Устройство для последовательного неразрушающего контроля зоны сварного шва

Полезная модель относится к сварочной технике, а именно к устройствам для автоматизированного неразрушающего контроля зоны сварного шва. Преимущественной областью применения настоящего технического решения является ультразвуковой контроль (УЗК) трубной металлопродукции.
Производственные требования к сварной металлопродукции предусматривают допуски смещения оси сварного шва. Для трубной металлопродукции отклонение линии сварного шва от прямой на практике достигает ±50 мм. Кроме того, существуют сконструированные криволинейные сварные швы, например в сварных трубах со спиральными швами. В обоих указанных случаях автоматизированный контроль зоны сварного шва затруднителен без непрерывного слежения за ходом линии шва в процессе работы дефектоскопической аппаратуры и необходимой коррекции кривой движения датчика неразрушающего контроля, так как в противном случае возможны ошибки контроля, в том числе пропуск дефекта или некорректное определение его местоположения.
Из патентного документа GB1415389 А от 26.11.1975 известен автоматический ультразвуковой (УЗ) дефектоскоп для неразрушающего УЗК сварного шва. Известное устройство включает в себя несколько каналов дефектоскопии с отдельными дефектоскопическими преобразователями и блоками электроники для обработки измерительной информации, размещенными на самоходной тележке для перемещения вдоль объекта контроля. Преобразователи установлены на общем держателе в ряд. При этом дефектоскоп содержит оптический, электрический или механический датчик сварного шва, а также силовой гидропривод для горизонтальной регулировки позиции держателя с целью следования за линией шва, управляемый контроллером в виде регулятора давления гидропривода. Однако из-за того, что устройство содержит единственный силовой привод для горизонтальной регулировки позиции держателя, общего для всех УЗ преобразователей, не представляется возможным независимо регулировать пространственную позицию каждого дефектоскопического преобразователя по отдельности, что может привести к несовпадению зоны сварного шва и рабочей зоны некоторых преобразователей при сканировании объекта контроля, а следовательно и к ошибкам измерения. Например, если совмещать траекторию перемещения первого по ходу движения УЗ преобразователя с линией сварного шва, то все последующие преобразователи будут совершать движение со все возрастающим опережением фактического изменения формы линии шва, так как преобразователи жестко связаны между собой держателем и перемещение первого из них вызывает немедленное перемещение и остальных преобразователей. В результате, дефектоскопический контроль сварного шва известным устройством нельзя признать достоверным.
Решаемой технической проблемой является приближение траекторий движения всех дефектоскопических преобразователей устройства к форме линии продольной оси контролируемого сварного шва. Обеспечиваемый настоящей полезной моделью технический результат заключается в повышении достоверности последовательного неразрушающего контроля зоны сварного шва.
Технический результат достигается благодаря тому, что устройство для последовательного неразрушающего контроля зоны сварного шва содержит дефектоскопические преобразователи для неразрушающего контроля зоны сварного шва и функциональный узел слежения с датчиком сварного шва. При этом функциональный узел слежения включает в себя также индивидуальные силовые приводы дефектоскопических преобразователей и контроллер. Причем дефектоскопические преобразователи установлены в ряд, а датчик сварного шва связан со всеми силовыми приводами через контроллер.
В частном случае осуществления полезной модели контроллер включает в себя запоминающеее устройство с буфером слежения, выполненным с возможностью хранения координат линии сварного шва.
В другом частном случае функциональный узел слежения включает в себя линии задержки, через которые силовые приводы дефектоскопических преобразователей связаны с контроллером.
Сущность устройства для последовательного неразрушающего контроля зоны сварного шва поясняется чертежами, схемами и графиками, на которых в качестве примера показана предпочтительная конструкция установки УЗК.
Фиг. 1-3: установка УЗК, вид в плане и спереди.
Фиг. 4: электрическая структурная схема узла слежения.
Фиг. 5: алгоритм работы установки за один цикл.
Фиг. 6: условные графики формы линии продольной оси сварного шва и траекторий движения дефектоскопических преобразователей установки.
Установка УЗК содержит несущий элемент 1, электро-акустические дефектоскопические преобразователи 2-4, электронный блок для обработки измерительной информации, функциональный узел слежения, включающий в себя сканер-профилемер 5, датчик пути 6, индивидуальные силовые приводы 7-9, контроллер 10, направляющие 11 и держатель 12 (фиг. 1-3).
Дефектоскопический преобразователь 2 предназначен для выявления поперечных дефектов объекта контроля, выполнен раздельно-совмещенным, содержит пару отдельных акустически изолированных первичных электромагнитно-акустических или пьезоэлектрических преобразователей 13 и 14, первый из которых служит для излучения, а второй для приема УЗ волн. Рабочие зоны первичных преобразователей 13, 14 образуют общую рабочую зону акустической системы преобразователя 2. Дефектоскопические преобразователи 3 и 4 имеют аналогичную конструкцию, включают в себя первичные преобразователи 15, 16 и 17, 18, предназначены для выявления соответственно продольных дефектов и расслоений при комплексном неразрушающем контроле зоны продольного сварного шва. При необходимости поиска дефектов других видов или для дублирования контроля, конструкцию установки дополняют иными дефектоскопическими преобразователями, в том числе основанными на отличающихся физических эффектах, например, феррозондовыми или вихретоковыми. Для повышения достоверности контроля установку выполняют с возможностью дублирования работы части дефектоскопических преобразователей. Выходы дефектоскопических преобразователей 2-4 связаны со входом электронного блока для обработки измерительной информации.
Каждый силовой привод 7-9 состоит из неподвижной и подвижной частей, содержит электромеханический актуатор и датчик положения исполнительного механизма.
Дефектоскопические преобразователи 2-4 конструктивно связаны с подвижными частями соответствующих силовых приводов 7-9. Неподвижные части приводов 7-9 соединены с несущим элементом 1.
1
3
Преобразователи 2-4 установлены в ряд так, что в нормальном положении центры их рабочих зон проецируются на одну прямую (фиг. 1). Расстояния Y, Y между преобразователями 2-4 могут быть заданы в диапазоне 700-1000 мм и равны между собой. Эти преобразователи установлены с возможностью взаимно параллельного перемещения по линейным направляющим 11, преимущественно в одной плоскости, параллельной оси объекта контроля. При этом направляющие 11 совместно с приводами 7-9 выполняют функцию технического средства для перемещения дефектоскопических преобразователей относительно несущего элемента 1 на постоянном расстоянии Z от объекта контроля. В альтернативных вариантах осуществления технического решения направляющие 11 выполнены изогнутыми или преобразователи 2-4 связаны с несущим элементом 1 через механизм качания для обеспечения поворота преобразователей 2-4 относительно центра трубы 19 так, чтобы обеспечить постоянство зазора между рабочими поверхностями преобразователей 2-4 и наружной поверхностью стенки трубы 19.
1
Сканер-профилемер 5 является датчиком сварного шва, представляет собой оптическое измерительное устройство с лазерным излучающим элементом и приемной видеокамерой. Конструкция корпуса сканера-профилемера 5, несущего элемента 1 и держателя 12 выбраны из условия расположения рабочей зоны датчика сварного шва на оси ряда дефектоскопических преобразователей 2-4 для обеспечения возможности измерения профиля валика усиления сварного шва и прилегающей околошовной зоны объекта контроля. Сканер-профилемер 5 закреплен на расстоянии Y от преобразователя 2. Альтернативно в качестве датчика сварного шва может быть использован детектор изменения характеристик магнитного поля, однако оптический датчик является предпочтительным, так как способен обеспечить более точное определение центра шва, причем на точность определения центра шва не влияют температура и геометрия шва. Кроме того оптический датчик имеет больший диапазон захвата поверхности, может располагаться на расстоянии от поверхности трубы, что исключает опасность его повреждения при контроле. Благодаря расположению оптического сканера-профилемера 5 в передней части установки, на удалении от первого по ходу движения дефектоскопического преобразователя 2, сканер-профилемер 5 не подвержен оптическим помехам от жидкости, пара или пыли, которые сопровождают работу, например преобразователя пьезоэлектрического типа, что увеличивает достоверность контроля.
Датчик пути 6 содержит следящий ролик, соединенный с многооборотным инкрементальным энкодером. Датчик 6 дублирован идентичным датчиком, размещенным на противоположном конце несущего элемента 1 для обеспечения возможности контроля краевой зоны трубы 19 и увеличения надежности устройства, а следовательно и повышения достоверности последовательного неразрушающего контроля зоны сварного шва.
