浙江至德鋼業(yè)有限公司根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)大口徑不銹鋼焊管管端直徑和橢圓度檢測(cè)的需求，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外用于大口徑不銹鋼焊管管端直徑和橢圓度的各種檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了整理和歸納，包括了接觸式直徑檢測(cè)和非接觸式直徑檢測(cè)。并通過(guò)對(duì)各檢測(cè)方法的分析和技術(shù)對(duì)比,闡明了未來(lái)大口徑不銹鋼焊管管端直徑和橢圓度檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

  在鋼鐵行業(yè)的鋼管生產(chǎn)中,伴隨著國(guó)內(nèi)外管道建設(shè)“大口徑、厚壁、高鋼級(jí)”的趨勢(shì),直徑大于508 mm的大口徑不銹鋼焊管的生產(chǎn)比重已經(jīng)占得越來(lái)越大,而大口徑不銹鋼焊管管端的直徑及橢圓度作為鋼管端部重要的參數(shù)指標(biāo),在保證管道施工進(jìn)度和質(zhì)量方面具有重要意義。隨著管道現(xiàn)場(chǎng)焊接施工技術(shù)的不斷進(jìn)步,半自動(dòng)、全自動(dòng)焊接技術(shù)的不斷應(yīng)用,使得對(duì)鋼管管徑的要求越來(lái)越嚴(yán)格,特別是對(duì)管端,不僅對(duì)其外徑有要求,同時(shí)對(duì)其管端橢圓度的要求也極為嚴(yán)格。根據(jù)中國(guó)石油天然氣股份有限公司西氣東輸二線管道工程采用的直縫埋弧焊管的管端直徑和橢圓度要求,距管端100 mm范圍內(nèi),管端外徑公差需要在-0.15 mm至+2.10 mm的范圍內(nèi),橢圓度(即最大外徑與最小外徑之差與名義外徑的比值)應(yīng)不大于0.16%。其目的就在于當(dāng)兩管在野外進(jìn)行配管焊接施工時(shí),使其能順利的完成焊接。反之,如果鋼管的管端直徑和橢圓度超標(biāo),就會(huì)造成兩管對(duì)焊的困難,即使能勉強(qiáng)對(duì)焊在一起,也會(huì)產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力,導(dǎo)致焊縫處的機(jī)械性能下降,降低了管道在使用過(guò)程中的安全性。

  然而,目前國(guó)內(nèi)幾乎所有在產(chǎn)的大口徑不銹鋼焊管機(jī)組生產(chǎn)的鋼管均存在管端直徑或者橢圓度超標(biāo)現(xiàn)象,其原因涉及來(lái)料寬厚板的性能、板形以及成形、焊接與擴(kuò)徑等生產(chǎn)工藝,以寶鋼在產(chǎn)的不銹鋼焊管生產(chǎn)機(jī)組為例,經(jīng)過(guò)一次擴(kuò)徑后,鋼管的管端直徑或者橢圓度超標(biāo)管子的數(shù)量超過(guò)了總產(chǎn)量的10%。所以,為了能對(duì)大口徑不銹鋼焊管的產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)密地控制,對(duì)大口徑不銹鋼焊管的管端直徑和橢圓度進(jìn)行檢測(cè)是非常有必要的。

一、接觸式測(cè)量方法

  到目前為止,國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究人員已經(jīng)對(duì)大口徑不銹鋼焊管的直徑測(cè)量進(jìn)行了大量的研究和分析,形成了采用不同技術(shù)的多種測(cè)量方法,其中按測(cè)量形式主要可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N方法。文章對(duì)目前存在的幾種典型的檢測(cè)方法進(jìn)行了介紹、總結(jié)和技術(shù)對(duì)比，闡明了未來(lái)大口徑不銹鋼焊管管端直徑和橢圓度檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

  1. 機(jī)械法測(cè)量

     機(jī)械法測(cè)量直徑是用外徑千分尺和卡規(guī)測(cè)量不銹鋼焊管的外徑,這也是目前生產(chǎn)車間廣泛應(yīng)用的計(jì)量器具,可測(cè)量的大尺寸一般在500～2000 mm之間。部分測(cè)量表式卡規(guī)可測(cè)量6000 mm以上的大尺寸。機(jī)械法測(cè)量的測(cè)量誤差的主要來(lái)源有量塊誤差、千分尺測(cè)量時(shí)測(cè)量頭的偏移引起的誤差、溫度產(chǎn)生的誤差、千分尺受力變形引起的誤差以及人為因素引起的誤差等。該測(cè)量方法的效率低,信息反饋慢，不能實(shí)現(xiàn)100%的檢測(cè),也不能實(shí)現(xiàn)“在線,高速,多部位”的實(shí)時(shí)精確測(cè)量與數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)及輸出。

