不銹鋼管作為油氣開(kāi)采與運(yùn)輸過(guò)程的重要器件而大量使用，對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)是不銹鋼管正常生產(chǎn)應(yīng)用的前提。隨著鋼管連軋工藝的發(fā)展鋼管，最大生產(chǎn)節(jié)奏達(dá)到960支／h，在線檢測(cè)最高要求速度達(dá)到3m／s，與此相對(duì)應(yīng)的漏磁檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度也相繼提高。其中，對(duì)不銹鋼管缺陷進(jìn)行精確而不遺漏的標(biāo)記是檢測(cè)結(jié)果有效性的重要前提，對(duì)缺陷的復(fù)查和尋找，以及不銹鋼管的后處理工藝安排具有重要作用。所以，在鋼管高速檢測(cè)過(guò)程中，缺陷標(biāo)記系統(tǒng)是不可或缺的組成部分。
一、標(biāo)記系統(tǒng)
假設(shè)不銹鋼管檢測(cè)最高檢測(cè)速度為3m／，缺陷標(biāo)記分辨率dpx為20mm，則最高標(biāo)記頻率f為
fpr=Vmax/dpx=150Hz(6-17)
也即，為使兩個(gè)相隔20mm的缺陷能夠相互獨(dú)立標(biāo)識(shí)且沒(méi)有遺漏，標(biāo)記系統(tǒng)每秒鐘需標(biāo)記150次，才能滿足鋼管高速漏磁檢測(cè)的標(biāo)記要求。
標(biāo)記系統(tǒng)工作流程如圖6-34所示。缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)被磁敏傳感器獲取之后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后由A-D采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)后處理，輸出結(jié)果與設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)門(mén)限對(duì)比，如果信號(hào)幅值超過(guò)門(mén)限，則判定為缺陷，并將缺陷信息傳輸給可編程序控制器PLC。系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)記系統(tǒng)與磁敏傳感器之間的距離以及鋼管運(yùn)行速度，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確延時(shí)之后輸出高電平控制電磁閥工作，噴嘴持續(xù)噴出一段時(shí)間涂料之后停止，并等待下一次缺陷信號(hào)到來(lái)，噴壺標(biāo)識(shí)器如圖6-35所示。
為了控制缺陷標(biāo)識(shí)精度，標(biāo)記系統(tǒng)需要精確控制漏磁檢測(cè)探頭與噴嘴之間的距離，并根據(jù)運(yùn)行速度進(jìn)行延時(shí)設(shè)置。對(duì)于漏磁陣列探頭檢測(cè)系統(tǒng)，標(biāo)記系統(tǒng)在確定探頭與噴嘴之間的距離時(shí)，需要精確到獨(dú)立的傳感器單元，尤其是針對(duì)條狀探頭。一般來(lái)說(shuō)，條狀探頭整體長(zhǎng)度大于100mm，如果將其看成一個(gè)整體，則標(biāo)識(shí)誤差將大于100mm。
一個(gè)噴壺的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法滿足標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的噴標(biāo)頻率要求。為此，一般采取陣列噴壺對(duì)缺陷進(jìn)行標(biāo)記，主要有兩種布置方案：其一，噴槍沿鋼管軸向陣列布置；其二，噴槍沿鋼管周向陣列布置。
陣列標(biāo)記系統(tǒng)相對(duì)于單噴嘴標(biāo)記系統(tǒng)具有更高的標(biāo)記速度和精度，具有以下特點(diǎn)：
1）將缺陷信息分配給不同噴嘴進(jìn)行工作，提高標(biāo)識(shí)速度。
2）將連續(xù)缺陷信息分點(diǎn)標(biāo)記，可以提高分辨率，以消除整片連續(xù)標(biāo)記現(xiàn)象。
3）控制器接收到缺陷信息之后，將控制空閑的噴嘴進(jìn)行工作。
4）多個(gè)噴嘴需要循環(huán)使用，以保證噴嘴通暢，防止氣路阻塞和噴嘴堵塞。
5）尋求最佳標(biāo)識(shí)控制方案以提高標(biāo)識(shí)速度和精度，并能對(duì)設(shè)備進(jìn)行良好維護(hù)。
