基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置及其检测方法
阅读说明：本技术 基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置及其检测方法 (Large-diameter pipeline welding line detection device based on residual stress gauge and detection method thereof ) 是由 宋子博 季昌国 徐海滨 王智春 余超 彭波 于 2021-05-31 设计创作，主要内容包括：本发明为一种基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置及其检测方法,该装置包括残余应力测试探头、电源单元和数据采集单元,还包括探头多维运动结构,探头多维运动结构包括探头轴向移动结构、探头升降结构和探头旋转结构,残余应力测试探头连接于探头旋转结构上,探头旋转结构铰接于探头升降结构上,探头升降结构能升降地连接于探头轴向移动结构上；探头多维运动结构支撑设置于检测支撑结构上,检测支撑结构能支撑于管道上且能通过绑带能拆卸地与管道连接。本发明通过检测支撑结构和探头多维运动结构实现残余应力测试探头的有效支撑,避免探头晃动,结构简单,操作简单,简化人工操作流程,提高检测效率。(The invention relates to a large-diameter pipeline weld joint detection device based on a residual stress gauge and a detection method thereof, wherein the device comprises a residual stress test probe, a power supply unit, a data acquisition unit and a probe multi-dimensional motion structure, the probe multi-dimensional motion structure comprises a probe axial moving structure, a probe lifting structure and a probe rotating structure, the residual stress test probe is connected to the probe rotating structure, the probe rotating structure is hinged to the probe lifting structure, and the probe lifting structure can be connected to the probe axial moving structure in a lifting manner; the multi-dimensional probe movement structure is supported and arranged on the detection support structure, and the detection support structure can be supported on the pipeline and can be detachably connected with the pipeline through a binding band. The invention realizes effective support of the residual stress test probe through the detection support structure and the multi-dimensional probe movement structure, avoids probe shaking, has simple structure and simple operation, simplifies manual operation flow and improves detection efficiency.)
技术领域
本发明涉及焊缝检测
技术领域
，尤其涉及一种基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置及其检测方法。背景技术
