林 海
（宝山钢铁股份有限公司钢管条钢事业部，上海 201900）
宝山钢铁股份有限公司钢管条钢事业部无缝钢管厂探伤线装备是从德国通用公司引进的多功能联合探伤机组。经过前道工序生产后的钢管被运输到探伤线进行管体超声波和涡流联合探伤操作，以检验管体内、外表面及管体内部气孔、夹杂、裂缝等质量缺陷。
在进入超声波探伤设备之前，待探伤的钢管需要在输送辊道上前后对接，形成一条头尾相接的管排再进入到超声波探伤设备中。钢管前后对接的目的是为了保证待探伤钢管管体表面耦合水流的平稳，从而减少因耦合水波动引起的管端盲区现象和探伤误报［1-15］。
为跟踪管排中头尾相接的钢管接缝位置，准确计算钢管长度和标记探伤缺陷。在探伤设备之前输送辊道上布置有一个管隙检测传感器。当两根钢管的接缝经过时会激发管缝检测信号，从而标识出前后两根钢管的头部和尾部位置。利用钢管头尾信息，可以跟踪和记录后续管体探伤缺陷的准确位置，并在钢管完成探伤后，综合超声波探伤结果，形成钢管分选信号，用于后道好、坏管的分选操作。管隙传感器的布置如图1 所示。
图1 管隙传感器的布置示意
在超声波探伤设备使用过程中，经常发生管隙传感器误信号现象，导致钢管头、尾部位置跟踪不准。引发了后续钢管误分选问题，将坏的管子翻入好管，或将好管当做坏管丢弃，存在严重的质量隐患。为此开发了一套以LB0 光栅、追管操作为核心的新的探伤追管算法。利用更可靠的光栅信号检测前一根钢管的管尾位置。当后一根钢管加速追及前一根钢管，头尾相接时，前一根钢管的管尾位置就是两根钢管的对接接缝位置，从而实现了两根钢管之间管缝位置的准确跟踪。
1.1 现有追管模式
现有追管模式不考虑前后两根钢管追及位置。当钢管从上料台架翻到运输辊道上，立刻提升前段辊道转速，通过延时控制追管时间，保证钢管加速追上前一根钢管，形成头尾对接。随后辊道降速，以探伤速度继续往前运送钢管。前后两根钢管之间的管缝位置依靠后面的管隙传感器来进行检测。
1.2 管隙传感器原理及问题
管隙传感器是一种利用涡流感应原理制成的电感式传感器。在E 型磁芯上绕有初级和次级线圈。在初级线圈上加以4.5 kHz 的激励信号源，利用安装在E 型磁芯另一臂上的次级线圈来感应激励信号。由于E 型磁芯的一边为开口状，磁阻较大，因此激励线圈和感应线圈之间的信号有一定的相位差。
当前后两根钢管之间的管隙经过检测线圈（图2）时，由于磁路中断，磁阻发生变化，初、次极线圈间的相位角发生相对移动。通过判断激励线圈和感应线圈的相位变化关系，可以确定管隙是否存在。最后输出一个脉冲信号，表示检测到了一个前后钢管对接缝隙。操作员可以通过调节检测线圈与钢管之间的距离，来调整信号检测灵敏度。
图2 管隙传感器的检测线圈
实践中出于成本和环境因素考虑，相互对接的钢管之间间隙很小，管体上存在残留乳化液、铁锈等细小颗粒，利用光学、红外或霍尔元件感应的方式很难准确检测出两根对接钢管之间的缝隙。通常都采用涡流或漏磁原理，利用管隙处产生的磁路中断来检测钢管对接缝隙。在实际使用中管隙传感器存在以下几个突出问题：
（1） 大型孔洞缺陷漏检。
当钢管管体上存在足够大的孔洞型缺陷时，磁路同样会发生中断，管隙传感器会把这个孔洞型缺陷当作两根钢管之间的“缝隙”而不是一根正常钢管。这样原先一根有孔洞重大质量缺陷的钢管会被超声波探伤设备当成两根好钢管进行探伤，出现探伤好管的根数比实际钢管根数还要多一根的奇怪问题。
（2） 实际检测距离有限。
根据测试，管隙仪的实际检测范围为1 cm 左右。当管隙仪的安装位置距离钢管表面较远，或虽然管隙仪位置安装正确，但钢管在辊道输送过程中发生跳动，会直接导致管隙仪检测不到管隙信号，两根或多根钢管会被当成一根钢管来处理。后道分选系统因此不能及时拨料，造成多根钢管堆料，损伤设备。
（3） 受环境影响较大。
超声波探伤前需要预喷淋高压水去除钢管表面的氧化铁皮，而且超声波探伤本身也需要用水来作为探头与工件表面之间的声波耦合剂。管隙仪的安装位置距离预喷淋和耦合水都比较接近，容易出现因为进水导致的电路损坏故障。
