文章來源于《世界金屬導報》

金宇智能檢測新成果

助力鋼鐵產品質量提升

——鋼板全板面相控陣超聲波自動探傷系統研發及應用項目獲評“國際先進”

一、前言

我國鋼鐵產品存在低端過剩、高端依賴進口的窘迫境地。因此，大幅提升現有產品的綜合性能，提高現有產品的質量，是各大鋼鐵企業急需解決的重大課題。

對鋼材產品進行無損探傷檢測，是確保出廠產品質量的一個重要手段。針對目前超聲波探傷常見的漏檢問題，江蘇金宇智能檢測系統有限公司聯合相關科研單位，開發了國內首臺鋼板全板面相控陣超聲波探傷系統。該系統通過相控陣檢測技術，可對鋼材產品進行高精度檢測及缺陷統計，不僅可以確保出廠均為高質量產品，也能通過缺陷統計分析，達到優化產品生產工藝，快速提高鋼材產品綜合性能，大幅提高產品質量。4月20日，中國鋼鐵工業協會在南鋼組織召開科技成果評價會，“鋼板全板面相控陣超聲波自動探傷系統研發及應用”項目獲評“國際先進”。

二、現狀和問題

國內鋼廠用于鋼板檢測的超聲波自動探傷機，都是從美國和德國進口的采用水膜法耦合探傷設備，探頭型式為一發三收和一發四收的縱波直射法檢測，此探傷方式僅能檢測與鋼板軋制面平行的缺陷。鋼板的有效檢測范圍和檢測能力都受到限制，造成鋼板四周邊部和鋼板上、下近表面的缺陷容易漏檢，以及鋼板邊部的橫向非分層缺陷不能檢測。不能滿足核電鋼板、軍用鋼板、海底管線用鋼板、壓力容器用鋼板、橋梁用鋼板等高質量鋼材的要求，嚴重影響了鋼板質量檢測，給客戶安全使用帶來隱患。

國內板材自動化檢測采用非相控陣的單通道超聲波探頭分辨率低，只能檢測分層等接近于平行鋼板表面的缺陷，上下表面盲區較大，邊部盲區較大且非分層缺陷易漏檢。兩種探傷方式的對比結果見表1。

本項目開發的鋼板全板面相控陣超聲波探傷系統，完美解決了以上痛點問題。將多達上百個小的超聲晶片集成到一個探頭中，通過預先計算的相位延時對每個晶片進行獨立激發，最終合成所需的聲場波形，實現在被測鋼板中的聲束聚焦和轉向。

三、研發工作流程

本項目充分發揮和優選工信部、學會和行業協會、國內外和全產業鏈范圍的高校、科研機構、廠商的資源優勢，進行方案優化、評審和實施。對于傳感器、檢測原理、數據處理和算法等核心關鍵技術，采用多方合作、技術引進、聯合開發的方式進行。項目研發工作流程分為9大部分，如圖1所示。項目通過打造高水平、高起點的優質示范項目，促進產業鏈的整合和整體提升。

♦2019年6月-2020年2月，中厚板探傷設備項目立項，項目組針對原設備不具備軟件標準自定義及無橫波檢測能力，無法滿足現有高端客戶需求，進行技術方案制定。

♦ 2020年3月-8月，設計檢測方案、現場試塊制作及測試。針對板卷廠的實際需求，通過反復交流，確定了探傷的詳細指標和性能要求，并準備測試方案進行實際驗證。

♦ 2020年9月-12月，技術路線確定，技術方案設計及論證。通過前期的測試驗證，明確了檢測方案可行，開始進行整體的自動化設計和可行性論證，通過大量的前期設計分析和與客戶的研討，識別出對應的風險，并制定相應的解決方案。

♦ 2021年1月-6月，詳細技術方案、詳細圖紙設計及評審優化。整體技術方案確定后，開始逐一功能部件的詳細設計，并在設計過程中確認制作的技術指標和驗收標準，直到后續的生產制作。

♦ 2021年7月-2022年3月，設備采購、制造、出廠前調試及測試。通過實地考察多家供應商，確認其生產能力和檢驗能力，并通過南鋼對相關供應商的審核要求，確定最后的生產單位，開始生產。在設備生產結束后，在裝配車間進行了詳細的測試驗證，期間多次邀請用戶單位進行調試指導工作，確保到現場后滿足生產需求。

