涂 君,陳 浩,宋小春,康宜華

(1.湖北工業(yè)大學機械工程學院,武漢430068;2.武漢華宇一目檢測裝備有限公司,武漢430074)

用于鋼管的氣浮式電磁超聲測厚探頭

涂 君1,陳 浩1,宋小春1,康宜華2

(1.湖北工業(yè)大學機械工程學院,武漢430068;2.武漢華宇一目檢測裝備有限公司,武漢430074)

為了對鋼管的電磁超聲測厚系統(tǒng)進行升級,在前期設計的磁化器與線圈分離的電磁超聲測厚探頭的基礎上,提出了一種氣浮式電磁超聲測厚探頭的設計方法,其原理是利用在探靴和鋼管表面之間形成的氣膜消除接觸式摩擦,來實現(xiàn)對鋼管的全浮動隨動跟蹤。通過理論分析,得出了鋼管不同偏心率下氣浮探靴的最大承載力;并通過搭建8通道電磁超聲檢測設備對鋼管進行測厚試驗,結果驗證了該方法的有效性。理論分析和試驗結果表明,相比傳統(tǒng)的鋼管電磁超聲測厚方法,氣浮式鋼管測厚解決了探頭的磨損嚴重問題,延長了探頭的使用壽命,更好地滿足了鋼管在線檢測的需求。

電磁超聲探頭;鋼管;測厚;氣浮;探靴

由于各領域對鋼管需求量的與日俱增,生產鋼 管的企業(yè)必須不斷提高生產效率,并對鋼管檢測設備[1]進行升級,以保證鋼管出廠的合格率。電磁超聲檢測[2]具有非接觸、無需耦合劑、檢測速度快、檢測設備機械結構相對簡單、檢測重復性好等優(yōu)點,適用于鋼管的測厚,檢測速度最高可達40 m/min。然而,該技術要求電磁超聲探頭與鋼管之間保持一個較小的距離,較大的磁吸附力會加劇探頭的磨損量。為此,筆者前期設計了一種磁化器與線圈分離的電磁超聲測厚探頭[3],其只需要將線圈單獨安裝于探靴上即可。

氣浮技術是利用氣體反作用力使物體懸浮,從而避免物體間的相互磨損的技術。姚燕生[4]設計了一種新型無摩擦氣缸及帶徑向節(jié)流孔與軸向密封槽的氣浮活塞,從而延長了氣缸的使用壽命。尹韶輝[5]采用基于空氣靜壓軸承的氣浮測頭對非球面進行接觸式測量。鄭永潔[6]將氣浮式仿真系統(tǒng)應用于空間機器人中,減小了各種干擾,保證了仿真結果的可信度。張新宇[7]和高亮[8]等采用有限元法對氣膜流場進行了有效的數(shù)值模擬計算,初步實現(xiàn)了根據外負載的要求來確定氣浮探頭裝置的性能參數(shù)。為了進一步消除高速檢測下探靴的磨損,筆者提出將氣浮技術應用到電磁超聲探頭的結構設計中,繼而引入到鋼管在線電磁超聲測厚的應用中,有望對現(xiàn)有設備進行升級改造。

1 氣浮式電磁超聲測厚探頭結構

在實際檢測中,由于傳送線的安裝與制造誤差以及鋼管自身的直線度誤差,鋼管在直線推進或螺旋推進時都會產生多個自由度的跳動。鋼管直線或螺旋推進運動下的自由度分析如圖1所示,鋼管直線推進時在x,y,z方向均存在移動自由度(以x,y,z三個方向的速度vx,vy,vz表示),而繞x軸和z軸同時存在兩個轉動自由度(以繞x軸和z軸的角速度wx和wz表示),而鋼管螺旋推進時還會多一個繞y軸的轉動自由度(以繞y軸的角速度wy表示)。因此筆者設計了一種具有六自由度隨動跟蹤圓筒狀的探靴,用于消除鋼管擺動和跳動對檢測信號的影響。

圖1 鋼管直線或螺旋推進運動下的自由度分析

鋼管電磁超聲測厚氣浮探靴結構示意如圖2所示,整個探靴由兩個1/2圓的瓦狀結構通過機械密封拼接而成。圓筒探靴內徑要大于鋼管外徑,并通過兩排各4根拉簧懸掛。探靴上圓周方向也安裝有兩排各4個連接桿,在鋼管規(guī)格發(fā)生變化時,只需調整連接桿的長度,而不需要更換拉簧。當鋼管發(fā)生跳動或擺動時,探靴能夠及時響應。由于鋼管運行中的跳動,僅通過探靴外側的彈簧難以保證其始終與鋼管同軸。同時探靴長時間與鋼管發(fā)生側磨,會大大縮短探靴的使用壽命,為此提出了一種氣浮式鋼管電磁超聲測厚探頭的設計方法,對鋼管實施非接觸主動檢測。氣浮式電磁超聲探頭主要利用在探靴和鋼管表面之間形成的氣膜來消除接觸式摩擦的作用,并實現(xiàn)對鋼管的全浮動隨動跟蹤檢測。氣浮探靴在軸向方向均勻布置兩排各N個簡單孔式節(jié)流器,氣流通過節(jié)流孔后形成壓降,并在鋼管表面形成均勻對稱分布的壓力。

圖2 鋼管電磁超聲測厚氣浮探靴結構示意

2 氣浮探靴工作原理分析

氣浮探靴在氣體浮力Fa、外側彈簧拉力Fs以及自身重力G的共同作用下保持平衡,并形成圓周方向上各處厚度均為h的氣膜。若鋼管發(fā)生中心偏移,導致鋼管與探靴之間的間隙發(fā)生變化,從而整個氣體作用力會隨著鋼管中心的偏移有不同程度的提高,使探靴在該作用的推動下向間隙減小的一側偏移,最終達到新的平衡位置。這樣,氣膜厚度h被限制在能滿足檢測要求的微小范圍內變化,從而實現(xiàn)了探靴對鋼管的非接觸式跟蹤。

考慮到鋼管外徑遠大于氣膜厚度h,因此略去圓柱表面曲率的影響,將鋼管表面氣膜展開成平面[9]。將展開的氣膜按節(jié)流孔數(shù)目在圓周方向上分為N等分,每一等分的寬度為:

式中:D為鋼管外徑。

假設氣膜厚度在每一等分中為常數(shù),其值等于該節(jié)流孔處的氣膜厚度值hk(k＝1,2,…,N)。在兩個節(jié)流孔間無氣體流動,氣體自小孔流出后,立即充滿等分的全寬度,使氣體在每個等分內呈一維流動,每等分內兩節(jié)流孔間壓力相等,其值為該等分節(jié)流孔后的出口壓力pdk;氣體無周向流動,只是沿鋼管軸向流向端面,其壓力由孔后出口壓力pdk降至環(huán)境壓力p0,氣浮探靴內高壓空氣流動方向示意如圖3所示。

圖3 氣浮探靴內高壓空氣流動方向示意

由此,在求解每一等分內壓力分布時只取從節(jié)流孔到軸端的一段即可。第k等分氣膜壓力分布如圖4所示,取第k等分,以節(jié)流孔中心處為原點,垂直氣膜方向為x軸,沿氣流方向為y軸。

圖4 第k等分氣膜壓力分布

由于氣體流動時間很短,可認為整個流動過程為絕熱且無黏性的流動過程,可得到第k個等分氣體質量流量為:

式中:A＝πd2/4,為節(jié)流孔面積;ρ0為空氣密度;φ為流量系數(shù),一般可取0.8。

設

當βk≤βλ時:

當βk≥βλ時:

對于空氣,λ＝1.41,則βλ＝0.528。

根據氣體流動狀態(tài)方程,可得到第k段氣膜壓力為:

式中:η為空氣的黏性系數(shù),對于空氣而言,常溫下的η為18.4×10－6N·s·m－2。

對于兩排各N個孔的氣浮探靴,其中心截面可視為受N個方向的力。每個方向的力均可看作是高壓氣體作用在弦長為L＝Dsin(π/n)上的徑向力。其中,第k個方向上的油膜力大小為:

由于鋼管運動仍然屬于低速運轉,其動壓效應并不明顯,故仍可將鋼管運動視為簡單的靜壓狀態(tài)。當鋼管發(fā)生偏移時,各個等分內的平均間隙也隨之發(fā)生變化。氣浮探靴與發(fā)生中心偏移的鋼管結構如圖5所示,第k個等分的平均間隙為:

式中:ε為偏心率;θ為位姿角。

圖5 氣浮探靴與發(fā)生中心偏移的鋼管結構示意

將式(8)代入式(6)中,可得到第k個節(jié)流口處的壓力為:

由此可得到氣浮探靴所受到的氣體浮力為:

由于彈簧長度變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大,因此通過氣體浮力來消除探靴重力,將式(10)進行矢量分解,可得到氣體浮力在與重力方向相反的豎直方向的合力為:

