高速钢管无损探伤检测系统设计.docx

高速钢管无损探伤检测系统设计.docx

《高速钢管无损探伤检测系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高速钢管无损探伤检测系统设计.docx（32页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

高速钢管无损探伤检测系统设计

图书分类号：

密级：

毕业设计（论文）

高速钢管无损探伤检测系统设计

DESIGNOFHIGHSPEEDSTEELPIPENONDESTRUCTIVEFLAWDETECTOR

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

论文作者签名：

　　　　日期：

年月　日

学位论文版权协议书

本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：

本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。

有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。

可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

论文作者签名：

　　导师签名：

日期：

　　年　月　　日日期：

　　年　月　　日

摘要

本设计的意义在于提高钢管的全自动探伤，提高钢管的探伤效率，以及提高钢管在线探伤的精度和效率。

首先，详细介绍了本课题的研究背景，无损检测技术的特点及方法。

主要设计的是无缝钢管在线高速超声探伤仪主机系统的机械传动部分。

探头的旋转依靠主轴的旋转来完成，而主轴的旋转依靠三相电机来带动，考虑到探头在探伤过程中需要转动平稳，转动的力大，转动连续不断等特点，故在电机到主轴之间的传递选择多楔带。

在超声波无损探伤过程中，为了减少探伤过程中超声波的损失，需要用到耦合水，需要一个变量泵和管道等设备来构成一个水路循环来满足探伤过程中耦合水的供给。

本超声波探伤采用钢管水平前进，通过探伤仪，探头围绕钢管高速旋转进行超声波探伤。

关键词：

无损探伤；无缝钢管；超声波；旋转式

Abstract

Thesignificanceofthisdesignistoimprovetheautomaticdetectionofthesteeltube,improvethedetect-ionefficiencyofsteelpipe,andimprovetheaccuracyandefficiencyofonlinetesting.First,thispaperintroducesthistopicresearchbackground,characteristicsandmethodsofnondestructivetestingtechnology.Isthemaindesignofseamlesssteeltubehigh-speedonlineultrasonicflawdetectormechanicaltransmissionpartofthehostsystem.Therotationoftheprobeontherotationofthespindle,thespindlerotationbythree-phasemotordrive,consideringtheprobeneedtoturnsmoothlyintheprocessofinspection,rotatingforceisbig,therotationcharacteristicsofcontinuous,soinbetweenmotorandspindlechoosemorewedgebelt.Intheprocessofultrasonicnondestructiveflawdetection,inordertoreducethelossoftheultrasonicflawdetectionprocess,needtousethecouplingwater,needavariablepumpandpipelineequipmenttoformawatercyclecouplingwatersupplytomeettheinspectionprocess.Theultrasonicflawdetectionadoptssteeltubelevel,throughthedetector,proberevolvearoundsteeltubehighspeedultrasonicflawdetection.

Keywords:

NondestructivetestingSeamlesssteelpipeUltrasonicRotarytype

目录

摘要II

AbstractIII

1绪论1

1.1研究的背景1

1.1.1无损探伤检测的特点3

1.1.2无损探伤检测方法4

1.2研究意义6

2总体方案设计8

2.1超声波无损探伤的原理8

2.2旋转系统的原理8

2.3水循环系统的原理9

2.4探头腔的原理10

3机械部分总体设计11

3.1基本参数的确定11

3.1.1.入射角的确定11

3.1.2.偏心距的选择12

3.1.3.耦合水层深度的选择13

3.1.4.超声波频率选择13

3.2带的选择13

3.2.1带传动13

3.2.2多楔带的优点14

3.2.3带的强度计算14

3.3多楔带轮的选择17

3.3.1多楔带轮17

3.3.2多楔带轮的3维模拟17

3.4主轴的设计19

3.4.1主轴的扭矩计算19

3.4.2主轴的剪力和弯矩计算22

3.4.3主轴的3维模拟24

3.5润滑方式25

3.5.1润滑25

3.5.2润滑分类26

3.5.3油雾润滑26

3.6轴承27

3.6.1轴承的概念27

3.6.2轴承的分类27

3.6.3滚动轴承的选择27

4固定部分及水路设计29

4.1水循环系统的设计29

4.1.1水循环的工作过程30

4.1.2水循环的设计30

4.2固定部分的设计31

4.2.1电容的固定31

4.2.2主轴的固定32

4.2.3探头的固定33

结论35

致谢36

参考文献37

附录38

1绪论

1.1研究的背景

钢管在我国是得到应用广泛的用材品种之一。

钢管品质的高低直接影响到国家的经济发展和经济效益以及广大人员的生命安全。

世界各国都给以非常高的针对钢管的质量检测方法，每个国家都研发了自己的无损检测（NDT）方法，专门用于对高速钢管进行严格的探测。

根据国际API-5CT标准，在API-5CT标准对钢管的要求就必须有无损检测，而在线对钢管进行检测的难点就是检测的准确度和生产效率。

超声探伤是无损检测中特殊的一种方法，其优点有：

超声波探伤灵敏度高、周期短、效率高、成本低、灵活方便，无毒无害等等。

所以就要求我们进行高速钢管超声探伤仪的设计！

在本论文中，我们采用钢管快速直线前进，探头高速旋转的方式进行探伤，对于厂房的面积要求比较高。

目前，我国在无损探伤机设备部分的生产方面能力还不够完善，其大部分主要是靠引进外国国家的先进设备和技术，缺乏一定创新能力和实践能力；尤其是在无损检测的基础理论研究和仪器设备开发方面。

如果想使用，就得进行进口，但是进口有关的设备价格昂贵，一般企业是无法接受的。

对于水压实验对于大口径钢管的探伤效率低、劳动过程强度大，有时由于员工检测时责任不到位，水压检测就等于没有。

所以，要实现对大口径无缝钢管的探伤已经成为冶金行业非常棘手的课题。

水槽式超声波探伤检测即探头固定不动，钢管旋转前进。

利用水槽和被检测的无缝钢管的底部充满耦合剂的特性，同时耦合液的厚度保持不变。

但考虑到超声波检测存在检测不到的盲区，容易导致检测不全，再加上钢管的进给方式使得占用场地过大，一直是对此种钢管的检测方法的选择和推广有很大的影响。

穿过式线圈涡流探伤是对高速无缝钢管的上表面进行无损探伤的。

在使用这种方法的探伤中，钢管的直径越大，线圈也就会越大，对于探测过程中产生的信噪比就越小。

又由于这个原因，钢管的探伤尺度规定，使用穿过式的涡流探伤方法，而对于大口径的无缝钢管是不能使用。

原因是对于大口径无缝钢管的线圈探伤会导致无缝钢管的磁化，对钢管的退磁有很大的难度。

无损探伤方法很多,用途也曾在很多的差异,根据不同的需求,选择不同的无损探伤方法,本次我主要是借助超声波进行无损探伤,因为超声波相对于其他的来说,更加经济实用,并且能解决当前的问题.然而解决当前国内钢管检测,是目前重要的环节之一,同时也能为工业设计上解决许多关于无损探伤检问题,相对于自己来说,也是一次很不错的学习和锻炼的机会。

目前，我国的冶金行业对于高压用的无缝钢管的检测，主要是针对直径在

以下的规格，多采用比较传统的涡流探伤或者水槽式的。

对于大口径高速钢管的检测普遍采用穿过式涡流探伤进行检测，对于这样的检测方法，每个国家的标准都不一样。

对钢管进行检测,主要是通过运输辊道给钢管水平速度,其中主要原理是电机带动滚轮,钢管放在滚轮上,在通过滚轮带动钢管水平移动.

在国外，工业发达国家已率先对这种技术开展了系统深入的研究，尤为在钢管自动化在线质量检测中得到最为大量大范围的使用。

到目前为止，在线超声波探伤技术已经发展为三大类，具体为：

（1）超生环能器固定、待检测对象螺旋运动的全程扫描技术。

我国大型的钢管厂每年都要进口一定数量造价非常昂贵的高端无损探伤机，而且保养过程非常麻烦。

由于这种技术检测原理和相关设备结构较为简单，在自动化在线超声波无损检测技术发展初期被普遍采用，如图1-1。

此次设计的钢管无损探伤系统采取的方案是：

移动吊车将待探伤的光管从存放区取出摆放到钢管无损探伤系统的机架上面，定位好位置，然后开启探伤系统，探伤装置探头对钢管进行探伤作业

。

由于是伺服电机驱动探伤头工作，所以运动可靠，灵活，可以实现轻松探伤。

图1-1ECHOGRAPH-PPS系列钢管自动化在线超声波检测系统

图1-2ECHOGRAPH-RPT系列钢管自动化在线超声波检测系统

这种方式的检测道理跟第一种方案相似，再加上待检测对象质量大多不能够进行高速旋转，仅有有限的检测能力和检测效率。

如图1-2，就是采用这个方案的检测系统；（3）超声换能器旋转，全扫描被测试钢管的线性运动。

实现对检测钢管的无损检测。

因为要检测的对象只能是直线运动目标检测技术，可以有效地避免由于旋转振动影响检测性能和检测效率大大提高。

无损探伤方法很多,用途也曾在很多的差异,根据不同的需求,选择不同的无损探伤方法,本次我主要是借助超声波进行无损探伤,因为超声波相对于其他的来说,更加经济实用,并且能解决当前的问题。