残余应力直接影响金属制品的疲劳强度、抗应力、腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命，因此在工业和军事等部门受到普遍重视。X射线是表面残余应力测定技术中为数不多的无损检测法之一，是根据材料或制品晶面间距的变化测定应力的，至今仍然是研究得较为广泛、深入、成熟的残余应力分析和检测方法之一，被广泛的应用于科学研究和工业生产的各领域。
目前基于全二维探测器分析方法的新一代残余应力分析仪不仅精度更高，而且不再需要测角仪、不再需要多个入射角才能完成测量、不再需要冷水机、不再需要外接供电电源，因此将极大改善了复杂形状部件检测、狭窄空间检测、野外工程现场检测、大面积部件检测等测量的难度，具有更广泛的应用。在实验室内，基于全二维探测器分析方法的便携式X射线残余应力分析仪可以用来检测焊接处疲劳等应力问题。
现有的便携X射线残余应力分析仪在现场实际生产测试过程中，对现场试验环境要求十分严苛。当测量位于较高位置的大管径管道焊缝的残余应力时，需要在该管道被测焊缝附近搭设脚手架或固定平台，再将三脚架放置在平台上来支撑探头摇臂与测试探头进行测量，同时探头摇臂还需要配重水袋配合以保持平衡，该种方法存在以下弊端：1)脚手架或固定平台搭设复杂，若管道需测量多条相距较远焊缝的残余应力时，需搭设多个脚手架或固定平台搭设复杂，工作量巨大；
2)脚手架或固定平台的稳定性受现场工况震动影响较大，探头摇臂晃动严重影响测量精度；3)在测量环焊缝整体残余应力分布时，传统方法在测量管道环焊缝下半部分时测量受限，无法完整测量环焊缝残余应力分布，并且无法保证各个测量点在同一直线上，测量焊缝整体残余应力分布准确度不高；4)由于被测管道焊缝材质不同，残余应力分析仪探头需调节不同X射线入射角，传统方法需要应用电子量角器分别在横向和纵向对试样和探头多次进行角度测量，该种方法精确不足，存在较大误差。而对于大径管道所在位置狭小空间局促的管道焊缝则无法进行测量，极度限制残余应力分析仪在实际工程中的广泛应用。
由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置及其检测方法，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置及其检测方法，克服现有技术中存在的问题，本发明通过检测支撑结构和探头多维运动结构实现残余应力测试探头的有效支撑，避免探头晃动，结构简单，操作简单，简化人工操作流程，提高检测效率。
本发明的目的是这样实现的，一种基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置，包括残余应力测试探头、电源单元和数据采集单元，还包括探头多维运动结构，所述探头多维运动结构包括探头轴向移动结构、探头升降结构和探头旋转结构，所述残余应力测试探头连接于所述探头旋转结构上，所述探头旋转结构铰接于所述探头升降结构上，所述探头升降结构能升降地连接于探头轴向移动结构上；所述探头多维运动结构支撑设置于检测支撑结构上，所述检测支撑结构能支撑于管道上且能通过绑带能拆卸地与管道连接。
在本发明的一较佳实施方式中，所述探头升降结构包括升降螺杆，升降螺杆的中心轴沿管道的径向设置，所述升降螺杆能沿探头轴向移动结构旋进升降；所述探头旋转结构包括能绕升降螺杆的中心轴旋转的第一旋转架，所述第一旋转架上铰接第二旋转架，所述第二旋转架能绕第二转轴转动，所述残余应力测试探头固定连接于所述第二旋转架内，第二转轴的中心轴与升降螺杆的中心轴呈空间垂直设置。
在本发明的一较佳实施方式中，所述第一旋转架通过第一转轴铰接于所述探头升降结构上，所述第一转轴的侧壁上设置第一刻度显示单元，所述探头升降结构上与第一刻度显示单元对应的位置设置第一指针单元；所述第二旋转架上位于所述第二转轴的径向外侧设置第二刻度显示单元，所述第一旋转架上与第二刻度显示单元对应的位置设置第二指针单元。
在本发明的一较佳实施方式中，所述探头轴向移动结构包括移动基板，所述移动基板上贯通设置轴向滑动导孔，所述轴向滑动导孔能滑动套设于检测支撑结构上，所述移动基板上还设置升降螺纹套，所述升降螺杆穿设通过所述升降螺纹套且能沿其旋进；所述轴向滑动导孔的一端设置固定旋把。
在本发明的一较佳实施方式中，所述探头升降结构还包括升降基板，所述升降螺杆靠近探头旋转结构的一端铰接于所述升降基板上；所述升降基板上还设置与所述升降螺杆平行的升降导杆，所述升降导杆能滑动穿过所述移动基板；所述升降基板上设置第一指针单元。
