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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)所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：
文 獻 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、最大的鋼管消費國和最大的凈出口國，但中國還遠不是鋼管生產(chǎn)強國，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;創(chuàng)新能力不足，生產(chǎn)裝備國產(chǎn)化進程緩慢;技術(shù)附加值總體不高，質(zhì)量控制有待進一步加強，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的關(guān)鍵因素，使得部分發(fā)達國家對中國出口的無縫鋼管提出反傾銷和反補貼的調(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行檢測，能夠提供組織分布應(yīng)力狀態(tài)以及機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；武鋼則引進了德國本特勒公司的檢測設(shè)備?？v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，受國際原材料和運輸費用的繼續(xù)上揚、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)備購買和維護費用高昂，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)化進程緩慢，先進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式、鋼管直線進給探頭旋轉(zhuǎn)式。
（1） 探頭靜止、鋼管螺旋前進式
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行檢驗[8]。
（2） 探頭旋轉(zhuǎn)、鋼管直線進給式
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。
（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行全覆蓋，使其產(chǎn)生超聲波，從而能夠在鋼管的全表面進行掃查，從而達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行掃查，從而達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[17]。本課題采用超聲檢測，其原理是：在檢測時，把具有較強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]。
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畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告
２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
2.1畢業(yè)設(shè)計的主要工作
本項目根據(jù)國內(nèi)無縫鋼管的生產(chǎn)現(xiàn)狀，以超聲波檢測理論作為理論支撐，以探頭旋轉(zhuǎn)鋼管直線運動和直接檢測法的檢測方法和測厚原理，對無縫鋼管超聲波測厚工藝以及裝置進行研究。本文的主要涉及的研究內(nèi)容包含一下幾點內(nèi)容：
（1）制定總體方案——無縫鋼管超聲波測厚裝置系統(tǒng)以及各部分設(shè)計方案的確定；
（2）設(shè)計回轉(zhuǎn)機構(gòu)—— 傳動系統(tǒng)的組成部分。其包括鋼管的直線運動、探頭布置等；
（3）設(shè)計組合檢測結(jié)構(gòu)——機架設(shè)計、探頭架的設(shè)計、探頭的布置和使用數(shù)量的確定等；
（4）繪制機械總裝配圖——包括總裝配圖、零件圖、等；
2.2擬采用的手段
根據(jù)以上問題以及內(nèi)容的分析，本項目擬采用鋼管螺旋前進探頭平動式的檢測工藝，其具體內(nèi)容如下：
（1）、資料搜集。查閱大量資料，熟悉數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)、工作原理、關(guān)鍵技術(shù)，了解國內(nèi)外此產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀；關(guān)注檢測技術(shù)成熟的知名廠家，獲取相關(guān)產(chǎn)品的一些技術(shù)參數(shù)，并進行分析；熟悉幾種典型規(guī)格的回轉(zhuǎn)臺，將其主要的關(guān)鍵技術(shù)與指導(dǎo)老師進行探討；
（2）、結(jié)合鋼管的缺陷類型，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)計工藝進行比較，結(jié)合具體情況，本項目選擇了“鋼管直線前進探頭旋轉(zhuǎn)”的方式。通過直接檢測法對鋼管進行探傷；
（3）通過對檢測對象的參數(shù)進行分析，考慮實際情況，對無縫鋼管超聲檢測系統(tǒng)機械部分進行合理設(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
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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，對主機架，組合檢測機構(gòu)及回轉(zhuǎn)機構(gòu)的進行方案設(shè)計，方案基本可行，但需要進一步細化。
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