一、研究的背景與問(wèn)題
中國(guó)已成為全球最大鋼鐵生產(chǎn)國(guó)，高端產(chǎn)品需要采用大型超聲波自動(dòng)探傷設(shè)備來(lái)檢測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中的缺陷。目前國(guó)內(nèi)鋼廠用于鋼板檢測(cè)的大型超聲波自動(dòng)探傷機(jī)，基本依賴國(guó)外公司進(jìn)口，主要采用多通道超聲垂直縱波檢測(cè)，此探傷方式僅能檢測(cè)鋼板中部的分層缺陷，存在鋼板邊部（通常是管道的焊縫所在區(qū)域）非分層缺陷檢出率低的難題，如邊部?1.6mm豎通孔。給客戶安全使用帶來(lái)隱患，對(duì)我國(guó)鋼廠產(chǎn)品等級(jí)提升形成嚴(yán)重制約。同時(shí)，作為鋼廠與質(zhì)量控制直接相關(guān)的大型無(wú)損超聲探傷檢測(cè)裝備長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，基本被國(guó)外GE、奧林巴斯、卡爾德意志、NK等公司壟斷，售價(jià)高昂（3000萬(wàn)元/套以上），受國(guó)際形勢(shì)影響，在技術(shù)引進(jìn)、設(shè)備購(gòu)買、售后技術(shù)服務(wù)過(guò)程中受到諸多制約，使得國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)在技術(shù)革新、產(chǎn)品質(zhì)量提升等方面受制于人。
二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案
鋼板全板面相控陣超聲波探傷系統(tǒng)采用最新的超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)，每個(gè)相控陣探頭由128個(gè)微型壓電晶片（陣元）構(gòu)成，通過(guò)聚焦規(guī)則控制各陣元的發(fā)射及接收聲波時(shí)間，改變各陣元聲波到達(dá)鋼板內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)鋼板內(nèi)超聲波聲束聚焦點(diǎn)和方位的變化，完成快速掃描成像技術(shù)。相控陣特有的多角度檢測(cè)和可變聚點(diǎn)位置解決了傳統(tǒng)超聲波探傷的痛點(diǎn)問(wèn)題。
相控陣相比于常規(guī)超聲波檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：
（1）檢測(cè)速度快：由于探頭中的陣列晶片是通過(guò)電子的方法進(jìn)行延時(shí)激勵(lì),它在作線性掃查時(shí)比常規(guī)探頭的機(jī)械掃查要快得多。
（2）使用靈活：相控陣探頭可以隨意控制聚焦深度、偏轉(zhuǎn)角度、波束寬度。
（3）可靠性：相控陣探頭中多晶片的快速順序激勵(lì),其輻射聲場(chǎng)相當(dāng)于單晶片探頭的連續(xù)機(jī)械位移和轉(zhuǎn)向,大大提高了檢測(cè)可靠性。
（4）功能強(qiáng)大：超聲波束的聚焦增加了檢測(cè)信噪比;在扇形掃查中,許多方向難以辨別的缺陷均可被檢測(cè)出;大量A掃數(shù)據(jù)增加了各角度缺陷的分辨率。
（5）缺陷顯示直觀：實(shí)時(shí)彩色成像，包括A、B、C、S掃描，便于檢測(cè)者直觀的看到缺陷的簡(jiǎn)易形狀，便于缺陷判讀?？梢酝ㄟ^(guò)建模，建立一個(gè)三維立體圖形，缺陷顯示非常直觀。
（6）檢測(cè)靈敏度高：特別是對(duì)細(xì)小缺陷檢出率高，同等檢測(cè)條件下，相控陣發(fā)現(xiàn)細(xì)小缺陷的能力比傳統(tǒng)A掃描高很多，另外對(duì)不同方向缺陷的檢出率也有明顯提高。
（7）檢測(cè)效率高：相控陣技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)線性掃查、扇形掃查和動(dòng)態(tài)深度聚焦，從而同時(shí)具備寬波束和多焦點(diǎn)的特性，一次能掃查的區(qū)域大。
（8）檢測(cè)消耗低，節(jié)省成本：因探頭不與檢測(cè)工件直接接觸，而是通過(guò)耐磨楔塊耦合。工作中磨損消耗的只是楔塊，節(jié)省探頭損耗。
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、采用全板面相控陣縱波檢測(cè)和邊部橫波檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)相控陣探頭激勵(lì)實(shí)現(xiàn)了孔徑靈活設(shè)置、探傷超聲波聚焦深度的自由掃查探測(cè)。
