行全覆盖，使其产生超声波，从而能够在钢管的全表面进行扫查，从而达到测量钢管厚度的要求。（4） 钢管原地旋转、探头沿轴线移动式 10钢管原地旋转、探头沿轴线移动式的工艺是在早期检测试验时使用较多的工艺，其工作原理是通过仪器发射高频电脉冲，并将其直接传递到探头连接线上，使其触发探头的压电晶片，从而产生超声波，超声波遇到界面返回到压电晶片，并通过压电晶片产生高频电脉冲，直接传回信号处理器 1113。通过探头的移动和钢管的旋转来覆盖是超声波在钢管全表面进行扫查，从而达到检测钢管全体的目的。国内对于超声检测方面的研究相对较晚，从上个世纪 70 年代开始，一些企业和高校开始对探头和探伤仪等相关技术进行研究，并在这一领域取得了相对较大的成就。主要代表是冶金钢铁研究院总院张广纯教授等，在经过 30 多年的深入研究与不断完善，他们通过发射机发射出大功率脉冲信号，在壁厚 18mm 的钢板中产生 lamb 波检测缺陷12。从理论研究领域看，我国的研究水平与国际基本同步，但在实际应用方面，我国与国外尚存在一定差距 14。 近些年来，我国的工业飞速发展，钢管厂大量涌现，从而对于钢管的质量检测控制也成了历史必然。在这种情况下，国内的许多企业和研究所开始研发具有自主产权的无损检测设备。如鞍山超声仪器工业公司结合研制探伤设备经验，开发了一套钢管在线超声探伤系统，该系统通过接触法，采用电磁机械跟踪以及电子为跟踪相结合的跟踪系统，从而保证焊缝两侧的探头能够始终被覆盖 15；天津钢管厂的白昭仁采用探头高速旋转的方式研制了一套无缝钢管超声检测系统 16；浙江大学和哈尔滨工业大学等其他的一些研究单位也都对水浸超声检测系统的开发做了大量的理论研究及实际工作 17。1.3 无缝钢管超声检测关键技术无损检测是在不损坏原工件的情况下对工件进行检测的一种方式，无损检测主要有磁粉检测（MT） 、超声检测（UT）以及涡流检测（ET）等方法，这些检测方法各有其优缺点 17。本课题采用超声检测，其原理是：在检测时，把具有较强穿透能力的超声波导入到钢管中，在遇到先后声阻抗不一致的交界面是，一部分声波会被反射回来产生回波，系统能够检测到这些回波，并对其进行放大处理，使其转化成数字信号，显示在屏幕上，其反射回来的能量大小与交界面两边的介质声阻抗差异跟交界面的取向以及大小有关 417。超声波检测的精度较高，能够将构件的表面和内部缺陷检测出来，对其缺陷进行精确的定位。但是，其检测过程需要耦合剂，其检测速度也相对较慢。目前超声检测技术 18主要有三种：1）电磁超声检测在金属试件表面布置线圈，并通以交流电，线圈将产生交变磁场，金属表面随即感应出涡流。电流在磁场中受到洛伦兹力作用，金属在交变应力作用下就会产生应力波，当频率超过 20KHz19，就形成了超声波。从电磁超声产生的机理可以看出，该种检测方法也是一种非接触式超声检测。与非聚焦超声纵波测厚相比，电磁超声激发出的横波由于声速较纵波声速小，可用于测量厚度较薄 20的金属试件，且精度更高。在冶金工业，电磁超声已成功应用于无缝钢管的壁厚检测。2）空气耦合的超声检测实际生产过程中，很多场合都不希望超声检测带有祸合剂，尤其是水。除了激光超声发生器和电磁超声换能器(EMAT)，空气耦合超声检测技术的研究已经多年，近年来逐渐得到重视，尤其是在材料无损检测 21领域。但是，超声波在空气中的衰减非常厉害，早期的研究由于缺乏合适的换能器，主要集中在低频超声和导波检测技术，如今随着换能器设计制造技术的突破，空气耦合超声检测得到迅速发展，适于野外使用的便携式空气祸合超声探伤仪已投入使用，美国 QMI 公司已研制出商品化的空气耦合超声探伤仪 1122；意大利空军已将空气耦合技术成功用于复合材料的检测。虽然空气耦合技术在近几年来取得了突破性进展，但是离在线检测目标似乎还有很长一段路要走。3)组合式检测使无损检测任何一种无损检测技术都只能检测材料中某些特定的缺陷。如超声检测对钢管的裂纹、直道、夹杂等缺陷比较敏感，而涡流检测技术则对钢管近表面缺陷比较敏感，对于内部或者靠近内壁缺陷则无法检测。因此，如果试图检测钢管内可能存在的全部缺陷，单靠一种无损检测技术，到目前为止还是相当困难的。为了能检测出无缝钢管中的所有缺陷，采用组合无损检测技术就是一种重要的手段。在油管检测过程中，典型的组合是漏磁和超声组合，实现纵、横缺陷检测及测厚功能，对于高压输送管道、某些化工用管一般采用涡流、超声组合。基于以上方法的比较与分析，本文以无缝钢管的出厂质量检测为研究对象，可确定本文的研究方法为基于水介质超声波检测法 23。参考文献：1张元奇. 基于超声技术的无缝钢管缺陷检测系统的设计D.青岛科技大学，2012.2李杨辉. 无缝钢管超声波测厚工艺及装置研究D.昆明理工大学，2006.3涂君. 钢管水浸超声自动检测的关键工艺参数D.华中科技大学，2009.4杜瑞涛. 无缝钢管在线超声无损检测系统的研制D.浙江大学，2011.5党玉春. 无逢钢管在线超声波自动测厚装置研制D.四川大学，2006.6郑熙，侯力，王裕林，杨英琴. 厚壁无缝钢管的超声波检测系统J. 机械设计与制造，2010，07:90-92.7舒飏. 无缝钢管超声检测实验系统的研制与开发D.浙江大学，2006.8方文平. 无缝钢管超声自动检测关键技术研究D.浙江大学，2010.9白仁昭. 无缝钢管超声波自动检测系统研制J. 机电工程，2006,05:56-58.10胡均平，尹中荣，张令山，郑杰，吴杨宝. 新型无缝钢管的超声波自动探伤系统J. 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