♦ 2022年4月-6月，設備現場安裝。發貨前進行了詳細的出廠驗收，并與用戶單位協調了檢修時間進行安裝，并整改了現場輥道的平整度，確保設備穩定運行。

♦ 2022年7月-9月，調試及試生產。與出廠前的調試不同，在實際調試過程中對于信號的連鎖，信息的傳輸，以及機械結構的穩定性都提出了更高的要求，也充分說明了前期測試工作的重要性和必要性。2個月即完成了整體設備的調試并進入試生產。

♦ 2022年10月，設備CNAS校準測試。為證實設備的可行性及規范性要求，在設備上線后進行了CNAS認證，確保了設備的規范性。

♦ 2022年11月至今，設備穩定投入鋼板探傷檢測生產及設備持續優化改進；通過近半年的運行時間，系統出現了很多穩定性和設計不足的問題，針對這些問題，在運行過程中進行動態改進和調整，滿足不同工況對于設備的要求，期間累計對38項問題點做出改進，并持續跟蹤使用情況。

四、產品性能與創新性成果

（一）產品性能

鋼板邊部探傷功能能夠實現邊部橫波檢測，非分層缺陷檢測靈敏度可達到φ1.6mm豎通孔的水平；分層檢測靈敏度從僅為FBH5提升至FBH2的水平；鋼板上、下表面的檢測盲區從大于3mm降至1.5mm；鋼板四周邊部檢測盲區由大于10mm降至4mm的水平。探傷厚度覆蓋范圍4-230mm。產品性能參數見表2。

（二）創新性成果

1）采用的全板面相控陣縱波檢測+邊部100mm橫波檢測技術，是無損檢測領域的重大技術創新，填補了國內鋼板相控陣超聲波檢測的空白。

2）實現相控陣探頭激活孔徑可靈活設置，鋼板探傷全過程超聲波方向焦距自由變換，檢測厚度覆蓋4mm到230mm的行業實際應用，表面盲區＜1.5mm。

3）探傷全過程聲束在鋼板內部偏轉、變換焦距，縮小邊部盲區檢測范圍（＜5mm），且可檢測出非分層缺陷。

4）設置獨立的邊部和頭尾探相控陣縱波和橫波檢測，適應5m寬度鋼板檢測，利用超聲波連續可調扇形掃查特性，檢測鋼板邊部100mm范圍內不同方向的缺陷；邊探與中間探頭陣列重復覆蓋，避免板邊偏移造成缺陷漏檢。

5）在不更換探頭的情況下，實現所有鋼板檢測標準的全覆蓋；軟件內置多種標準，可人工增添及自定義探傷標準。

6）內置多種智能算法，重復頻率高，檢測速度快，能有效避免鋼板缺陷漏檢；采用解耦表征、機器學習等人工智能算法，實現缺陷精確的定位、定量以及形貌直觀三維顯示。

7）獨具耦合監控通道虛擬技術，使用一套硬件，虛擬產生兩個通道，各自調整增益范圍等關鍵參數，實現一個探傷一個監視功能。耦合監控方便靈活，具有自校驗及探頭性能評判功能，降低人員勞動強度，防止定標不準。

五、工程應用及前景

本項目成果為全國首套鋼板全板面相控陣超聲波探傷大型設備，已成功應用于南鋼集團，取代了國外進口設備，是目前國內中厚鋼板檢測靈敏度和檢測功能最全面的探傷機，同時也是國內唯一一臺全板面相控陣的鋼板超聲自動化檢測探傷機。國內首創的全板面相控陣超聲（縱波+橫波）技術為國產鋼板超聲檢測設備進入國際高端檢測市場創造了條件。

在更高的質量目標促使下，作為鋼廠產品的質量保障手段，未來的鋼廠大型自動化無損檢測裝備，將實現對更多類型、更小的缺陷的檢測，更低的誤報率和漏報率，以適應下游用戶和行業新標準的要求。項目組研發及量產結合全板面、全相控陣、全聚焦深度的超聲波檢測技術的自動化無損檢測設備，自主掌握相控陣超聲波檢測傳感器相控陣精密控制和采集部分、缺陷重構算法等核心科技，能夠實現4-230mm不同厚度鋼板的缺陷檢測，填補國內無高性能鋼板全板面探傷機的空白，其中全板面相控陣超聲（縱波+橫波）技術為國內首創，對于國內鋼廠質量提升及數字化、智能化轉型發展具有極大的吸引力。