常規(guī)超聲波探傷由于單個(gè)探頭晶片寬，缺陷評(píng)價(jià)精度差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的橫向缺陷定位；且雙晶探頭晶片間存在縫隙，易導(dǎo)致漏檢或定量不準(zhǔn)確的現(xiàn)象；同時(shí)探頭晶片尺寸及焦距固定，造成鋼板檢測(cè)厚度范圍受限，通常在6-80mm。
本創(chuàng)新點(diǎn)采用相控陣傳感器（探頭）128晶片設(shè)計(jì)技術(shù)；通過(guò)相控陣探頭激活孔徑可靈活設(shè)置，檢測(cè)靈敏度達(dá)到?2mm平底孔當(dāng)量，并可使缺陷尺寸評(píng)價(jià)誤差控制在5%以內(nèi)。采用多種聚焦法則，包含孔徑大小、焦距、角度等，針對(duì)不同規(guī)格板材選用適合的聚焦法則，適應(yīng)4mm-230mm不同厚度鋼板的檢測(cè)。
2、設(shè)置獨(dú)立邊部和頭尾相控陣縱波和橫波檢測(cè)模塊，通過(guò)超聲波聲束動(dòng)態(tài)掃查，實(shí)現(xiàn)了邊部非分層缺陷的檢測(cè)
傳統(tǒng)超聲波采用縱波直射法檢測(cè)，此探傷方式僅能檢測(cè)檢測(cè)鋼板中與鋼板軋制面平行的缺陷，對(duì)于鋼板四周邊部特別是非分層缺陷漏檢率高。
本創(chuàng)新點(diǎn)利用相控陣超聲波聲速方向連續(xù)可調(diào)及扇形掃查技術(shù)。設(shè)置獨(dú)立的邊部和頭尾探相控陣縱波和橫波檢測(cè)模塊，檢測(cè)鋼板邊部100mm范圍內(nèi)不同方向的缺陷。即采用特定的延遲法則控制陣列探頭中的微型晶片（陣元）發(fā)射及接受，使其在鋼板內(nèi)合成的超聲波聲束在探頭不移動(dòng)的情況下也能移動(dòng)及偏轉(zhuǎn)，檢測(cè)出鋼板內(nèi)部不同方向的缺陷；邊探與中間探頭陣列重復(fù)覆蓋，避免板邊偏移造成缺陷漏檢，減少邊部檢測(cè)盲區(qū)。
3、內(nèi)置多種智能算法，重復(fù)頻率高，檢測(cè)速度快，提高了檢測(cè)精度，降低了漏檢率；采用解耦表征、映射算法、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能算法，實(shí)現(xiàn)缺陷精確的定位、定量，長(zhǎng)度方向定位。
本創(chuàng)新點(diǎn)采用解耦表征、缺陷映射等多種人工智能算法，可以實(shí)時(shí)計(jì)算確定缺陷精確的定位、定量以及形貌。
解耦表征算法是將復(fù)雜的超聲波信號(hào)分解成多個(gè)獨(dú)立且有意義的成分，從而提取出與缺陷相關(guān)的關(guān)鍵信息。
超聲波在鋼板中傳播時(shí)受到多種因素的影響，如材料的不均勻性、缺陷的存在等，這些因素都可能導(dǎo)致超聲波信號(hào)的疊加和干擾。算法將這些疊加的信號(hào)分量分離出來(lái)，并進(jìn)一步提取與缺陷相關(guān)的特征，如信號(hào)的頻率、振幅、相位、統(tǒng)計(jì)特性、時(shí)頻特性等?；谔崛〉奶卣?，利用分類器對(duì)缺陷進(jìn)行識(shí)別和分類，包括缺陷的體積、方向、深度、位置、類型等。
4、3D可視化技術(shù)
對(duì)鋼板進(jìn)行重構(gòu)、建模，建立一個(gè)三維立體圖形，并將超聲波檢測(cè)缺陷坐標(biāo)和相對(duì)大小以三維方式進(jìn)行展示，便于檢測(cè)者直觀的看到缺陷的簡(jiǎn)易形狀及缺陷判讀。
其他重要?jiǎng)?chuàng)新成就：
（1）采用的全板面相控陣縱波檢測(cè)+邊部100mm橫波檢測(cè)技術(shù)，是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的重大技術(shù)創(chuàng)新，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)鋼板相控陣超聲波檢測(cè)的空白；
（2）在不更換探頭的情況下，實(shí)現(xiàn)所有鋼板檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的全覆蓋；軟件內(nèi)置多種標(biāo)準(zhǔn)，可人工增添及自定義探傷標(biāo)準(zhǔn)；
（3）獨(dú)具耦合監(jiān)控通道虛擬技術(shù)，使用一套硬件、虛擬產(chǎn)生兩個(gè)通道，各自調(diào)整增益范圍等關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)探傷一個(gè)監(jiān)視功能。耦合監(jiān)控方便靈活，具有自校驗(yàn)及探頭性能評(píng)判功能，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，防止定標(biāo)不準(zhǔn)。