在本发明的一较佳实施方式中，所述升降螺杆远离探头旋转结构的一端设置升降手轮。
在本发明的一较佳实施方式中，所述第一转轴和所述第二转轴均为阻尼转轴。
在本发明的一较佳实施方式中，所述检测支撑结构包括2个沿管道的轴向平行间隔设置的支撑架，2个所述支撑架之间设置轴向滑轨，所述探头轴向移动结构滑动套设于所述轴向滑轨上。
在本发明的一较佳实施方式中，所述支撑架的底部设置内凹的圆弧面，所述圆弧面能抵靠扣合于管道的侧壁上，所述支撑架的底部位于所述圆弧面的两端设置磁力滚轮，所述支撑架上设置把手；所述支撑架上还设置绑带固定块，所述绑带固定块上能拆卸地连接绑带，所述绑带用于将支撑架绑扎于管道上。
本发明的目的还可以这样实现，一种采用前述的基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置的检测方法，包括：
步骤a1、组装探头多维运动结构和检测支撑结构；
步骤b1、将检测支撑结构放置于管道上，探头多维运动结构位于被测焊缝上方，使用绑带固定检测支撑结构；
步骤c1、组装残余应力测试探头、电源单元和数据采集单元，将残余应力测试探头连接于探头多维运动结构上；
步骤d1、通过探头多维运动结构调整残余应力测试探头的轴向位置、径向位置和旋转角度；
步骤e1、启动残余应力测试探头对设定的测试点发出X射线开始检测测量，数据采集单元实时记录检测数据，得到该测试点残余应力分布情况以及该测试点残余应力值。
由上所述，本发明提供的基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置及其检测方法具有如下有益效果：
本发明的基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置，通过检测支撑结构和探头多维运动结构实现残余应力测试探头的有效支撑，避免探头晃动，保证检测中探头的X射线发射面与检测面之间的特定测试角度无偏转与晃动；探头多维运动结构能实现探头在多个方向上的移动和转动，方便调节X射线入射角度与位置；检测支撑结构通过绑带连接固定于管道上，调整绑带长度和种类即可适应多种规格和工况管道的需求，可固定在任意大尺寸管径和各类严苛工况的管道上；本发明的基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置，结构简单，操作简单，简化人工操作流程，提高检测效率；通过调节磁力滚轮，使探头能沿焊缝周向运动实现对环焊缝进行多点测量；
本发明的检测方法，能够实现对被检管道环焊缝的残余应力情况有效的全面检测，提高检测效率，使得检验情况更加立体完整。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
其中：
图1：为本发明的基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置的示意图。
图2：为本发明的探头多维运动结构和检测支撑结构的示意图。
图3：为本发明的探头轴向移动结构的示意图。
图4：为本发明的探头升降结构的示意图。
图5：为本发明的探头旋转结构的示意图。
图6：为本发明的基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置的使用状态示意图。
图中：
100、基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置；
1、残余应力测试探头；
2、探头轴向移动结构；
21、移动基板；211、升降导孔；22、轴向滑动导孔；23、升降螺纹套；24、固定旋把；
3、探头升降结构；
31、升降螺杆；32、升降基板；321、第一指针单元；33、升降导杆；34、升降手轮；
4、探头旋转结构；
41、第一旋转架；411、第二指针单元；42、第二旋转架；421、第二刻度显示单元；43、第一转轴；431、第一刻度显示单元；44、第二转轴；
5、检测支撑结构；
51、支撑架；52、轴向滑轨；53、把手；54、绑带固定块；55、连接螺钉；56、磁力滚轮；
6、绑带；