圖6-36所示為多噴嘴聯(lián)合標(biāo)記系統(tǒng)，主要由多噴嘴組合、涂料壺、升降框架、控制臺(tái)和升降電動(dòng)機(jī)構(gòu)成。多噴嘴系統(tǒng)采用8個(gè)噴嘴雙排陣列組合方式，由8個(gè)電磁閥獨(dú)立控制和8個(gè)涂料壺單獨(dú)供涂料。由于不同管徑不銹鋼管中心高不同，從而造成噴嘴與鋼管之間的距離發(fā)生改變。一般距離越小，涂料行程越小，標(biāo)識(shí)斑點(diǎn)越小，速度越快，因此，噴嘴中心高需根據(jù)鋼管規(guī)格進(jìn)行調(diào)整。
二、噴槍結(jié)構(gòu)
噴槍作為標(biāo)記系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)很大程度上決定了標(biāo)記系統(tǒng)的性能?？紤]到標(biāo)記工作現(xiàn)場(chǎng)特殊環(huán)境，如高溫、強(qiáng)振動(dòng)、多灰塵等，噴槍槍體做成如圖6-37所示的結(jié)構(gòu)，它可以用于檢測(cè)過(guò)程中棒材、管材、線材、板材等金屬件的快速缺陷標(biāo)記。
圖6-37所示的噴槍具有如下特點(diǎn)：
1）噴槍最小口徑為0.3mm，最小噴涂量可達(dá)3g／min，可以較大程度地節(jié)約涂料。
2）使用圓形空氣帽可噴出圓形斑點(diǎn)，其形狀正好適用于缺陷標(biāo)記。
3）帶有拉栓，維護(hù)清洗方便，配有物料循環(huán)功能，可以防止噴槍堵塞。
4）響應(yīng)速度快，只需40ms便可實(shí)現(xiàn)啟閉，這是實(shí)現(xiàn)高速標(biāo)記的關(guān)鍵。
三、噴標(biāo)控制
缺陷標(biāo)記是不銹鋼管檢測(cè)結(jié)果的直接體現(xiàn)，高精度和高分辨率是標(biāo)記系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。高精度體現(xiàn)在標(biāo)記位置與缺陷位置形成精確的空間對(duì)應(yīng)；高分辨率體現(xiàn)為缺陷標(biāo)記斑點(diǎn)有效而且較小，避免大片連續(xù)標(biāo)記造成缺陷難以辨識(shí)；而且兩者都必須建立在無(wú)漏標(biāo)記的基礎(chǔ)之上。高速標(biāo)記系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)為高效的控制方案和策略，根據(jù)缺陷信號(hào)進(jìn)行合理有效的標(biāo)記，可使后處理工藝更加方便快捷，以及時(shí)反饋鋼管生產(chǎn)工藝中的缺陷。
1. 控制方法
標(biāo)記系統(tǒng)將涂料從料筒運(yùn)送到涂料壺，然后經(jīng)噴嘴標(biāo)記到鋼管上，其氣路工作原理如圖6-38所示。
從圖6-38中可以看出，噴嘴與磁敏傳感器之間存在一定的空間距離，即噴嘴在漏磁檢測(cè)探頭之后。實(shí)際工作過(guò)程中，要求標(biāo)記斑點(diǎn)與缺陷位置對(duì)應(yīng)，并且斑點(diǎn)分辨率越高越好，以確定缺陷的數(shù)量。由于兩者存在一定空間錯(cuò)位，缺陷信號(hào)被處理和判斷后，不能立即噴標(biāo)，必須延時(shí)一段時(shí)間，以保證缺陷位置與標(biāo)記斑點(diǎn)對(duì)應(yīng)。為保證標(biāo)記斑點(diǎn)具有可視性，涂料噴灑必須持續(xù)一段時(shí)間。而為了讓缺陷與缺陷之間具有可分辨性，涂料噴灑時(shí)間又不能過(guò)長(zhǎng)，標(biāo)記系統(tǒng)控制方案布局如圖6-39所示。
標(biāo)記控制信息依次經(jīng)過(guò)：檢測(cè)探頭、前置放大器、采集卡、計(jì)算機(jī)、控制器、電磁閥和噴頭。檢測(cè)探頭將漏磁場(chǎng)量轉(zhuǎn)換為模擬量，并經(jīng)A-D采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)USB 總線輸入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算和判斷，如果信號(hào)超過(guò)報(bào)警門(mén)限，則輸出缺陷脈沖信號(hào)，通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)娇刂破鬟M(jìn)行處理。經(jīng)控制器內(nèi)部控制指令延時(shí)，輸出控制高電平并延時(shí)一段時(shí)間，控制電磁閥持續(xù)工作，使噴嘴噴灑涂料至鋼管表面，并與缺陷位置相對(duì)應(yīng)。