然而攻克现在国内的钢管检测技术难关是目前重要的环节之一,因此，该技术可以满足高速度、高灵敏度的检测要求，是一种高性能自动化在线超声波无损检测手段。

如图1-3所示，为该方案的检测系统。

图1-3ROTA系列钢管自动化在线超声波无损检测系统

在探伤领域里面，大口径的钢管一般指的是是外圈直径大于160mm的钢管。

而大口径高速钢管主要是石化等行业的重要钢管用材。

随着经济的发展，我国在高速无缝钢管的需求会急速的增长，并有显著的大口径化的趋势。

尤其是有特殊要求的油井管和高压锅炉管，它们质量的高低将对这些行业的发展有很大的影响，伴随着国家对于能源有关方面的措施的加大，将成为一个热点话题，而对于有关的无损检测也是一个亟待解决的重大问题。

1.1.1无损探伤检测的特点

无损检测技术主要用于未知工艺缺陷的检验。

它是对破坏性检验的补充和完善。

概括起来,无损探伤检测的特点是：

非破坏性、互容性、动态性、严格性以及检测结果的分歧性等。

无损检测定义：

在不损坏试件的条件下，以物理或化学方法为手段，借助先进的技术和设备器材，对试件的内部及表面的结构，性质，状态进行检查和测试的方法。

无损检测技术对产品质量具有很高的意义，下面总结无损检测的目的和应用特点：

无损检测的目的:

1　保证产品质量

2　保障使用安全

3　降低生产成本

4　改进制造工艺

无损检测的应用特点:

1　用无损检测可以确保产品质量合格率高

2　方便加工，缩短工艺

3　保障加工过程的安全，利用声音检测

4　大大的降低了生产的成本

1.1.2无损探伤检测方法

无损检测技术的发展极大的推动了冶金、工业等工业发展。

检测方法的提高，保证了产品的质量以及为大众安全。

无损探伤检测方法有很多种，跟据专家经过长期的研究调查以及分析论证，无损探伤的检测方法被分为六大类大约七十余种。

现实生产生活中比较常用的方法有如下几种：

常规无损检测方法有：

超声检测（UT）；

1检测的方法分类：

（1）超声探伤检测

（2）超声测厚检测

（3）超声测品度检测等

超声探伤检测原理：

利用发射超声波，对其检测表面进行扫描，通过振动脉冲反射频率，看波形图变化判断

垂直探伤发：

通过电发出信号到晶体片上，对钢材检测时，以5900米每秒的速度传输，当有问题时，一部分返回到晶体上，另一部分继续传播。

斜射探伤：

原理类似，超声波主要是斜射的，而且没有底面回波。

2特点：

（1）对表面检测，检测的效率很高

（2）检测的范围广，速度快

（3）检测出来的结果准确

（4）对检测的样品没有任何的伤害

（5）检测细，定位好等特点

射线检测（RT）；

（1）原理：

利用x射线管，通过阴阳极变化，对其进行检测。

（2）特点：

1）利用x射线管检测出来的结果可以直接记录下来，像照片一样可以打印下来直接看。

2）从照片中能够清楚的看到缺陷部分，定位很准确

3）适用的范围广

4）射线对人的身体有伤害

5）用这种方法检测所需要的费用大

6）对一些特殊的位置检测的效果差，例如角焊缝处等特点

磁粉检测（MT）；

1原理：

利用磁场发射磁力线，通过对磁力线分析，磁力线受到阻碍的部分都是有缺陷的部分。

然后再这个表面撒上磁粉，对于不能检测到的磁场就会吸收磁粉，形成和缺陷一样的形状，从而就可以达到检测效果。

2特点：

1）一般用在有磁力的材料进行探伤，例如钢铁等

2）只能进行表面检测，很难对内部进行检测。

3）检测的效果好，对一些很细小的部分都能够检测出来。

4）用这种检测所需要的费用少

5）对检测样品的表面形状有要求，有的难以检测，因为有些不容易磁化。

渗透检验（PT）；

（1）适用的范围广，对一些复杂的样品也可以进行检测。

（2）对样品的表面要求不低，而且必须不能粗糙。

（3）检测的过程复杂，效率低。

（4）不能检测一些有孔的材料。

（5）检测的设备要求不用很高，普通设备就可以。

（6）检测需要的费用高（材料费高）

（7）很多检测的材料是有毒并且容易燃，对身体有害。

涡流检测（ET）；

1原理：

涡流的方向和交流电的方向相反的，通过电生磁，在通过磁发出磁力线，之后检测与x射线相似，但最后是通过电流的变化，来判断涡流的变化，从而达到检测的效果。

2特点：

1）对绝大部分的导电的材料都适用。

2）对表面检测的效果好。

3）检测的效率高。

4）不易用于检测复杂的的样品。

5）受周围环境影响比较大，受信号干扰等。

6）不适用于不能导电的材料。

7）对很细小的部分不容易检测到。

8）检测出来的结果不能用图直观的观察。

非常规无损检测技术有：

1　声发射（AE）；

2　泄漏检测（UT）；

3　光全息照相；

4　红外热成象；

5　微波检测；

这些方法对于无损检测都具有跨时代的意义，但是不是每一种都是万能的，所以一般采用多种无损检测方法同时使用，以保证检测的质量。

而本论文主要以超声波检测方法为主要方法，采用探头高速旋转，钢管直线前进，对钢管进行无损检测。

1.2研究意义

机械工业所覆盖的范围广泛,在如今的社会,随处可见,其中关于钢管方面,在工业中应用广泛,但是对其都有特殊的要求,因此,对钢管表面和内部检测是必须要经过的过程之一,为了满足工业要求,所以有了本次的课题。

特别是随着钢管生产的规模化、使用环境的复杂化和钢管的大型化等方向飞速发展，无损检测技术更加体现其重要性和迫切性，病且对无损检测技术提出了更加详细，准时检测，高度全自动化的技术要求。

目前，尽管无损检测的方法很多，但是以后随着超声波无损探伤技术的可靠性不断发展提高，再加上系统的各个方面，比如安全，自动化程度等，具有其他方法难以匹敌的优势。

因此，把钢管、轴类等材料为检测对象，进行高性能的自动化在线无损探伤检测理论和技术的研究，赋予其高可靠、实时性高，和定量化检测能力高，具有十分的理论意义和实际价值。

高速钢管自动超声波检测技术在超声环之间的装置和被测物体做相对运动，螺旋扫描的基础上，利用高速A/D将超声波反射回波信号转换成数字信号，并经实时处理分析后，完成壁厚、内外直径、缺陷以及其他类型方面的自动检测。

连续十几年,我国已经保持世界第一粗钢生产大国的地位，伴随着产量逐年不断的上升，各国对高速无缝钢管的性能和质量的要求也越来越高，特别是在无缝钢管无损探伤领域，超声波检测是目前应用最广泛的，使用高频率的超声波无损检测，本方法具有更快的无损检测技术，而超声波探伤仪是保证无缝钢管质量的有利机械，但是随着科学技术的快速发展，研发一套高速钢管无损探伤检测系统，对于我国的冶金自动化技术发展有非常大的现实意义。

无损探伤方法很多,用途也曾在很多的差异,根据不同的需求,选择不同的无损探伤方法,本次我主要是借助超声波进行无损探伤,因为超声波相对于其他的来说,更加经济实用,并且能解决当前的问题.然而解决当前国内钢管检测,是目前重要的环节之一,同时也能为工业设计上解决许多关于无损探伤检问题,相对于自己来说,也是一次很不错的锻炼。

对于在此方面的研究有很大困难，对于技术部分的提升是一个很好的研究方向。

2总体方案设计

2.1超声波无损探伤的原理

这节里介绍目前应用最多的通过反射法来获取被测物体内部特征的探伤方法。

反射法的基本原理是超声波在通过不同声阻抗组织界面时会发生较强的反射，正如我们所知道的那样，声波从一种介质传播到另一种介质的时候在两者接触的界面会发生反射，而求这两种介质之间的差别越大，反射也越大，基于这个原理，我们可以对一个物体发出一道沿直线传播且穿透力强的超声波，然后对反射回来的超声波进行接收，并且根据反射回来的超声波的先后、幅度等情况进行判断，就可以知道这个物体的内部组织、介质大小、分布情况及对比差别程度，（其中反射回来的超声波的先后反映出反射界面离探测表面的距离，幅度则反映出介质的大小、对比差别程度等特性）从而可以对被测物体进行判断，是否有异常。