Контроллер 10 включает в себя логическое устройство, блок формирования управляющих воздействий для силовых приводов 7-9, запоминающее устройство с буфером слежения, находящиеся на общей шине. Выход сканера-профилемера 5 электрически связан с первым измерительным входом контроллера 10 (фиг. 4). Со вторым измерительным входом контроллера 10 связан датчик пути 6, а с третьим измерительным входом связан дублирующий датчик пути. Контроллер 10 выполнен с возможностью сведения показаний датчиков пути к одному числу исходя из величины межосевого расстояния их следящих роликов. Выходы контроллера 10 связаны с управляющими входами приводов 7-9. Электрические соединения образованы посредством соединительных кабелей. Кроме того, контроллер 10 выполнен с возможностью ввода внешних данных, в частности, скорости V движения установки УЗК относительно трубы 19 или показаний датчика пути при его выполнении в виде отдельного устройства. Контроллер 10 в совокупности с датчиками 5, 6 и приводами 7-9 образует многоканальный узел слежения.
Несущий элемент 1 выполнен в виде пластины. Возможно альтернативное выполнение этого элемента в виде платформы или каркаса. Сканер-профилемер жестко соединен с несущим элементом 1 через держатель 12 или непосредственно прикреплен к этому элементу. Направляющие 11, неподвижная часть приводов 7-9, датчик 6, контроллер 10 и электронный блок для обработки измерительной информации связаны с несущим элементом 1 посредством крепежных элементов конструкции.
Все перечисленные части устройства соединены между собой сборочными операциями, обеспечивающими конструктивное единство и реализацию этим устройством общего функционального назначения для последовательного неразрушающего контроля зоны сварного шва.
Настоящее техническое решение работает в автоматическом режиме следующим образом.
Металлическую трубу 19 помещают в зону контроля, сварным швом вверх. Зона сварного шва охватывает собственно сварной шов и прилегающие к нему околошовные зоны. Ширина валика усиления шва и ширина околошовных зон на практике составляют соответственно 10-35 и 50-100 мм. При предварительной настройке установки преобразователи 2-4 размещают относительно центра шва на определенном расчетным путем расстоянии исходя из обеспечения охвата зоны сканирования таким образом, чтобы обеспечить возможность отражения УЗ колебаний, излучаемых одним из первичных преобразователей, от дефектов в зоне сварного шва и попадания на приемный первичный преобразователь. Взаимное размещение преобразователей определяет их рабочую зону, которая должна совпадать при контроле с зоной сварного шва.
Установку УЗК приводят в начальное рабочее положение на краю трубы 19. При этом ролик датчика пути 6 находится в непосредственной близи от торца трубы 19 в плотном контакте с наружной поверхностью ее стенки. Исходное показание датчика пути 6 принимают за координату начала трубы 19 по продольной оси Y. Сканер-профилемер 5 ориентирован в сторону валика усиления сварного шва, координата сканера-профилемера 5 по оси Y в начальный момент времени равна координате начала трубы 19 по этой же оси.
Сканер-профилемер 5 направляет на поверхность трубы 19 плоский лазерный луч и регистрирует отраженное от объекта контроля оптическое излучение при помощи видеокамеры. Устройство анализирует профиль поверхности по полученному изображению и находит, с учетом известного расстояния центра рабочей зоны сканера-профилемера 5 от несущего элемента 1, координаты краев и середины выступающего валика сварного шва относительно несущего элемента 1 по поперечной оси X.
После этого включают дефектоскопическое оборудование и поступательно передвигают установку УЗК вдоль продольной оси трубы 19 с заданной постоянной скоростью V. Во время работы устройства преобразователи 2-4 последовательно проходят над одним и тем же участком объекта контроля. При этом датчик 6 выдает данные о текущем положении установки на объекте контроля по оси У. По остановке ролика датчика 6 определяют координату конца трубы 19, а до этого момента в качестве указанной координаты принимают бесконечно большую величину. В процессе движения трубы 19 контроллер 10 производит проверку ряда условий и при необходимости осуществляет подачу управляющих воздействий на силовые приводы дефектоскопических преобразователей 2-4 (фиг. 5).
Сначала логическое устройство контроллера 10 проверяет выполнение условия (1).
Где:
c
Y - текущее показание датчика пути;
b
Y - координата начала трубы;
e
Y - координата конца трубы.
c
c
с
c
Если условие (1) истинно, то помещают в буфер слежения контроллера 10 пару характеризующих действительное пространственное положение точки сварного шва значений 〈X, Y〉, где Х - текущая координата середины сварного шва по поперечной оси, a Y - текущее показание датчика пути по продольной оси. Подобным образом постепенно накапливают в буфере слежения данные о координатах линии сварного шва на участке длиной от сканера-профилемера 5 до последнего дефектоскопического преобразователя 4.