  2. 周長(zhǎng)法測(cè)量

    周長(zhǎng)測(cè)量法,即通過(guò)測(cè)量被測(cè)工件的周長(zhǎng)計(jì)算出被測(cè)直徑的大小。根據(jù)美國(guó)API石油學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)API5L中的規(guī)定,對(duì)于直徑大于508 mm的鋼管可以采用周長(zhǎng)法間接測(cè)量其直徑。這種測(cè)量方法簡(jiǎn)便,測(cè)量器具操作方便,測(cè)量范圍較大,較先進(jìn)的卷尺還帶有固定測(cè)力的拉緊裝置,但是測(cè)量精度低,且測(cè)量精度受拉緊力的影響較大。此外,周長(zhǎng)法測(cè)量的結(jié)果是鋼管的平均外徑,對(duì)于鋼管的橢圓度是無(wú)法測(cè)量的。

  3. 滾輪法測(cè)量

    滾輪法同樣是通過(guò)周長(zhǎng)測(cè)量的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)直徑的測(cè)量,測(cè)量原理見圖。它利用滾輪測(cè)量出被測(cè)工件的圓周長(zhǎng),在測(cè)量時(shí),滾輪以一定的壓力與被測(cè)件接觸,壓緊力保證滾輪相對(duì)于被測(cè)件作無(wú)滑動(dòng)的純滾動(dòng),滾輪與被測(cè)件的傳動(dòng)關(guān)系為:

    D=D·n/N

   式中: d為標(biāo)準(zhǔn)滾輪的直徑,從而可測(cè)得被測(cè)件的周長(zhǎng),并通過(guò)換算得到平均直徑。利用圓周長(zhǎng)和直徑的函數(shù)即可求出被測(cè)件的平均直徑。

   該方法測(cè)量直徑較好地解決了以小測(cè)大的問(wèn)題,且方便于在線的檢測(cè)。缺點(diǎn)是被測(cè)件與滾輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生滑失現(xiàn)象,影響測(cè)量精度。此外,它測(cè)量的同樣是平均直徑,對(duì)于鋼管的橢圓度無(wú)法測(cè)量。

二、非接觸式測(cè)量方法

  非接觸測(cè)量方法是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ),在不接觸被測(cè)物體表面的情況下,得到物體表面參數(shù)信息的測(cè)量方法。

  1. 激光掃描測(cè)量法

  目前,已經(jīng)有很多的公司,如瑞士的Zumbach公司，德國(guó)的Lap laser和英國(guó)的Beta LaserMike,均推出了激光輪廓掃描的直徑檢測(cè)技術(shù)。其工作原理見圖，在發(fā)射端，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光反射到一個(gè)包括多個(gè)反射面的反射鏡上,隨著該反射鏡的旋轉(zhuǎn),反射后的激光作扇形的來(lái)回掃描運(yùn)動(dòng),再經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡轉(zhuǎn)化成來(lái)回掃描的平行光,被接收端接收,逆向轉(zhuǎn)化成傳感器接收的信號(hào)。由于掃描頻率每秒800次,肉眼所見,在發(fā)射端和接收端中間激光覆蓋的測(cè)量區(qū)域形成了一道持續(xù)的激光光幕。如果被測(cè)物體置于測(cè)量區(qū)域,則在掃描過(guò)程中部分激光由于被物體遮蔽,不能到達(dá)接收端,體現(xiàn)為掃描周期的部分時(shí)間接受端的傳感器沒(méi)有接收到激光信號(hào)。由此可以計(jì)算測(cè)量出被測(cè)物體在平行光方向的投影尺寸。

  基于以上原理,即可測(cè)出鋼管在各方向上的直徑。圖為瑞士Zumbach的管體激光掃描測(cè)量產(chǎn)品,對(duì)于直徑小于200 mm管徑的鋼管,使用一個(gè)激光掃描側(cè)頭即可實(shí)現(xiàn)。圖中,序號(hào)1為激光掃描器發(fā)射端,序號(hào)3為鋼管,序號(hào)5為激光掃描器接收端。而對(duì)于大于200 mm的管徑的鋼管,需要兩個(gè)激光掃描測(cè)量裝置來(lái)完成,其中一個(gè)位于鋼管管端的下部,位置固定,而另外一個(gè)則位于鋼管管端的上部,位置可調(diào)。

