基于广义倒频谱的无缝钢管在线高精度测厚技术

　　随着我国工业突飞猛进的发展,我国钢产量连续15年位居全球第一.在石油、化工等领域都需要大量的无缝钢管.这些压力用管在出厂的时候都要经过严格的质量检测,在这些重要场合应用的无缝钢管如果存在缺陷,后果是无法设想的,因此无缝钢管的质量评价有着重大的意义.

　　无缝钢管的常规缺陷为纵伤、横伤和壁厚不均匀.本文介绍的方法就是应用于无缝钢管的在线厚度检测.利用超声波检测厚度有许多优点:测量精度高、速度快、操作安全,因此超声测厚已成为工业上一种重要的厚度测量手段[1].超声测厚技术按工作的原理可以分为脉冲回波法、共振法、干涉法、板波法等几种,其中脉冲回波法的应用最为广泛[2].脉冲回波法的基本原理是,超声探头发出一个超声波窄脉冲,超声波脉冲在钢管的外表面和内表面依次反射后被超声探头接收,这样就可以确定脉冲超声波在钢管中的渡越时间(time-of-flight,TOF)[3],在已知超声波在钢管中传播速度的前提下可以计算出钢管的厚度.如果直接在回波中测量渡越时间,由于超声脉冲波并非单一频率激振,不同频率的波将产生合成,出现“拍”、“混叠”及“频移”等现象[4],使得超声脉冲波形在时域中的最高点发生移动,造成判断延时,影响渡越时间的测量,所以测厚的精度不高.传统的相关分析处理后并不会出现尖锐的脉冲,这是因为相关函数包含了除时延以外的其他信息,这影响了对渡越时间的精确测量[5].其他的一些算法则由于实际应用中响应速度慢,不适合在在线检测中应用.

　　无缝钢管的在线厚度检测必须要考虑2个问题:精度和效率.针对这种实际情况,本文提出了基于倒谱的测厚算法,首先截取表面波,然后把表面波和回波作广义倒谱处理,得到的波形在时间域峰值尖锐[6-7],波峰的横坐标就是渡越时间,测量精度高.该算法主要利用快速傅里叶变换实现,响应速度快,效率高,适合在在线检测中应用.另外,钢管在线检测时钢管是螺旋式前进的,钢管旋转会对超声波传播的路径有影响,这对声程的测量造成误差,影响测厚精度,本文对动态系统造成的影响给出了补偿,提高了在线系统的测厚精度.

　　1　基于广义倒频谱的测厚技术

　　图1是在线无缝钢管超声测厚系统的原理框图,探头采用的是收发一体的点聚焦式超声波换能器.

　　倒频谱分析是一种二次分析技术,是对功率谱的对数值进行傅里叶逆变换.设x t为待分析时域信号,对x t进行傅里叶(Fourier)变换求出频谱函数Xjω:

　　求出功率谱密度函数Gω:

　　对功率谱函数求其对数的逆傅里叶变换后就得到倒频谱: