超聲無損檢測(cè)技術(shù)在不銹鋼管生產(chǎn)領(lǐng)域中的具體應(yīng)用

  雖然超聲無損檢測(cè)技術(shù)在近幾十年來取得了突破性的進(jìn)展，在整個(gè)無損檢測(cè)領(lǐng)域中占據(jù)著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。然而，整個(gè)工業(yè)對(duì)超聲定量檢測(cè)及其可靠性的考驗(yàn)，似乎才剛邁開步伐。僅不銹鋼管生產(chǎn)領(lǐng)域，由于鋼管用途各異，使用的材料種類不同，聲波與材料的作用機(jī)理顯現(xiàn)出不同程度的差異．為了保證無縫鋼管的質(zhì)量，滿足不同領(lǐng)域的使用要求，就必須提高超聲檢測(cè)的可靠性和精確性，開展以下幾個(gè)方面的研究：

一、改善無縫鋼管超聲回波信號(hào)的信噪比

    超聲脈沖回波信號(hào)中一般包含儀器電子電路噪聲、結(jié)構(gòu)噪聲、振鈴噪聲、有限字長(zhǎng)引起的數(shù)字噪聲和以及脈沖噪聲等，其中受材料微觀顆粒散射引起的結(jié)構(gòu)噪聲對(duì)有用信號(hào)的影響最大．當(dāng)缺陷回波幅度較小時(shí)，結(jié)構(gòu)噪聲甚至可以將缺陷回波湮沒，導(dǎo)致缺陷漏檢。而不銹鋼無縫鋼管的材料種類較多、鋼級(jí)各異，在不同材料的超聲檢測(cè)中確保超聲回波信號(hào)具有較高的信噪比成了不容忽視的問題。

二、提高薄壁管和近表面缺陷的檢測(cè)分辨宰

 分辨率是超聲檢測(cè)永恒的主題．利用超聲對(duì)無縫銅管檢測(cè)，當(dāng)管壁較薄或者缺陷處于近表面區(qū)域時(shí)，表面回波和缺陷回波非常接近，而超聲回波信號(hào)由于受檢測(cè)系統(tǒng)沖擊響應(yīng)函數(shù)的影響，也即畸變小波對(duì)包含鋼管內(nèi)部信息信號(hào)的平滑作用，使得分辨率低下，從而難以辨識(shí)缺陷回波，為此，對(duì)于近表面缺陷通常還要借助于渦流檢測(cè)技術(shù)，但如果缺陷處于近內(nèi)壁表面，渦流技術(shù)由于檢測(cè)深度有限，也將失去功用．如果超聲檢測(cè)技術(shù)的分辨率能夠得到有效的提高，那么就可以成功解決這些問題。

三、自動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別缺陷的種類并進(jìn)行定量描述

    不銹鋼管在生產(chǎn)過程中，根據(jù)工藝的不同，產(chǎn)生的缺陷各異，種類較多。如連軋無縫鋼管可能出現(xiàn)的缺陷有：內(nèi)折、外折、壁厚不均、結(jié)疤．內(nèi)麻坑、內(nèi)直道、軋折、輥痕，發(fā)紋．劃傷等。常規(guī)超聲探傷并不能識(shí)別具體的缺陷種類，對(duì)于缺陷的走向，大小、形狀、成分等同樣還不能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)評(píng)定．然而，對(duì)缺陷的定量分析是改進(jìn)工藝提高無縫鋼管生產(chǎn)質(zhì)量的重要方法，因此，對(duì)缺陷的定量辨識(shí)有著重要的意義。

四、實(shí)現(xiàn)超聲回波信號(hào)的高速處理與結(jié)果實(shí)時(shí)顯示

    用于在線檢測(cè)的超聲無損檢測(cè)設(shè)備，往往需要精心布置組合多個(gè)探頭以實(shí)現(xiàn)整根鋼管的全覆蓋，從而避免缺陷漏檢．由于超聲換能器的數(shù)目比通常手持式探傷儀多，也印對(duì)應(yīng)的通道數(shù)較多，如果自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)同時(shí)需要對(duì)縱向缺陷，橫向缺陷、壁厚和外徑等進(jìn)行檢測(cè)，這就要求該系統(tǒng)必須要達(dá)到足夠的收發(fā)速度，并且能夠快速處理以實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果。