В процессе этого контроллер 10 также проверяет истинность условий (2).
Где:
c
Y - текущее показание датчика пути;
i
Y - координата дефектоскопического преобразователя i относительно датчика пути, причем i=1, 2, …,N, где N - общее число дефектоскопических преобразователей;
b
Y - координата начала трубы;
e
Y - координата конца трубы.
Для установки с тремя дефектоскопическими преобразователями 2, 3 и 4 выражение (2) приводят к следующей совокупности независимых неравенств:
1
0
3
j
1
2
3
j
j
j
j
j
0
3
3
3
Первое неравенство относится к преобразователю 2, второе неравенство относится к преобразователю 3, а третье неравенство относится к преобразователю 4. При выполнении неравенства в отношении соответствующего дефектоскопического преобразователя контроллер 10 вычисляет величину ΔХ, характеризующую отклонение центра рабочей зоны данного преобразователя от нормального положения Х, принятого за начало оси X. Например, для вычисления ΔХ преобразователя 4 (фиг. 2), сначала определяют его координату Y как разницу между текущим показанием датчика пути 6 и суммой величин Y, Y и Y, затем в буфере слежения находят пару 〈X, Y〉 по ключевому значению Y и извлекают значение X, после чего вычисляют разность X-Х и принимают ее за ΔХ. Множество значений ΔX(t), где t - время, характеризует кривую движения преобразователя 4. Логическое устройство подает команду на вход блока формирования управляющих воздействий, выходной сигнал которого поступает на вход силового привода 9 для смещения преобразователя 4 на величину ΔХ с целью такой коррекции позиции оси центра его рабочей зоны, чтобы данная ось совпала с геометрической линией сварного шва. Аналогичные действия выполняют в отношении преобразователей 2 и 3.
Как следствие независимого управления положением дефектоскопических преобразователей 2-4 индивидуальными силовыми приводами 7-9 в процессе последовательного неразрушающего контроля зоны сварного шва обеспечивается постоянство такого расположения всех указанных преобразователей относительно линии сварного шва, что траектории движения всех дефектоскопических преобразователей устройства совпадают с формой линии продольной оси контролируемого сварного шва, благодаря чему достигается высокая достоверность последовательного неразрушающего контроля зоны сварного шва, даже если пространственное расстояние между рабочими зонами дефектоскопических преобразователей многократно превышает величину отклонения сварного шва от заданной линии.
0
1
2
3
В альтернативном варианте выполнения установки многоканальный узел слежения вместо буфера содержит три линии задержки, например цифровые. При этом приводы 7-9 связаны с блоком формирования управляющих воздействий контроллера 10 через указанные линии задержки. В процессе контроля вычисляют ΔХ для сварного шва в точке под сканером-профилемером 5. В момент времени t сварной шов на уровне сканера-профилемера 5 отклоняется от прямой линии и приобретает вид кривой А (фиг. 6), при этом величина ΔХ становится отличной от нуля. Контроллер 10 подает управляющие воздействия приводам 7-9 для корректирующего перемещения преобразователей 2-4 на одинаковую величину ΔХ, но с разными временными задержками, величины которых вычисляют как отношение расстояния между сканером-профилемером 5 и соответствующим дефектоскопическим преобразователем к известной постоянной скорости V перемещения установки относительно объекта контроля. В результате траектория В движения преобразователя 2 начинает в точности повторять форму продольной оси сварного шва в момент времени t, а траектории С, D преобразователей 3, 4 в моменты t и t соответственно. Таким образом каждая пара первичных электро-акустических преобразователей будет сдвинута в поперечном направлении в тот момент, когда она окажется в области изменения положения сварного шва. В результате поперечное положение каждого преобразователя 2-4 в каждый момент движения вдоль сварного шва на трубе 19 соответствует оси сварного шва в данной точке, что обеспечивает совпадение рабочей зоны дефектоскопического преобразователя и зоны сварного шва.
Вариант устройства с буфером слежения является предпочтительным, так как определение величины корректирующего перемещения не зависит от скорости V перемещения установки относительно объекта контроля, что позволяет исключить ошибки, вызванные отклонением скорости V в процессе контроля от заданного значения, и достичь максимально возможной достоверности дефектоскопического контроля.