Установка для промышленного автоматизированного ультразвукового контроля металлопродукции

Полезная модель относится к области неразрушающей диагностики, а именно к средствам для промышленного автоматизированного ультразвукового контроля (УЗК) металлопродукции. Техническое решение может найти свое применение, в частности, на производственных поточных линиях трубных заводов для выявления скрытых дефектов сварных или бесшовных труб, включая предназначенные для использования при буровых работах или в особо ответственных трубопроводах.
Из патентного документа RU 167815 U1 от 10.01.2017 известна установка для УЗК сварных швов труб. Указанная установка содержит правый и левый модули контроля тела трубы, а также правый и левый модули контроля концов трубы, имеющих значительно меньшую рабочую зону. Для перемещения модулей в рабочих зонах служат несущие ролики, выполненные с возможностью перемещения данных модулей вдоль горизонтальной опорной балки портала установки. В процессе контроля помещают трубу в первое рабочее положение, придают ей осевое вращение и одновременно с этим линейно перемещают правый модуль контроля тела трубы и левый модуль контроля конца трубы вдоль диагностируемой трубы, сканируя таким образом два пространственно разнесенных ее участка. После окончания работы указанных модулей перемещают трубу во второе положение, вращают ее и аналогично задействуют левый модуль контроля тела трубы и правый модуль контроля конца трубы, сканируя два участка трубы, оставшихся неохваченными на первом этапе контроля. В результате вся труба оказывается продиагностированной.
Однако конструкция известной установки для УЗК металлопродукции является относительно сложной из-за необходимости задействования для полного сканирования трубы четырех модулей контроля, каждый из которых содержит измерительные преобразователи и механику для пространственного перемещения, требует разветвленные линии связи для соединения с общим устройством управления и обработки измерительной информации, мощным источником электрического питания для запитывания четырех модулей. В случае использования пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП), к каждому модулю необходим подвод воды для создания акустического контакта между ПЭП и объектом контроля, что означает необходимость прокладки гидравлических шлангов и задействования достаточно производительного водяного насоса. Сложность конструкции известной установки определяет повышенную вероятность поломок, что делает устройство недостаточно надежным для использования в промышленных условиях. Для управления работой четырех модулей устройство управления и обработки измерительной информации должно иметь соответствующий многоканальный интерфейс или дополнительную схему коммутации, сложные внутренние цепи. При этом необходима сложная настройка установки, а в случае применения ПЭП относительно высок расход воды и риск аварийных протечек. В процессе работы четыре совершающих челночные движения модуля создают высокий уровень шума, увеличивают занимаемое установкой пространство, повышают уровень опасности в цехе присутствием установки с большим числом движущихся частей.
Решаемыми техническими проблемами являются: повышение надежности установки для УЗК металлопродукции, облегчение ее эксплуатации, снижение расхода запасных частей, улучшение производственных условий в цехе с установкой, а обеспечиваемый настоящей полезной моделью технический результат заключается в упрощении конструкции данной установки, вследствие чего снимается ограничение по объему контроля краевого участка металлопродукции по длине.
Технический результат достигается благодаря тому, что установка для УЗК объекта металлопродукции содержит первый и второй модули раздельного двухэтапного контроля, в состав которых входят ультразвуковые преобразователи для прозвучивания объекта металлопродукции и несущие элементы для перемещения указанных преобразователей в рабочих зонах модулей. Установка содержит также функциональные узлы управления и обработки измерительной информации, источник электрического питания, связанные с данными модулями контроля. Причем функциональные узлы управления и обработки измерительной информации выполнены с возможностью контроля на первом этапе одной половинной части объекта, включая прилегающий краевой участок, посредством первого модуля контроля, и с возможностью контроля на втором этапе другой половинной части объекта, также включая прилегающий краевой участок, посредством второго модуля контроля. Пространственное расположение модулей выбрано при этом из условия охвата их рабочими зонами соответствующих половинных частей объекта в процессе контроля.
В частном случае осуществления полезной модели оба модуля контроля содержат идентичные ультразвуковые преобразователи и идентичные несущие элементы для их перемещения.
В другом частном случае каждый указанный несущий элемент выполнен с возможностью перемещения соответствующего ультразвукового преобразователя по всей длине объекта контроля.
Также в частном случае оба модуля контроля характеризуются единой рабочей горизонтальной плоскостью.
В другом частном случае модули контроля построены на основе ПЭП, а установка дополнительно содержит насос и трубопровод для подвода воды к каждому модулю контроля.
В еще одном частном случае модули контроля построены на основе электромагнитно-акустических преобразователях (ЭМАП).
Полезная модель поясняется следующими чертежами, на которых в качестве примера показана предпочтительная конструкция установки для промышленного автоматизированного УЗК стальных труб и аналогичной металлопродукции.
Фиг. 1: структурная схема установки для УЗК, вид спереди и в плане.
Фиг. 2: установка для УЗК, вид со стороны левого бока.
Фиг. 3: диагностируемая труба проходит первый этап УЗК.
Фиг. 4: эта же труба проходит второй этап УЗК.
Фиг. 5: одновременный УЗК двух труб.
Установка для ультразвукового контроля металлопродукции содержит неподвижный портал 1, первый модуль контроля 2, второй модуль контроля 3, ролики 4 для перемещения объекта контроля, водяной насос 5 и электронный блок 6 (фиг. 1).
Портал 1 состоит из горизонтальной балки и пары боковых вертикальных стоек, образующих вместе опорный каркас, имеющий, в целом, П-образную форму. Высота расположения балки и расстояние между опорами выбраны из условия свободного перемещения сквозь портал диагностируемой металлопродукции.
Каждый модуль контроля 2, 3 содержит электроакустический ПЭП 7, а также моторизированную каретку 8 с колесной парой и датчиками координат (фиг. 2). ПЭП 7 жестко связан с кареткой 8 через регулируемый сервоприводами Г-образный кронштейн 9. Каретка 8 и кронштейн 9 являются элементами подвески, несущей ПЭП 7 и задающей его пространственное расположение. Оба модуля 2, 3 конструктивно полностью идентичны.
Ролики 4 имеют достаточную длину для перемещения объекта контроля без перекоса, установлены на общей платформе-основании 10, неподвижно связанной с порталом 1, и снабжены управляемым электроприводом.
Насос 5 предназначен для подачи в зазор между рабочими поверхностями ПЭП 7 и поверхностью объекта контроля потока воды с целью образования хорошего акустического контакта.
Электронный блок 6 включает в себя функциональные узлы управления и обработки измерительной информации, а также источник электрического питания, мощность которого выбрана из условия снабжения энергией указанных функциональных узлов, модулей контроля 2, 3, а также насоса 5 и привода роликов 4. Электронный блок 6 представляет собой одно или несколько цифровых вычислительных устройств, управляемых центральным компьютером.
Модули контроля 2, 3 закреплены на балке портала 1 с возможностью линейного движения. При этом обеспечивается перемещение ПЭП 7 по всей длине объекта контроля. Для исключения опасности выхода колес кареток 8 за пределы балки портала 1 в конструкции установки предусмотрены направляющие элементы, в виде, например, рельсового пути, и ограничители хода.
ПЭП 7, электромоторы кареток 8, привод роликов 4 и насос 5 электрически связаны с электронным блоком 6 через информационные, управляющие и силовые входы-выходы посредством кабелей или проводов.
Водяной насос 5 в свою очередь соединен с модулями контроля 2, 3 через трубопровод из гидравлических шлангов 11.
Электронный блок 6 и водяной насос 5 размещены в отдельных корпусах, прикрепленных к одной или разным стойкам портала 1.
Установка функционирует следующим образом.