7、管道。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1至图6所示，本发明提供一种基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置100，包括残余应力测试探头1(X射线残余应力测试探头)、电源单元和数据采集单元，还包括探头多维运动结构，探头多维运动结构包括探头轴向移动结构2、探头升降结构3和探头旋转结构4，残余应力测试探头1连接于探头旋转结构4上，探头旋转结构4铰接于探头升降结构3上，探头升降结构3能升降地连接于探头轴向移动结构2上；探头多维运动结构支撑设置于检测支撑结构5上，检测支撑结构5能支撑于管道7(被测管道)上且能通过绑带能拆卸地与管道7连接。
检测支撑结构5由高温或常温绑带固定在管道上，由于管道可能存在高温工况，因此除常规尼龙绑带，还配备了钢制高温绑带以应对各种极限工况。
本发明的基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置，通过检测支撑结构和探头多维运动结构实现残余应力测试探头的有效支撑，避免探头晃动，保证检测中探头的X射线发射面与检测面之间的特定测试角度无偏转与晃动；探头多维运动结构能实现探头在多个方向上的移动和转动，方便调节X射线入射角度与位置；检测支撑结构通过绑带连接固定于管道上，调整绑带长度和种类即可适应多种规格管道和工况的需求，可固定在任意大尺寸管径和各类严苛工况的管道上；本发明的基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置，结构简单，操作简单，简化人工操作流程，提高检测效率。
进一步，如图2、图4、图5所示，探头升降结构3包括升降螺杆31，升降螺杆31的中心轴沿管道的径向设置，升降螺杆31能沿探头轴向移动结构2旋进升降；探头旋转结构4包括能绕升降螺杆31的中心轴旋转的第一旋转架41，第一旋转架41上铰接第二旋转架42，第二旋转架42能绕第二转轴44转动，残余应力测试探头固定连接于第二旋转架42内(残余应力测试探头通过探头安装孔安装在第二旋转架42上)，第二转轴44的中心轴与升降螺杆31的中心轴呈空间垂直设置。第一旋转架41和第二旋转架42均呈C型设置，第二旋转架42套设于第一旋转架41内。
进一步，如图2、图4、图5所示，第一旋转架41通过第一转轴43铰接于探头升降结构3上，第一转轴43的侧壁上设置第一刻度显示单元431，探头升降结构3上与第一刻度显示单元431对应的位置设置第一指针单元；第二旋转架42上位于第二转轴44的径向外侧设置第二刻度显示单元421，第一旋转架41上与第二刻度显示单元421对应的位置设置第二指针单元411。
在本实施方式中，第一转轴43和第二转轴44均为阻尼转轴。
第一转轴43的侧壁上设置第一刻度显示单元431，探头升降结构3上与第一刻度显示单元431对应的位置设置第一指针单元，旋转第一旋转架41时，可根据第一刻度显示单元431的刻度值确定其旋转角度。
第二旋转架42上位于第二转轴44的径向外侧设置第二刻度显示单元421，第一旋转架41上与第二刻度显示单元421对应的位置设置第二指针单元411。旋转第二旋转架42时，可根据第二刻度显示单元421的刻度值确定其旋转角度，该角度与探头X射线入射角度一致。
进一步，如图1、图2、图3所示，探头轴向移动结构2包括移动基板21，移动基板21上贯通设置轴向滑动导孔22，轴向滑动导孔22能滑动套设于检测支撑结构5上，移动基板21上还设置升降螺纹套23，升降螺杆31穿设通过升降螺纹套23且能沿其旋进，升降螺杆31与升降螺纹套23螺纹咬合连接；轴向滑动导孔22的一端设置固定旋把24，固定旋把24用于将探头轴向移动结构2轴向固定于检测支撑结构5上。
在检测过程中，当探头需沿轴向(管道轴向)移动时，松开固定旋把24，移动探头轴向移动结构2使探头到达轴向任意位置，旋紧固定旋把24，探头轴向移动结构2即固定在轴向上的指点位置。
进一步，如图2、图4所示，探头升降结构3还包括升降基板32，升降螺杆31靠近探头旋转结构4的一端铰接于升降基板32上；升降基板32上还设置与升降螺杆31平行的升降导杆33，升降导杆33能滑动穿过移动基板21；升降基板32上设置第一指针单元321。升降基板32上设置转动轴承，升降螺杆31靠近探头旋转结构4的一端铰接于转动轴承；升降导杆33的数量为2个，分别位于升降螺杆31的两侧，移动基板21上设置贯通的升降导孔211，升降导杆33滑动穿过升降导孔211，升降导杆33保证探头升降结构3平稳升降，避免发生偏转。
进一步，如图4所示，升降螺杆31远离探头旋转结构的一端设置升降手轮34。检测时，通过旋转升降手轮34可使探头升降结构3整体进行升降调节。