針對鋼管的不同偏心率,計算氣浮探靴最大承載力,可得到氣浮探靴承載力與偏心率的關系曲線如圖6所示。由圖可以看出承載力隨偏心率增大而增大,這主要是由于隨著偏心率的增大,各節(jié)流孔平均間隙減小,壓力差降低,孔口壓力增大,從而使得承載力增大。

圖6 氣浮探靴承載力與偏心率的關系曲線

3 檢測系統(tǒng)與信號顯示

鋼管的質量檢測結果是鋼管出廠的唯一認證標準,對鋼管缺陷的漏檢將會帶來較大的安全隱患。為此,必須對所有生產鋼管進行包括無損檢測和測厚在內的綜合測試,并達到相應指標后才能投產使用。圖7為針對鋼管漏磁檢測電磁超聲測厚需求設計的一套在線檢測系統(tǒng)(1為壓緊輪1＃,2為橫向漏磁檢測主機,3為壓緊輪2＃,4為縱向漏磁檢測主機,5為壓緊輪3＃,6為電磁超聲測厚主機,7為壓緊輪4＃),檢測鋼管直徑范圍為140～340 mm,壁厚范圍為7.2～20 mm,最高檢測速度為1.2 m·s－1。

圖7 鋼管高速綜合檢測系統(tǒng)外觀

為了測試電磁超聲測厚系統(tǒng)的有效性,以一根直徑為φ180 mm,壁厚為9.2 mm,長10 m的鋼管,通過自主研制的8通道EMAT測厚系統(tǒng)對其進行檢測。圖8為采用周向磁化器提供磁場,氣源壓力調為0.4 MPa,探靴承載力為200 N時得到的一組數(shù)據。其中每一欄代表其中一個通道的測厚數(shù)據,橫坐標與鋼管的長度對應,縱坐標每格代表10 mm?？梢钥闯?8個通道的厚度曲線基本上與鋼管的實際厚度相符。不過,信號均有較小波動,這主要是由于鋼管在滾輪上的輕微甩動導致測厚回波產生波動;另外,檢測過程中探頭外殼與鋼管接地良好對信號也有一定影響。通過連續(xù)測量25次,壁厚平均值為9.18 mm,最大最小值有較小波動,且波動均在0.3 mm范圍內。

圖8 鋼管8通道EMAT測厚數(shù)據

4 結語

用于鋼管的氣浮式電磁超聲測厚探頭具有很高的使用價值,有利于提高檢測效率,降低勞動強度,解決了長時間與鋼管的接觸性摩損嚴重的問題,延長了鋼管的使用壽命,達到了快速檢測和高品質的要求。

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Gas Floating Electromagnetic Acoustic Thickness Measuring Transducer for Steel Tube

TU Jun1,CHEN Hao1,SONG Xiao-chun1,KANG Yi-hua2
(1.School of Mechanical Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China; 2.Wuhan Huayu-M Testing Equipment Co.,Ltd.,Wuhan 430074,China)

In order to adapt to the increasing production efficiency,the existing electromagnetic acoustic thickness measurement system for steel tube needs to be upgraded.On the basis of the preliminary designed transducer with the magnetizer and the testing coils separated,a gas floating designing method for the electromagnetic acoustic thickness measuring transducer is proposed.The gas film formed between the steel tube surface and the agent shoes is used to eliminate the contact friction,so as to realize the full floating servo tracking for the steel pipe.The maximum bearing capacity of the air floatation agent shoes under different eccentricity of the steel tube is obtained through the theoretical calculation.And the electromagnetic acoustic testing equipment with 8 channels was set up to measure the thickness of the steel tube.The accuracy of the measurement results shows that the method is effective.Theoretical analysis and experimental results show that,compared with the traditional method of electromagnetic acoustic thickness measurement for steel pipe,the gas floating designing method can solve the seriously wear problems of a long time contacting with the steel tube,and largely extend the service life of the probe,so as to meet the needs of the steel tube on-line detection preferably.

Electromagnetic acoustic transducer;Steel tube;Thickness measurement;Gas floating;Agent shoe

TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0075-04

10.11973/wsjc201701019

2016-05-05

國家自然科學基金資助項目(51575165);湖北省自然科學基金資助項目(2014CKB506,2015CFB601);湖北工業(yè)大學高層次人才基金資助項目(BSQD14025)

涂 君(1983－),男,講師,博士,主要從事電磁超聲無損檢測方法與應用研究工作。

涂 君,E-mail:tjezhou5196＠163.com。