А
А
На пару роликов 4 укладывают диагностируемую трубу 12 (фиг. 3). При этом труба 12 оказывается в рабочей зоне  модуля контроля 2, покрывающей не менее половины объекта контроля по его длине, включая близлежащий конец трубы. Посредством роликов 4 придают трубе 12 многократное вращение вокруг ее оси. Начинают первый этап контроля, для чего функциональный узел управления в электронном блоке 6 считывает показания с датчиков координат модуля контроля 2, проверяет пространственное положение данного модуля и при необходимости устанавливает модуль 2 в исходное положение. В зависимости от диаметра трубы 12 точно позиционируют ПЭП 7 сервоприводами кронштейна 9, подводя в непосредственную близость к объекту контроля. Затем подают воду в область контроля и поступательно перемещают модуль контроля 2 вдоль трубы 12, производя ее прозвучивание при помощи ПЭП 7. При этом скорости осевого вращения трубы 12 и скорость поступательного перемещения модуля контроля 2 выбирают из условия охвата спиральным сканированием ПЭП 7 всей поверхности объекта контроля в рабочей зоне . Функциональный узел обработки измерительной информации получает и обрабатывает сигналы от ПЭП 7, формируя промежуточные результаты диагностики для этой половинной части объекта контроля. Под половинной частью объекта контроля при этом понимается одна из двух сопоставимых по величине частей, вместе составляющих целое, включая прилегающий краевой участок. Краевым участком трубы, так называемым концом трубы, является участок определенной длины, отсчитываемый от торца данной трубы, диагностика которого осуществляется по иным критериям контроля.
В
После окончания первого этапа возвращают модуль контроля 2 в исходное положение, а трубу 12 снимают с первой пары роликов, перемещают через створ портала и опускают на вторую пару роликов, приступая ко второму этапу контроля (фиг. 4), который проводят аналогично первому этапу, сканируя поверхность объекта контроля теперь уже в рабочей зоне . Таким образом, модули контроля 2, 3, работают раздельно по площади объекта контроля и осуществляют диагностику в два этапа.
В результате вся стальная труба 12 оказывается подвергнутой технической диагностике и проконтролированной. Если в процессе происходит выявление какого-либо дефекта, то сообщение об этом выводится оператору установки.
Для увеличения пропускной способности установки первый модуль контроля 2 и второй модуль контроля 3 работают одновременно, сканируя сразу две трубы 121, 122 (фиг. 5).
Подобным образом возможен неразрушающий контроль и иных объектов, отличных от труб.
А
В
Выполнение функциональных узлов управления и обработки измерительной информации с возможностью контроля на первом этапе одной половинной части объекта, включая прилегающий краевой участок, посредством первого модуля контроля, и с возможностью контроля на втором этапе другой половинной части объекта, также включая прилегающий краевой участок, посредством второго модуля контроля, пространственное расположение которых выбрано при этом из условия охвата рабочими зонами модулей  и  соответствующих половинных частей объекта в процессе контроля, позволило расширить объем контроля, при котором каждый модуль контроля 2, 3 охватывает как часть тела объекта контроля, так и конец объекта, и как результат реализовать всю необходимую функциональность установки для УЗК металлопродукции с использованием всего двух одинаковых модулей контроля вместо четырех. Отказ от двух избыточных модулей контроля позволил исключить из конструкции и относящиеся к ним электрические и гидравлические соединения (в случае использования ПЭП), снизить мощность, а следовательно и сложность узлов блока 6 и насоса 5 (также при использовании ПЭП). При выборе в качестве преобразователей ЭМАП дополнительно упрощают конструкцию установки, полностью исключая из ее состава гидравлические элементы.
Благодаря тому, что половина тела металлопродукции и прилегающий краевой участок контролируются одним модулем, оператор установки получает возможность задавать необходимую длину краевого участка, к которому предъявляются повышенные требования, тем самым обеспечивая существующие требования стандартов по неразрушающему контролю, в частности, трубной продукции, с заделом на перспективу.
Упрощение конструкции установки позволило повысить надежность данной установки, облегчило ее эксплуатацию, привело к снижению расхода запасных частей, вызвало улучшение производственных условий в цехе.
Наибольшей простотой характеризуется конструкция установки, в которой оба модуля контроля содержат идентичные ультразвуковые преобразователи и идентичные несущие элементы для их перемещения.
А
В
Также для простоты конструкции целесообразно выполнять каждый несущий элемент модуля контроля с возможностью перемещения соответствующего ультразвукового преобразователя по всей длине объекта контроля, так как это позволяет обойтись без относительно сложных технических средств, необходимых для переконфигурации установки на иную последовательность технологических операций, требующих смены зон  и  местами, что дополнительно упрощается, если оба модуля контроля размещены в единой рабочей горизонтальной плоскости.