进一步，如图1、图2所示，检测支撑结构5包括2个沿管道的轴向平行间隔设置的支撑架51，2个支撑架51之间设置轴向滑轨52，探头轴向移动结构2滑动套设于轴向滑轨52上，轴向滑轨52的数量为2个，探头轴向移动结构2架设于2个轴向滑轨52之间。支撑架51由铝合金型材制成，轴向滑轨52和支撑架51通过连接螺钉55连接，探头多维运动结构(探头轴向移动结构2、探头升降结构3和探头旋转结构4)设置于2个轴向滑轨52之间，形成一个“日”字型主框架；检测支撑结构5跨设于管道上被测焊缝两侧。
进一步，如图1、图6所示，支撑架51的底部设置内凹的圆弧面，圆弧面能抵靠扣合于管道的侧壁上，支撑架51的底部位于圆弧面的两端设置磁力滚轮56，支撑架51上设置把手53；支撑架51上还设置绑带固定块54，绑带固定块54上能拆卸地连接绑带6，绑带6用于将支撑架51绑扎于管道7上。在进行纵焊缝环向检测时，通过2个把手53和4个磁力滚轮56沿纵管道侧壁移动实现对整个纵焊缝检测。
本发明还提供一种采用基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置100的检测方法，包括：
步骤a1、组装探头多维运动结构和检测支撑结构5；
具体地，将把手53和绑带固定块54连接于支撑架51上，轴向滑轨52穿过移动基板21的轴向滑动导孔22，将2个轴向滑轨52连接于2个支撑架51之间；
步骤b1、将检测支撑结构5放置于管道上，探头多维运动结构位于被测焊缝上方，使用绑带6固定检测支撑结构5；如图6所示；
具体地，将检测支撑结构5架设于被测焊缝两侧，使用绑带6固定检测支撑结构5，若被检管道处于高温情况下，可用高温钢制绑带进行固定；
步骤c1、组装残余应力测试探头1、电源单元和数据采集单元，将残余应力测试探头1连接于探头多维运动结构上；
具体地，将残余应力测试探头1、电源单元和数据采集单元通过线缆组装，将残余应力测试探头1连接于探头旋转结构4的第二旋转架42上；
步骤d1、通过探头多维运动结构调整残余应力测试探头1的轴向位置、径向位置和旋转角度；
具体地，由于检测支撑结构5直接固定在管道上，轴向滑轨52与管道轴向相平行，使得残余应力测试探头1(X射线应力分析仪探头)在垂直于X射线入射方向所在平面与管道被测点相切上；根据第二刻度显示单元421指示将探头旋转角度调至不同材质所规定的X射线入射角位置，例如：铁素体钢入射角选取35°。打开μ-X360测试软件，将探头轴向移动结构2沿轴向滑轨52滑动调节至检测位置，通过固定旋把24将其轴向固定；旋转升降手轮34，使激光红斑到达绿框内(在μ-X360测试软件内通过CCD摄像头所示画面进行调整)即探头位置调整完毕。
步骤e1、启动残余应力测试探头对设定的测试点发出X射线开始检测测量，数据采集单元实时记录检测数据，得到该测试点残余应力分布情况以及该测试点残余应力值；
步骤f1、环焊缝检测时，在完成该环焊缝上一点测量后，因同一环焊缝的材质一般相同，因此无需调整探头多维运动结构等各项参数；只需松开绑带，通过两个把手和四个磁力滚轮沿纵焊缝移动，周向调整检测支撑结构，再次固定后执行步骤e1，依次完成环焊缝各设定测试点的检测，得到环焊缝整体残余应力数据。
本发明的检测方法，能够实现对被检管道环焊缝的残余应力情况有效的全面检测，提高检测效率，使得检验情况更加立体完整。
由上所述，本发明提供的基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置及其检测方法具有如下有益效果：
本发明的基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置，通过检测支撑结构和探头多维运动结构实现残余应力测试探头的有效支撑，避免探头晃动，保证检测中探头的X射线发射面与检测面之间的特定测试角度无偏转与晃动；探头多维运动结构能实现探头在多个方向上的移动和转动，方便调节X射线入射角度与位置；检测支撑结构通过绑带连接固定于管道上，调整绑带长度和种类即可适应多种规格和工况管道的需求，可固定在任意大尺寸管径和各类严苛工况的管道上；本发明的基于残余应力仪的大径管道焊缝检测装置，结构简单，操作简单，简化人工操作流程，提高检测效率；通过调节磁力滚轮，使探头能沿焊缝周向运动实现对环焊缝进行多点测量；
本发明的检测方法，能够实现对被检管道环焊缝的残余应力情况有效的全面检测，提高检测效率，使得检验情况更加立体完整。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
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