  2. 激光測(cè)距測(cè)量方法

  德國(guó)的Lap Laser公司開發(fā)了一種基于機(jī)器人的,通過(guò)激光測(cè)距來(lái)實(shí)現(xiàn)外徑測(cè)量的測(cè)量方法。如圖所示,機(jī)器人攜帶激光測(cè)距卡規(guī),使激光卡規(guī)沿鋼管管端邊沿,繞鋼管的中心軸為回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn),以此掃描管端的內(nèi)圈和外圈,從而通過(guò)計(jì)算測(cè)得鋼管管端的內(nèi)徑和外徑值。由于激光卡規(guī)掃描了整個(gè)圓周方向的半徑,從而通過(guò)計(jì)算可得到鋼管的橢圓度特征。它的缺點(diǎn)在于測(cè)量的精度受到機(jī)器人的位置標(biāo)定和定位精度的影響,如果旋轉(zhuǎn)中心的定位產(chǎn)生偏差,會(huì)嚴(yán)重降低直徑測(cè)量的精度。

  此外,OMS公司也開發(fā)了基于相同原理的測(cè)量設(shè)備。如圖所示,將測(cè)量設(shè)備放入鋼管內(nèi)部,測(cè)量臂安裝兩個(gè)激光測(cè)距傳感器,當(dāng)測(cè)量臂繞回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)一周,即可同時(shí)完成鋼管內(nèi)外徑的測(cè)量。目前,OMS測(cè)量設(shè)備已經(jīng)在很多鋼鐵企業(yè)得到了應(yīng)用。同樣該設(shè)備也存在定位精度影響測(cè)量精度的問(wèn)題。此外,使用該設(shè)備進(jìn)行測(cè)量時(shí),需要進(jìn)行人工操作,不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

  3. 2D激光位移檢測(cè)管體直徑及圓度

  日本的基恩士公司開發(fā)了一種基于2D三角測(cè)量法原理的2D位移傳感器。如圖所示,該裝置通過(guò)柱面物鏡將激光光束擴(kuò)大為條狀,隨后激光在目標(biāo)物上產(chǎn)生漫射,反射光被聚焦在E32CMOS上,以此測(cè)量位移或者物體輪廓。在進(jìn)行鋼管管端外徑測(cè)量時(shí),可將該裝置置于鋼管管口縱軸的垂直方向上,通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)鋼管,便可測(cè)得鋼管管端的外徑尺寸和外徑輪廓。同樣,該設(shè)備在使用時(shí)同樣存在標(biāo)定位置的問(wèn)題。

三、技術(shù)對(duì)比和發(fā)展趨勢(shì)

  通過(guò)對(duì)各測(cè)量技術(shù)的對(duì)比,可以清楚地看出,接觸式的測(cè)量方法精度低,且基本都需要人工操作,很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,在實(shí)際生產(chǎn)中,效率低,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。而采用激光方式的非接觸式測(cè)量方法雖然增加了設(shè)備成本,但它的測(cè)量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于接觸式測(cè)量方法,而且能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)在線測(cè)量,提高了生產(chǎn)效率,降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度,可以系統(tǒng)的測(cè)得大口徑直縫焊管管端的直徑,橢圓度和輪廓。此外,在自動(dòng)的激光在線測(cè)量的基礎(chǔ)上,還可配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng),用于存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的即時(shí)數(shù)據(jù),以便對(duì)實(shí)際生產(chǎn)質(zhì)量情況進(jìn)行有效地跟蹤和改進(jìn),從而進(jìn)一步提高現(xiàn)場(chǎng)的效率。

  目前,國(guó)內(nèi)已經(jīng)擁有了先進(jìn)的無(wú)縫管和焊管加工機(jī)組,但嚴(yán)重缺乏管體直徑、圓度等外形幾何尺寸的在線測(cè)量技術(shù)設(shè)備。就連寶鋼這樣擁有先進(jìn)設(shè)備的大型鋼廠仍采用人工用量具測(cè)量或采用土法抽檢,手工將數(shù)據(jù)錄入管理系統(tǒng)。該方法不僅誤差大,增加工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,不便于在線質(zhì)量跟蹤和改進(jìn),而且易造成產(chǎn)品批量報(bào)廢,嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)奏。所以,能夠?qū)崿F(xiàn)在線測(cè)量,測(cè)量精度高,并配有自動(dòng)信息存儲(chǔ)系統(tǒng)的激光測(cè)量技術(shù)必將取代現(xiàn)有的測(cè)量方式,成為鋼管生產(chǎn)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。

四、結(jié)語(yǔ)

  光電測(cè)量技術(shù)在大口徑不銹鋼焊管直徑橢圓度檢測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域前景非常誘人,通過(guò)該技術(shù)能有效的調(diào)高產(chǎn)線對(duì)鋼管幾何外形尺寸的檢測(cè)和控制,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)線的工作效率。但對(duì)于大口徑的鋼管而言,如何標(biāo)定各在線測(cè)量設(shè)備,從而完成對(duì)鋼管的準(zhǔn)確測(cè)量仍是目前需要解決的問(wèn)題。光電測(cè)量技術(shù)仍然是鋼管外徑測(cè)量的未來(lái)發(fā)展的方向,具有推廣價(jià)值。