標(biāo)記過(guò)程中，被檢測(cè)鋼管直線前進(jìn)速度為vn，探頭中心與噴嘴之間的距離為L(zhǎng)pr，則缺陷從探頭處運(yùn)動(dòng)到噴嘴位置的時(shí)間。為使標(biāo)記斑點(diǎn)與缺陷位置盡量重合，從漏磁場(chǎng)處獲取信號(hào)開(kāi)始到涂料噴灑至鋼管表面為止，該信號(hào)傳輸時(shí)間應(yīng)該與缺陷運(yùn)動(dòng)時(shí)間t相等，其包括：漏磁信號(hào)從鋼管缺陷處傳輸至采集卡的時(shí)間t1，信號(hào)從采集卡通過(guò)USB總線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的時(shí)間t2，計(jì)算機(jī)內(nèi)信號(hào)處理過(guò)程時(shí)間，缺陷信號(hào)經(jīng)以太網(wǎng)進(jìn)入可編程序控制器的時(shí)間t4，控制器延時(shí)時(shí)間ts，控制器輸出信號(hào)至電磁閥的時(shí)間t6，電磁動(dòng)作時(shí)間t，以及涂料從噴嘴噴灑到鋼管表面的時(shí)間t8，并滿足以下關(guān)系式
t =t1+t2 +t3+t4+ts+t6+t7+t8 (6-19)
式（6-19）表明，缺陷產(chǎn)生的漏磁信號(hào)從缺陷處被采集到至最后涂料噴灑到鋼管表面經(jīng)歷了一個(gè)復(fù)雜的信息傳遞過(guò)程。其中，電信號(hào)傳輸時(shí)間、USB總線傳輸時(shí)間以及以太網(wǎng)傳輸時(shí)間可忽略不計(jì)，信號(hào)處理時(shí)間與評(píng)判算法、數(shù)據(jù)量和計(jì)算機(jī)配置有關(guān)，一般用時(shí)也較短。但從電磁閥開(kāi)始動(dòng)作到涂料噴灑到鋼管表面的時(shí)間較長(zhǎng)，這主要與噴嘴噴腔內(nèi)氣壓大小以及噴嘴與鋼管表面之間的距離有關(guān)。一般情況下，噴嘴與鋼管表面距離越近，涂料噴灑時(shí)間越短，斑點(diǎn)就越小。因此，噴嘴中心高度必須可調(diào)，當(dāng)更換鋼管規(guī)格時(shí)，通過(guò)調(diào)整噴嘴與鋼管表面之間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)最好的標(biāo)記效果。上述所有時(shí)間中，除了控制器延時(shí)時(shí)間ts，其余時(shí)間基本為定值，在調(diào)整鋼管運(yùn)行速度時(shí)，延時(shí)參數(shù)t，需要根據(jù)新的檢測(cè)速度進(jìn)行調(diào)整。
如圖6-40所示，可將整個(gè)標(biāo)記過(guò)程分為三個(gè)階段：第一階段，磁敏元件拾取到缺陷漏磁場(chǎng)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；第二階段，控制器獲取缺陷標(biāo)記信號(hào)，并運(yùn)行延時(shí)指令；第三個(gè)階段，延時(shí)結(jié)束，控制器輸出控制指令給電磁閥執(zhí)行標(biāo)記動(dòng)作，噴嘴噴灑涂料。
2. 控制策略
單缺陷單噴嘴模型控制器輸入?yún)?shù)包括：圖6-40 缺陷標(biāo)記延時(shí)工作原理缺陷脈沖信號(hào)、標(biāo)記開(kāi)始延時(shí)時(shí)間t和標(biāo)記持續(xù)延時(shí)時(shí)間T，輸出參數(shù)為標(biāo)識(shí)輸出。控制器采用周期上升沿獲取法，定期獲取缺陷信號(hào)，然后根據(jù)設(shè)置的兩個(gè)延時(shí)參數(shù)進(jìn)行延時(shí)并輸出給電磁閥，內(nèi)部工作時(shí)序如圖6-41所示。
當(dāng)不銹鋼管上出現(xiàn)連續(xù)缺陷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以下情況：前一個(gè)缺陷還未開(kāi)始標(biāo)記或者還未標(biāo)記完成，又出現(xiàn)新的缺陷，則會(huì)產(chǎn)生新的缺陷被遺失標(biāo)記的狀況。所以，為達(dá)到所有缺陷都能準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)而不出現(xiàn)遺漏，需要設(shè)置多個(gè)參數(shù)來(lái)儲(chǔ)存缺陷信息，并按照先進(jìn)先出的原則進(jìn)行標(biāo)記。為此，設(shè)置N個(gè)定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器輸出為Out，多個(gè)電磁閥工作時(shí)序如圖6-42所示。
整個(gè)定時(shí)器系統(tǒng)遵循以下規(guī)則：
1）如果定時(shí)器i沒(méi)有工作，則由i定時(shí)器執(zhí)行延時(shí)指令。
2）如果定時(shí)器i正在執(zhí)行延時(shí)指令，則由定時(shí)器i＋1進(jìn)行延時(shí)。
