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畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告 1 結(jié)合畢業(yè)設(shè)計課題情況 根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料 撰寫 2000 字左右 的文獻(xiàn)綜述 文 獻(xiàn) 綜 述 無損檢測作為無縫鋼管生產(chǎn)的后續(xù)工序 在保證產(chǎn)品質(zhì)量方面 起著不可估量的 作用 是提高產(chǎn)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(nèi)質(zhì)檢部門也相應(yīng)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(shù) 由于其掃描的深 度大 可以檢測到近外表面以下至鋼管內(nèi)壁的缺陷 因此在無縫鋼管的生產(chǎn)中被廣泛 使用 1 1 課題介紹 在現(xiàn)代工業(yè)進(jìn)程中 無縫鋼管主要應(yīng)用于石油 化工 汽車 船舶 建筑 地質(zhì) 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(jīng)不容置疑 無縫鋼管的生產(chǎn)歷 史可追蹤到新中國成立后不久 經(jīng)過短短地幾十年發(fā)展 中國已經(jīng)成為世界上最大的 鋼管生產(chǎn)國 最大的鋼管消費(fèi)國和最大的凈出口國 但中國還遠(yuǎn)不是鋼管生產(chǎn)強(qiáng)國 具體體現(xiàn)在 對于高鋼級 能滿足特殊介質(zhì)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(jìn)口 高端生產(chǎn)設(shè)備和自動檢測設(shè)備依賴 于歐美國家的引進(jìn) 創(chuàng)新能力不足 生產(chǎn)裝備國產(chǎn)化進(jìn)程緩慢 技術(shù)附加值總體不高 質(zhì)量控制有待進(jìn)一步加強(qiáng) 尤其是后續(xù)的鋼管無損檢測重視程度不夠 設(shè)備配置水平 較低 正是因為存在這些待改進(jìn)的關(guān)鍵因素 使得部分發(fā)達(dá)國家對中國出口的無縫鋼 管提出反傾銷和反補(bǔ)貼的調(diào)查提案屢見不鮮 如何提高無縫鋼管的附加值和質(zhì)量 提 升國內(nèi)外無縫鋼管的市場競爭力 減少出口貿(mào)易摩擦 成了當(dāng)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(jìn)步 無縫鋼管的質(zhì)量檢測與評價技術(shù)的研究普遍學(xué) 術(shù)界與工程界的重視 3 4 鋼管的連續(xù)生產(chǎn)工藝決定了檢測設(shè)備需要全天工作 2 因此 監(jiān)測設(shè)備應(yīng)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(guān)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(yán)格的要求 檢測設(shè)備應(yīng)該滿足高精度的要求 再次 為了使產(chǎn)能增加 檢測速度與生產(chǎn)速度應(yīng)該同步 這就要求檢測設(shè)備應(yīng)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(zhì)量的最有效也是最科學(xué)的方法 6 其特點(diǎn)是不損害檢 測對象的使用性能 應(yīng)用多種物理原理以及化學(xué)現(xiàn)象 對各種工程材料的零部件 結(jié) 構(gòu)件進(jìn)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(gòu)件材料中是否有缺陷 并對缺陷的位置 形狀 大 小 內(nèi)含物 分布以及取向等方面進(jìn)行檢測 能夠提供組織分布應(yīng)力狀態(tài)以及機(jī)械和 物理量等方面的信息 1 2 6 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前 國內(nèi)知名的大型無縫鋼管生產(chǎn)商的高端超聲無損檢測設(shè)備一般都依賴于進(jìn) 口 如上海寶鋼使用的是德國的 Mannesmarm 公司設(shè)計的超聲自動檢測系統(tǒng) 天津鋼管 有限責(zé)任公司的則使用了德國 KarlDeutsch 德國 Nukem 日本三菱等公司設(shè)計的超聲 檢測設(shè)備 武鋼則引進(jìn)了德國本特勒公司的檢測設(shè)備 縱觀整條生產(chǎn)線裝備 多國化 已形成基本局面 產(chǎn)品質(zhì)量是產(chǎn)品立足于國內(nèi)外市場的基石 國內(nèi)無縫鋼管行業(yè)如不 加快自動無損檢測設(shè)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(yùn)輸費(fèi)用的繼續(xù)上揚(yáng) 人民幣持續(xù)升值等因素的影響 國內(nèi)無縫鋼管 的生產(chǎn)成本在不斷提升 2008 年鐵礦石基準(zhǔn)價上漲 65 人民幣至少升值 8 一 10 與 此同時 國內(nèi)的先進(jìn)在線自動無損檢測設(shè)備一般引自歐美 設(shè)備購買和維護(hù)費(fèi)用高昂 導(dǎo)致不少中小企業(yè)利潤低下 另一方面 國外無縫鋼管產(chǎn)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(chǎn)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(jìn)的自主研發(fā)的技術(shù)裝備 