四、應(yīng)用情況與效果
國(guó)際領(lǐng)先的鋼板超聲波探傷企業(yè)主要是GE（德國(guó)）、OLYMPUS（德國(guó)）、KARLDEUTSCH（德國(guó)）、ROSON（德國(guó)）等國(guó)際專業(yè)探傷設(shè)備制造公司。與國(guó)外企業(yè)對(duì)比，南鋼鋼板全板面全相控陣大型超聲波自動(dòng)探傷設(shè)備在技術(shù)指標(biāo)、建設(shè)周期、價(jià)格方面都具有優(yōu)勢(shì)。相控陣超聲波探傷是傳統(tǒng)超聲波探傷的迭代技術(shù)，檢測(cè)靈敏度更高。鋼板邊部探傷功能的能力提升至可檢測(cè)邊部?1.6mm豎通孔的水平；檢測(cè)靈敏度由國(guó)外設(shè)備的FBH5提升至FBH3；鋼板上、下表面的檢測(cè)盲區(qū)由國(guó)外設(shè)備的3mm提升至1.5mm；鋼板四周邊部檢測(cè)盲區(qū)由國(guó)外設(shè)備的10mm提升至5mm，主要指標(biāo)均明顯超過(guò)國(guó)外進(jìn)口裝備。并且金宇軟件可人工增添及自定義探傷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，能夠適應(yīng)中國(guó)鋼鐵質(zhì)量發(fā)展需要。設(shè)備建設(shè)及調(diào)試時(shí)間相當(dāng)于國(guó)外同類設(shè)備正常情況下的60%；與引進(jìn)的國(guó)外探傷機(jī)相比，節(jié)約投資費(fèi)用30%，打破了國(guó)外對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)的高額售價(jià)的壟斷。
項(xiàng)目技術(shù)成果于2022年6月首次在南鋼中厚板卷廠進(jìn)行了應(yīng)用。為國(guó)內(nèi)行業(yè)首臺(tái)套鋼板相控陣超聲波自動(dòng)探傷設(shè)備，改變了目前我國(guó)鋼廠所采用的超聲波自動(dòng)化探傷裝備基本依賴GE、NDT等國(guó)外公司的設(shè)備進(jìn)口的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了高端大型自動(dòng)化檢測(cè)裝備制約性技術(shù)的突破，構(gòu)建了該領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)化自主化的“大國(guó)重器”。高端鋼板的四周邊部的是下游產(chǎn)品如管道的焊縫區(qū)域，也是90%以上的質(zhì)量事故發(fā)生的集中區(qū)域，迫切需要進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)，該設(shè)備系統(tǒng)自投產(chǎn)至今已檢測(cè)核電鋼、容器鋼、管線鋼等高端鋼板67萬(wàn)噸，性能指標(biāo)均滿足探傷檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及客戶合同要求，解決了管線鋼等高端板材產(chǎn)品邊部檢測(cè)能力不足的問(wèn)題。
項(xiàng)目應(yīng)用前景廣闊，首創(chuàng)的鋼板全相控陣超聲（縱波+橫波）技術(shù)，對(duì)于國(guó)內(nèi)鋼廠質(zhì)量提升及數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展具有極大的吸引力，為國(guó)產(chǎn)鋼板進(jìn)入國(guó)際高端市場(chǎng)創(chuàng)造條件。目前已在南鋼寬厚板廠的建設(shè)第二套鋼板相控陣超聲波自動(dòng)探傷設(shè)備；在江蘇興澄特種鋼鐵鋼有限公司的建設(shè)第三套鋼板相控陣超聲波自動(dòng)探傷設(shè)備。項(xiàng)目已申請(qǐng)專利7件，其中發(fā)明專利1件，獲授權(quán)實(shí)用新型專利6件，軟著1件；牽頭起草團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)已完成審定，參與起草國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)并已發(fā)布；相關(guān)技術(shù)成果獲省市各級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)8項(xiàng)。
信息來(lái)源：南京鋼鐵股份有限公司