    針對(duì)上述提出亟待解決的問題，結(jié)合當(dāng)前智能優(yōu)化技術(shù)的最新研究成果，本文在分別開展基于模型估計(jì)和群體融合算法的超聲信號(hào)消噪技術(shù)、基于群體融合算法和小波交換的反卷積技術(shù)以及基于復(fù)小波交換和粒子群聚類分析的缺陷類型識(shí)別技術(shù)等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，完成了一種無縫鋼管超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)、關(guān)鍵部件的研發(fā)，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成．具體研究?jī)?nèi)容安排如下：

   論述了加快不銹鋼無縫鋼管超聲無損檢測(cè)設(shè)備自主研發(fā)的必要性，介紹了超聲無損檢測(cè)技術(shù)在無縫鋼管檢測(cè)領(lǐng)域中的典型應(yīng)用，并對(duì)超聲自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)作了總結(jié)概括，明確無縫鋼管超聲自動(dòng)無損檢測(cè)中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)，為本文進(jìn)一步研究指明了方向。為了提高不銹鋼管超聲回波信號(hào)的信噪比，針對(duì)現(xiàn)有的信號(hào)消噪技術(shù)直接以剔除回波信號(hào)中的噪聲來突出有用信號(hào)為策略，而必須考慮噪聲本身的多樣性、所在的大致頻段以及信號(hào)分解后選取合適的消噪閩值等因素，使得這些方法應(yīng)用到無縫鋼管在線檢測(cè)超聲信號(hào)消噪時(shí)遇到了許多局限性，為此，本章提出一種基于模型估計(jì)和群體融合算法的超聲檢測(cè)回波信號(hào)消噪技術(shù)。通過建立超聲回波信號(hào)模型，確定其優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，利用群體融合算法對(duì)該目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到超聲回波信號(hào)模型參數(shù)的最優(yōu)估計(jì)以重構(gòu)目標(biāo)信號(hào)模型．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)極大地提高了回波信號(hào)的信噪比，凸顯了信號(hào)中的有用信息。

  為了提高不銹鋼無縫鋼管超聲無損檢測(cè)分辨率，提出一種基于群體融合算法和小波變換的廣譜反卷積新技術(shù)。在利用小波變換多分辨率分析能力對(duì)超聲反射回波信號(hào)消噪，并確定超聲反射系數(shù)位置集的基礎(chǔ)上，采用群體融合優(yōu)化算法求出相應(yīng)位置反射系數(shù)的幅值，從而消除畸變小波的平滑作用，有效改善檢測(cè)分辨率。同時(shí)，該技術(shù)還突破傳統(tǒng)方法僅適合于超聲回波信號(hào)為平穩(wěn)，檢測(cè)噪聲為白色以及先驗(yàn)知識(shí)已知的場(chǎng)合應(yīng)用的局限性。計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)研究表明，與傳統(tǒng)反卷積技術(shù)相比，該方法能極大地提高超聲檢測(cè)的分辨率，并體現(xiàn)出較強(qiáng)的廣譜適應(yīng)性和魯棒性，

  針對(duì)現(xiàn)有不銹鋼無縫鋼管在線檢測(cè)系統(tǒng)只能定性檢測(cè)缺陷，不能識(shí)別缺陷具體類型所存在的問題，本章提出了一種基于復(fù)小波變換和粒子群算法模式識(shí)別理論的無縫鋼管缺陷類型識(shí)別新方法．通過對(duì)超聲缺陷回波信號(hào)進(jìn)行小波消噪，采用復(fù)小波交換提取缺陷回波信號(hào)的包絡(luò)信息以形成缺陷的特征向量，并結(jié)合粒子群聚類分析算法識(shí)別該特征向量的類別，從而實(shí)現(xiàn)缺陷的自動(dòng)識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有識(shí)別效率和準(zhǔn)確率高，泛化能力強(qiáng)以及易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，可應(yīng)用于在線檢測(cè)系統(tǒng)中。

   為了滿足當(dāng)前不銹鋼無縫鋼管生產(chǎn)在線檢測(cè)要求，根據(jù)某企業(yè)對(duì)不銹鋼無縫鋼管檢測(cè)功能和性能要求，完成了一種超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，利用參數(shù)化和模塊化設(shè)計(jì)方法完成系統(tǒng)關(guān)鍵部件和功能模塊的開發(fā)，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成。實(shí)際運(yùn)行表明，本文開發(fā)的超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)滿足了不銹鋼無縫鋼管在線自動(dòng)檢測(cè)的需求。對(duì)本文的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了概括總結(jié)，明確了未來的主要研究工作和方向。