图2-1超声波无损探伤原理图

如图2-1所示通过电路产生激励电信号传输到探头上，探头透过压电效应产生超声波，入射波射入到钢管中，在钢管中碰到缺陷时，产生一个反射波，探头接收反射回来的超声波，接收到反射波的同时，通过压电效应产生电信号并传送给信号处理系统，通过一系列的分析，最后形成图像让人们观察和判断。

2.2旋转系统的原理

旋转系统在整个设计当中是个重要部分，它的设计关系到整个装置的运行，它的工作原理如下。

图2-2旋转系统的原理图

如图2-2所示，电机旋转通过多楔带传递到主轴上的带轮上，带动整个主轴旋转，轴承起个支撑作用。

在主轴旋转的同时利用了电容的隔直同交的这个特性，在固定电容和旋转电容之间传递电流。

在键里排布了电缆用来连接2个旋转电容之间的电流传递。

2.3水循环系统的原理

换能器发射的超声波在被检物中传播且返回需穿过几个不同声阻抗（密度和声速的乘积）的界面，声阻抗的不匹配造成声反射时的能量损失，若在声程中存在空气，这种能量损失是非常大的，那么在探伤的同时就需要用到耦合水来减少这种能量损失。

图2-3水循环系统的简图

如图2-3所示，耦合水由入水口进入到水箱，然后通过水箱下方的2个出水口排出耦合水，再经过过滤器1把耦合水中的杂质去掉，再通过变量泵抽取，在过滤器2下进一步把杂质去掉，再把耦合水送到水箱，完成一次循环。

2.4探头腔的原理

探头腔是整个探伤机中的重要组成部分，它是把主轴与探头之间相联系起来的重要纽带，而且有了探头腔的存在，就可以改变探头的在径向方向上的位置了，达到测试不同管径的要求。

图2-4探头腔的原理图

如图2-4所示，先松开固定装置2，再通过扳动扳手1，齿轮5就可以旋转了，在此轮旋转的同时，8个无损探头3就开始沿着弧形通道4移动。

探头这样同时移动就缩减了相互之间的距离，也就是可以探测的钢管的直径缩小了，通过这种方法来改变探伤的直径。

结论

本文在对无缝钢管在线高速超速探伤仪主机系统的功能和要达到的性能指标进行研究的基础上，主要完成了探伤主机的转子部分的设计，给出了相关的设计原理和实现策略，针对现有设备存在的不足之处进行了重新设计，利用三相电机经过多楔带带动探头旋转，使系统旋转精度得到了提高，同时在设计过程中也发现了存在的诸多技术难点。

无损探伤检测技术在冶金，石化等工业领域有着广泛而关键的应用，所以提高无损检测的效率能够极大地推动工业的发展。

本设计针对钢管检测领域选择了借助超声波进行无损探伤，有着经济实用的优点，也给其它无损探伤问题提供了借鉴。

对我来说，这次设计是一次很深刻的锻炼，从最开始的选题，定稿，查资料，到最后的查重，一步一步的深入，让我深刻的体会到了做科研的艰难，更让我学会了如何解决问题，提高了主观能动性。

致谢

参考文献

[1]赵元吉等.机械制造工艺学.北京：

机械工业出版社，1989；

[2]孟少农等.机械加工工艺手册.北京：

机械工业出版社，1998；

[3]Brunel.Ultrasonics:

MethodsandApplications.England：

BUTTERWORTHS，1971；

[4]应崇富等.超声学.北京：

科学出版社，1990；

[5]朱龙根等.简明机械零件设计手册.北京：

机械工业出版社，2001；

[6]冯若等.超声手册.南京：

南京大学出版社，1999；

[7]邱宣怀.机械设计.北京：

高等教育出版社，2010；

[8]刘鸿文.材料力学.北京：

高等教育出版社，2009；

[9]陈海魁.机械基础.北京：

中国劳动社会保障出版社，2006；

[10]周长城.液压与液力传动.北京：

北京大学出版社，2010；

[11].Hindhede，zimmerman,Hopkins,etal.MachineDesignFundamentals——APraticalApproach，JohnWiley&Sons,1983

[12].（德）弗罗尼斯主编.设计学——机械零件.王汝霖等译.1988

[13].郑林庆.摩擦学原理.1994

[14].李如松.钢管无损探伤系统的应用现状与展望.中国期刊全文数据库1994年第4期。

[15].李明.移动钢管无损探伤系统设计.制造技术与机床2005年第7期。

[16].李杜莉，武洪恩，刘志海.钢管无损探伤系统的运动学分析.煤矿机械2007年2月

[17].成大先