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1 前言
管道运输作为一种高效的专用运输手段，已在石油天然气运输等领域发挥了越来越大的作用。国内大口径运输管线目前主要采用螺旋焊接钢管建造。为保证运输管线的可靠运作，必须严格保证所使用的螺旋钢管的质量。因此，需要在钢管出厂前对焊缝进行无损探伤检查，以消除隐患。
在欧美发达国家，人们对钢管的无损检测认识得比较早，在检测设备的研制和使用上进行了大量的投入。同国外相比，我国的检测设备水平比较落后，对钢管焊缝的检测基本上还是采用手动或半自动设备进行，因为检测效率极低，通常只能采用抽查的方法，无法完全检测出每根钢管中可能存在的缺陷。在各种国际性招标活动中，通常都要求参与投标的钢管生产企业具有比较完善的检测措施，一些企业虽然花费巨额资金从国外引进了一些自动检测设备，但由于国内生产和检测配套条件的限制，其使用效果往往并不理想，结果导致许多引进设备处于闲置状态，浪费了大量的资金。目前的情况大大限制了国内钢管生产企业的国际竞争力。因此，钢管焊缝的无损检测一直是各企业难以解决而又亟待解决的重要问题，迫切需要开发一种适合于我国生产条件的自动化焊缝检测设备。本文将首先介绍一种用于螺旋焊接钢管焊缝检测的自动化超声波探伤系统整体组成，然后介绍作为检测设备核心的焊缝跟踪机构的机械和电气结构，并介绍了系统自动探伤的工作过程。
2 探伤系统组成
焊缝探伤比较有效的手段是采用脉冲反射式超声波检测技术。由于主要是判断是否存在缺陷，这里我们采用A型显示(A扫描)的超声波探伤仪。它利用超声波的反射特性，在荧光屏上以纵坐标代表反射回波的幅度，以横坐标代表反射回波的传播时间，根据缺陷反射波的幅度和时间来确定缺陷的大小和存在的位置，T为工件表面反射波，F为缺陷波，B为底面反射波。
采用超声波探伤仪的自动化探伤系统组成结构，整个系统由超声波探伤仪、运输小车和焊缝跟踪机构组成。超声波探伤仪用于焊缝探伤，这里采用沿圆周对称分布的6个斜探头以检测焊缝中存在的气孔、裂纹、夹渣、未焊透和未熔合等缺陷；运输小车用于移动钢管，检测时，将钢管放在运输小车上送到焊缝跟踪系统下方，小车一边前进，一边旋转钢管，两种运动合成为钢管的螺旋运动，理想情况下，钢管的进给和旋转严格同步，在钢管焊缝螺旋角不变的条件下，焊缝严格位于探伤系统的检测范围内。焊缝跟踪系统是超声探伤仪的载体，用于跟踪钢管焊缝的中心。为保证检测的精度和可靠性，超声探头系统需要安装在焊缝跟踪系统上进行工作。
其原因是：(1)探伤仪的探头系统对位置精度要求较高。由于超声探头系统本身的原理和结构的限制，要求探头系统必须具有很高的定位精度。(2)焊缝条件限制。理想情况下，钢管的焊缝为一参数固定的螺旋线，但在钢管焊接过程中有时会出现偏差，造成钢管焊缝几何参数发生变化，因而要求检测设备能够补偿这一种变化。(3)由于运输小车的运动不精确，难以保证进给和旋转两种运动的严格同步，从而导致焊缝相对探头系统发生偏移，因此，要求检测设备必须能跟踪焊缝的偏移。
在系统中，采用两台交流变频调速电机实现运输小车的进给和钢管的旋转，由于钢管的质量大，钢管的进给和旋转无法严格同步，在检测初始阶段尤为显著，因而焊缝跟踪系统是焊缝自动探伤设备的关键部分。下面着重介绍这一部分。
3 焊缝跟踪系统机械结构
由前述可见，自动化超声波探伤对焊缝跟踪系统的要求很高，我们所设计的焊缝跟踪系统满足下述指标要求：
1)适用钢管范围：螺旋埋弧焊管外径Φ337-Φ1200mm;带钢宽度550-1500mm;焊缝螺旋角10°-75°；焊缝余高 ≥2mm;焊缝宽度8-30mm.
2)焊缝切线运动速度：≤8m/min;
3)焊缝位置跟踪精度：±1mm;
4)水平跟踪范围：±300mm;
5)垂直跟踪范围：±150mm。
根据指标要求，在设计焊缝跟踪系统时，在机械上采用两个平移自由度：一个为垂直方向，带动超声波探头架上下移动；另一个为水平方向，带动探头架在水平面内沿钢管母线方向移动，以实现对钢管焊缝偏移的跟踪。焊缝跟踪系统机械结构。探头架安装在垂直螺母上。两个自由度均采用丝杠副实现平移运动，各采用一台交流伺服电机通过减速器驱动。电机轴到丝杠轴的减速比为9，丝杠的螺距为6mm,电机最高转速为300r/min，由上述参数得到水平垂直机构的最大跟踪线速度为2m/min，根据实际条件下测得的焊缝偏移统计数据，此系统能够满足跟踪速度的要求。根据传动方式和系统机械结构参数，将所有转动惯量折算到电机轴上，依照公式：
W额≥(3-4)W轴
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