1.3 管隙信号的作用
管隙检测信号主要起到两个作用：一是用于后一根钢管头部位置的跟踪，从而在超声波探伤工位实现对探伤缺陷的准确定位；
另一个作用是跟踪前一根钢管的管尾位置，当其离开超声波设备时，提升辊道转速，将其与后一根钢管加速分离。
加速分管操作的作用是将前后衔接的管子分离开来，以便在后道星型拨料器处进行分选。根据好坏管状态，好的管子继续向下道工序输送，有缺陷的钢管则被翻入对应料筐，等待后续处理。由于管隙传感器误信号的存在，会导致管体探伤缺陷位置标识错误和星型拨料器分选操作误分选。
2.1 追管模式原理
新的追管模式需要在探伤设备前设置LB0、LB1 两个光栅，以检测前后两根钢管的管端位置。其中LB1 布置在超声波探伤设备入口处。LB0 和LB1 之间略超一根管长的距离为好，并确保在LB0与LB1 入口位置这段区域内只出现一条对接管缝，以简化探伤设备对管缝的在线跟踪。追管模式的控制过程分为前追管、后追管和追管结束三个阶段，如图3 所示。
图3 LB0 追管模式示意
LB0 和LB1 处光栅采用Sick 镜反射式光栅，并在钢管行进方向垂直布置反射器和光电传感器，以便当钢管通过时检测管端信号。采用镜反射式光栅的优点是利用反射光路是否被遮挡来检测管端位置，受管体或环境因素影响小，特别是管体孔洞不会影响检测。同时检测距离最长可达1.5 m，远远超过现场实际所需的检测距离。
（1） 前追管阶段。
当后一根钢管已经运输到接近LB0 位置，而前一根钢管尾部刚好通过LB0，获得一个下降沿信号。在这个时间点之前的追管阶段，称为前追管阶段。
由于LB0 的位置固定，因此当管尾下降沿信号出现时，表明前一根钢管管尾的位置正好在LB0处。因此得到了前一根钢管管尾的精确位置。
（2） 后追管阶段。
后追管阶段从前一根钢管管尾通过LB0，获得一个下降沿信号后开始，直到后一根钢管管头加速追上前一根钢管管尾为止。
由于前一根钢管的管尾位置是一直被精确跟踪的。因此当后一根钢管的管头追上前一根钢管的管尾时，就获得了两根钢管对接管缝的准确位置。
（3） 追管结束阶段。
从后一根钢管管头追上前一根钢管管尾开始，进入追管结束阶段。此时LB0 光栅前后两段辊道的速度恢复一致。等待下一根钢管到来，继续新一轮追管过程。
新的追管模式先检测前一根钢管管尾下降沿信号，随后在一定追管区域内，后一根钢管加速追上前一根钢管。两根钢管头尾相接，再依次通过超声波探伤设备完成探伤操作。超声波探伤设备持续跟踪两根钢管相接处的管缝位置，并在前一根钢管离开探伤设备时，向运输系统可编程逻辑控制器（Programmable Logic Control，PLC）发出分选信号。运输系统PLC 跟踪该分选信号直至后道星型拨料器处对钢管进行分选。
由于LB0 光栅检测信号的可靠性要远远高于管隙传感器检测管缝的可靠性。因此在追管模式下能够更加精确、更加可靠地跟踪对接管缝的位置，为后道正确分选提供保证。
（4） 追管失败处理。
当追管操作正常时，LB1 光栅会始终检测到钢管。因此，若追管失败，或最后一根钢管情况，LB1 光栅会检测到管尾下跳沿信号。此时利用该信号复位所有追管标志，重置追管操作并报警，由人工操作干预重新开始追管。
2.2 二次追管程序开发
由于探伤线上料台架到超声波探伤设备之间的距离远大于LB0 到LB1 间的距离。若采用单步追管，会造成前后两组辊道速度差过大，或后一根钢管在有限范围内无法追上前一根钢管的情况。为此，在实践中将追管辊道分为三段，分别实现一次追管和二次追管，逐步提升各区段辊道转速，减少前后区段间的辊道速度差。二次追管算法传感器布置如图4 所示。
图4 探伤线传感器布置示意
探伤线现有传感器布置如图4 所示。其中Txx为输送皮带下面的接近开关。LB0 光栅布置在V型皮带2-3 和2-4 中间。最终允许追管范围是LB0到探伤设备夹送辊之间，即V 型皮带2-4 内。因为之后的辊道速度均由探伤设备控制，与夹送辊速度相同，称为探伤速度，一般为40 m/min。一次追管点设置在V 型皮带2-1 和2-2 之间。两次追管算法如下：