生產(chǎn)調(diào)度靈活 設(shè)備淘汰更新較快 相比之下 中國的設(shè) 備更新代價昂貴 消化吸收慢 國產(chǎn)化進(jìn)程緩慢 先進(jìn)的在線無損自動檢測設(shè)備至今 仍被歐美壟斷 隨著近兩年來貿(mào)易摩擦的加劇 不排除貿(mào)易壁壘引起的高端設(shè)備引進(jìn) 難度增大的可能性 為此 中國無縫鋼管產(chǎn)品的質(zhì)量要想在未來的國際市場上立足并 且邁上鋼管生產(chǎn)強(qiáng)國的道路 必須加快無損檢測設(shè)備的國產(chǎn)化 在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上 大幅度降低生產(chǎn)成本 在近幾十年中 國外在超聲波檢測的技術(shù)方面有了較大的發(fā)展 在無縫鋼管的檢 測領(lǐng)域大量的采用了超聲波檢測設(shè)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(jìn)式 鋼管直線進(jìn)給探頭旋轉(zhuǎn)式 1 探頭靜止 鋼管螺旋前進(jìn)式 這種檢測方式比較簡易 一般在設(shè)備上布置多個探頭 用水做耦合劑 鋼管螺旋 親近經(jīng)過探頭進(jìn)行探傷 英國 Krautkramer 公司采用的超聲波大型鋼管檢測設(shè)備 GRP PAT 其應(yīng)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(shù)以 及螺旋式傳送方式 并配備小尺寸檢測機(jī)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(dǎo)向作用 該設(shè)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(guān)閉變形以及超聲耦合進(jìn)行檢驗 8 2 探頭旋轉(zhuǎn) 鋼管直線進(jìn)給式 探頭旋轉(zhuǎn)式檢測設(shè)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(zhuǎn)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(nèi)相差甚遠(yuǎn) 3 鋼管不旋轉(zhuǎn)直行 探頭靜止不動式 9 鋼管不旋轉(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jìn)行 全覆蓋 使其產(chǎn)生超聲波 從而能夠在鋼管的全表面進(jìn)行掃查 從而達(dá)到測量鋼管厚 度的要求 4 鋼管原地旋轉(zhuǎn) 探頭沿軸線移動式 10 鋼管原地旋轉(zhuǎn) 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(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)來覆蓋 是超聲波在鋼管全表面進(jìn)行掃查 從而達(dá)到檢測鋼管全體的目的 國內(nèi)對于超聲檢測方面的研究相對較晚 從上個世紀(jì) 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(guān)技術(shù)進(jìn)行研究 并在這一領(lǐng)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(jīng)過 30 多年的深入研究與不斷完善 他們通過發(fā)射機(jī)發(fā)射出大功率脈沖信號 在壁厚 18mm 的鋼板中產(chǎn)生 lamb 波檢測缺陷 12 從理論研究領(lǐng)域看 我國的研究水平與國際基本同步 但在實際應(yīng)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(zhì)量檢測控 制也成了歷史必然 在這種情況下 國內(nèi)的許多企業(yè)和研究所開始研發(fā)具有自主產(chǎn)權(quán) 的無損檢測設(shè)備 如鞍山超聲儀器工業(yè)公司結(jié)合研制探傷設(shè)備經(jīng)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(jī)械跟蹤以及電子為跟蹤相結(jié)合的 跟蹤系統(tǒng) 從而保證焊縫兩側(cè)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(zhuǎn)的方式研制了一套無縫鋼管超聲檢測系統(tǒng) 16 浙江大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué) 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(guān)鍵技術(shù) 無損檢測是在不損壞原工件的情況下對工件進(jìn)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(diǎn) 17 本課題采用超聲檢測 其原理是 在檢測時 把具有較強(qiáng)穿透能力的超聲 波導(dǎo)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(chǎn) 生回波 系統(tǒng)能夠檢測到這些回波 并對其進(jìn)行放大處理 使其轉(zhuǎn)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(zhì)聲阻抗差異跟交界面的取向 以及大小有關(guān) 4 17 超聲波檢測的精度較高 能夠?qū)?gòu)件的表面和內(nèi)部缺陷檢測出來 對其缺陷進(jìn)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(shù) 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(chǎn)生交變磁場 金屬表面隨即感應(yīng) 出渦流 電流在磁場中受到洛倫茲力作用 金屬在交變應(yīng)力作用下就會產(chǎn)生應(yīng)力波 當(dāng)頻率超過 20KHz 19 就形成了超聲波 從電磁超聲產(chǎn)生的機(jī)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(yīng)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(chǎn)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(shù)的研究已經(jīng)多年 近年來逐 漸得到重視 尤其是在材料無損檢測 21 領(lǐng)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(dǎo)波檢測技術(shù) 如今隨著 換能器設(shè)計制造技術(shù)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(shù)成功用于復(fù)合材料的檢測 雖然空氣耦合技 術(shù)在近幾年來取得了突破性進(jìn)展 但是離在線檢測目標(biāo)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(shù)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(shù)則對鋼管近表面缺陷比較敏感 對于內(nèi) 部或者靠近內(nèi)壁缺陷則無法檢測 因此 如果試圖檢測鋼管內(nèi)可能存在的全部缺陷 單靠一種無損檢測技術(shù) 到目前為止還是相當(dāng)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(shù)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(zhì)量檢測為研究對象 可確 定本文的研究方法為基于水介質(zhì)超聲波檢測法 23 參考文獻(xiàn) 1 張元奇 基于超聲技術(shù)的無縫鋼管缺陷檢測系統(tǒng)的設(shè)計 D 青島科技大學(xué) 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(xué) 2006 3 涂君 鋼管水浸超聲自動檢測的關(guān)鍵工藝參數(shù) D 華中科技大學(xué) 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(xué) 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(xué) 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(jī)械設(shè)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(xué) 2006 8 方文平 無縫鋼管超聲自動檢測關(guān)鍵技術(shù)研究 D 浙江大學(xué) 2010 9 白仁昭 無縫鋼管超聲波自動檢測系統(tǒng)研制 J 機(jī)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(xué)學(xué)報 自然科學(xué)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(xué)技術(shù)大學(xué)出版社 2006 12 卓東妮 無縫鋼管探傷方法探討 J 特鋼技術(shù) 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 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給出無縫鋼管超聲波自動檢測的設(shè)計方案 通過四種 設(shè)計工藝進(jìn)行比較 結(jié)合具體情況 本項目選擇了 鋼管直線前進(jìn)探頭旋轉(zhuǎn) 的方式 通過直接檢測法對鋼管進(jìn)行探傷 3 通過對檢測對象的參數(shù)進(jìn)行分析 考慮實際情況 對無縫鋼管超聲檢測系統(tǒng) 機(jī)械部分進(jìn)行合理設(shè)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(shè)計的工作進(jìn)度計劃 2016 年 2 月 29 日 3 月 21 日 撰寫開題報告 確定技術(shù)方案 2016 年 3 月 30 日 5 月 10 日 完成具體設(shè)計 2016 年 5 月 11 日 6 月 1 日 撰寫設(shè)計說明書 2016 年 6 月 1 日 6 月 5 日 畢業(yè)設(shè)計答辯 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告 指導(dǎo)教師意見 溫森同學(xué)綜述了無縫鋼管超聲無損檢測國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 闡述了課題的研究意義 所述內(nèi)容條理清楚 溫森同學(xué)對畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書要求 對主機(jī)架 組合檢測機(jī)構(gòu)及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的進(jìn)行方 案設(shè)計 方案基本可行 但需要進(jìn)一步細(xì)化 同意溫森同學(xué)按時開題 指導(dǎo)教師 2016 年 3 月 22 日 所在學(xué)院審查意見 同意開題 負(fù)責(zé)人 2016 年 3 月 22 日