3）系統(tǒng)輸出為所有定時(shí)器輸出的疊加(Out=Outl +Out2 +··+OutN)。
根據(jù)上述設(shè)定原則，如果上一個(gè)缺陷被捕獲但還未輸出，緊接著又出現(xiàn)一個(gè)缺陷脈沖，系統(tǒng)將對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行保持。從而當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)缺陷時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)全部捕捉，而不會(huì)遺漏。其執(zhí)行流程和結(jié)果如圖6-43所示。
在如圖6-43所示過(guò)程中，一個(gè)標(biāo)記周期內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)三個(gè)缺陷，分別由三個(gè)定時(shí)器進(jìn)行上升沿捕獲，然后分別延時(shí)，共同輸出，因此三個(gè)連續(xù)缺陷點(diǎn)的標(biāo)記效果為一條連續(xù)的標(biāo)記線，而不會(huì)出現(xiàn)遺漏標(biāo)記的情況。然而，不同位置的缺陷產(chǎn)生了一條連續(xù)標(biāo)記線，雖然沒(méi)有出現(xiàn)遺漏，但是標(biāo)記分辨率降低了，遺失了精確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為提高標(biāo)記精確度，將條狀探頭內(nèi)部檢測(cè)元件獨(dú)立分類，分別設(shè)置不同的延時(shí)周期，并采用多噴嘴進(jìn)行標(biāo)記，多噴嘴標(biāo)記控制模型如圖6-44所示。
多噴嘴標(biāo)記模型是一個(gè)多輸入多輸出的控制模型，其輸出主要為8個(gè)噴嘴，而其輸入主要有如下三類：
1）缺陷脈沖：不同檢測(cè)元件發(fā)出的缺陷脈沖，同一檢測(cè)元件不同時(shí)刻發(fā)出的缺陷脈沖。
2）標(biāo)記開(kāi)始延時(shí)：由于不同位置檢測(cè)元件與噴嘴之間的距離不同，因而延時(shí)時(shí)間不同。
3）標(biāo)記持續(xù)延時(shí)：所有噴嘴采用相同的標(biāo)記持續(xù)延時(shí)時(shí)間，從而產(chǎn)生相同大小的斑點(diǎn)。
不同檢測(cè)元件對(duì)應(yīng)不同的延時(shí)器，并產(chǎn)生不同的控制指令去驅(qū)動(dòng)8個(gè)噴嘴。整個(gè)控制過(guò)程遵循以下原則：
1）噴嘴循環(huán)使用，上一次控制噴嘴i進(jìn)行標(biāo)記，下次將控制噴嘴i＋1工作；如果是第8號(hào)噴嘴正在工作，則下一個(gè)由第1號(hào)噴嘴工作。保證每個(gè)噴嘴循環(huán)使用，防止油路堵塞。
2）每個(gè)檢測(cè)元件獨(dú)立設(shè)置N個(gè)定時(shí)器，并保存相同的標(biāo)記開(kāi)始延時(shí)參數(shù)。
3）由于噴嘴分兩排，如果正在指定后排噴嘴工作，則后排噴嘴自動(dòng)延長(zhǎng)相應(yīng)時(shí)間再進(jìn)行標(biāo)記。
3. 標(biāo)記誤差
在不銹鋼管漏磁檢測(cè)中，通常施加周向局部磁化激發(fā)縱向缺陷漏磁場(chǎng)。為實(shí)現(xiàn)鋼管全覆蓋檢測(cè)，探頭與鋼管之間往往通過(guò)形成螺旋掃查方式完成全覆蓋檢測(cè)。同樣，噴嘴在鋼管表面形成的軌跡也為螺旋線。
假設(shè)不銹鋼管外徑為d1，掃查螺距為P，檢測(cè)探頭為雙探頭，探頭有效檢測(cè)長(zhǎng)度為l，標(biāo)記系統(tǒng)為單標(biāo)記系統(tǒng)，探頭中心與標(biāo)記系統(tǒng)軸向距離為L(zhǎng)pr，系統(tǒng)理論標(biāo)記誤差為leror。探頭及標(biāo)記器布置如圖6-45所示。
將不銹鋼管沿軸線展開(kāi)，得到探頭掃查平面圖（圖6-46），并獲得不同情況下的標(biāo)記誤差leror，見(jiàn)表6-5。
通過(guò)表6-5可以看出，標(biāo)記系統(tǒng)的確存在理論標(biāo)記誤差。提高標(biāo)記精度的方法主要有兩種，一種方法是增加標(biāo)記器數(shù)量，另一種方法是提高條狀探頭內(nèi)部傳感元件的分辨率，按照探頭內(nèi)部檢測(cè)元件的空間位置采用獨(dú)立的延時(shí)參數(shù)來(lái)降低標(biāo)記誤差。如果將噴壺沿著圓周均勻布置N1個(gè)噴嘴，并且將條狀探頭內(nèi)部檢測(cè)元件分為2等份，則相應(yīng)的標(biāo)記誤差最大值為： V'emor=lerror/N1N2(6-21)