（1） 一次追管算法。
当T33=0 时，如果V 型皮带1 上有管，或V型皮带2-1 上有管，则V 型皮带1 与V 型皮带2-1 一起快速追管。
当T36=0 时，如果V 型皮带1、V 型皮带2-1或V 型皮带2-2 上有管，则V 型皮带1 与V 型皮带2-1、V 型皮带2-2 一起快速追管。
前道追管只看当前信号，信号=0 就追，信号=1 就不追。一次追管的前后辊道速度比例可以设定，通常设置在1.2～1.5 倍探伤速度。
（2） LB0 追管算法。
追管开始信号：当V 型皮带2-3 正向自动启动时，如果T38 出现下跳沿信号，则开始LB0 末端追管（前一根管子离开LB0）。
追管开始信号启动后，需要根据现场状态进行判断复位。例如前一段全无料时（V 型皮带2-3、V 型皮带2-2 无料），以及T36 出现下跳沿信号（管子尾部过T36，停止追管）等情况下，需要将追管开始信号复位，以便下一根钢管继续可以追管。
LB0 追管速度一般设定在1.9 倍探伤速度，以确保在有限的范围内追上前一根钢管。
追管结束信号：主要是判断管子已经追上，从而停止皮带快速运行，改成探伤速度等速运行。注意此时整个追管过程尚未结束，只是保持与探伤速度相同的速度运行。后一根钢管的尾部还未脱离追管区域。
追管结束信号也有多个状态需要判断。例如：在追管状态下T39 和T38 都为1，再延时1.3 s 后发追管结束信号。延时主要用于确保管子追上，其算法如下：按照40 m/min 探伤速度计算，1.3 s 时间内前一根管子走0.87 m，后一根管子走0.87×1.9 m（1.9 倍速追管），多走0.783 m。因为管子之间间隔通常少于0.783 m，因此延时1.3 s 能确保下一根管子过T38 后追上前一根钢管。
（3） 追管结束信号的复位。
追管结束信号的复位表示整个LB0 追管过程结束，可以进行下一次LB0 追管操作。同样是根据延时和前道无管子等状态结合起来判断，在复位追管结束信号的同时复位整个LB0 追管循环，以允许下一根钢管的追管操作。
2.3 新追管算法的适用性
新的追管算法仍然以探伤速度为最终辊道速度，通过分段提升前道辊道速度来实现钢管的前后追及，因此不影响最终的生产节奏。但是由于需要在LB0 处保持前后两根钢管分离的状态，并在LB0 和LB1 之间追及，新追管算法还是有一定的适应性要求。主要有以下几点：
（1） 被检测钢管的长度要求。
为简化探伤设备对管缝在线跟踪的要求，加上LB0、LB1 光栅位置固定后不能轻易移动。因此要确保LB0 至LB1 之间只出现一条对接管缝，就需要对被检测钢管的长度范围进行一定的规范。因此新追管算法最适用于定尺管探伤线，不适用于管长随时大幅度变化的一般探伤线。
（2） 追管速度比例的及时调整。
当LB0 和LB1 位置固定后，不同长度范围的钢管，追管速度和追及位置是不一样的。需要通过理论计算和现场实地试验得到最佳的追管速度比例，以确保在合适的位置追及。因此需要不断地积累，以获得不同长度范围下的最佳追管速度控制表。
（3） 辊道独立控制的要求。
追管算法中，第一次追管的位置是可以调整的。如果辊道上每个单独的驱动辊都能独立控制的话。那么可以通过调整一次追管的位置来适应不同长度钢管的追管要求。在LB0、LB1 位置固定、探伤速度也固定的情况下，增加一个针对管长的调节手段，以适应更大管长范围的钢管探伤要求。
为解决探伤线管隙传感器误信号造成的分选异常和孔洞型缺陷漏检等问题，开发了两段式追管控制算法，并在现场进行了一系列测试，取得了一定的效果。但随着“双探”工艺的实施，新增漏磁探伤设备和表面检测设备陆续上线，使得追管算法所需的控制点距离要求无法得到满足，算法的实际应用受到了限制。但是追管算法自身从原理上解决了信号检测不准，管缝位置跟踪准确度差的问题，仍具有一定的推广应用前景。
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