CN103148814B - 管材部分液浸自动超声波壁厚测量机构及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管材部分液浸自动超声波壁厚测量机构及测量方法，在滑座上装有滑板，该滑板与滑杆座相固定，在滑杆座中支承有滑杆，该滑杆的上端与气缸的活塞杆相固定，滑杆的下端与双铰链座的顶部相固定，双铰链座的底部与连接架铰接，该连接架与探头支撑壳体的上端固定，在探头支撑壳体的内腔中装有超声波探头，所述探头支撑壳体下端与尼龙块相连。本发明能够对核燃料管坯整根管件进行壁厚自动超声波测量，不仅结构简单，操作方便，而且测量精度和效率高，稳定性和可靠性好，其测量结果通过与数控砂带磨床数控系统通信，能自动、精确地指导其后的管件壁厚修磨过程，从而保证了管件壁厚的均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及一种管材部分液浸自动超声波壁厚测量机构及测量方法，用于核燃料包壳管以及类似管材的壁厚检测。
背景技术
核燃料包壳作为包容并封装燃料芯块的载体，起着避免芯块受冷却剂的腐蚀与机械冲蚀、包容裂变产物以及为燃料元件提供结构支撑的作用，它充当了核电站安全首道防线的角色。由于核燃料包壳所处的工作环境恶劣以及特殊的工作要求，从而对包壳材料性能要求很高。锆合金因为其热中子吸收截面小，感生放射性低，耐蚀性与机械稳定性好，与燃料及裂变产物相容性好等优点，很好地满足了核电站包壳管对于材料的高要求，从而广泛应用于压水堆中。
包壳管从锆锭需经热挤压、机加工等工序最后加工成管坯成品，再由管坯成品经多道次Pilger轧制、热处理、除油及酸洗、机加工、无损检测等工序最终才制成成品。为了保证经多道次Pilger轧制这一重要工序后，管坯件到成品管规定的尺寸要求，必须将热挤压造成的壁厚不均测量出来，并通过机加工控制在合适的范围内，这是包壳加工成败的关键之一。
超声波检测虽然已广泛应用于我国管材生产中，但是在包壳管坯生产中，多数核心设备都是从国外进口而来，例如西北锆管有限责任公司用于包壳管成品管材尺寸连续测量的ROTA25多通道数字化超声波检测系统就是从德国进口的。该设备可在对管材进行超声波探伤、保证内在质量的同时，完成对管材直径、内径和壁厚等尺寸的测量，提高了检验效率和检验质量。然而该设备价格昂贵，且适宜管件成品的检测，其检测重点是对成品管进行探伤，在管件壁厚单项测量上没有优势，也不具备指导测量后壁厚的修磨功能。
在管件壁厚测量上，常常还采用手持式超声测厚仪。手持式超声测厚仪使用方便，操作简单，价格便宜，测量范围广。但是由于采用人工检测的方式使得检测结果的随机误差很大，而且检测效率低，无法实现自动化，因而不能满足核燃料管坯整根管件大量检测点的检测要求。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种能够对核燃料管坯整根管件进行壁厚自动超声波测量的机构。
实现本发明第一个目的的技术方案如下：一种管材部分液浸自动超声波壁厚测量机构，在滑座(15)上装有与之滑动配合的滑板(16)，该滑板(16)与滑杆座(2)相固定，在滑杆座(2)中通过滑动轴承(5)支承有滑杆(3)，该滑杆(3)的上端与气缸(1)的活塞杆相固定，气缸(1)安装于滑杆座(2)的顶部，滑杆(3)的下端与双铰链座(7)的顶部相固定，所述双铰链座(7)的底部与连接架(9)铰接，该连接架(9)与探头支撑壳体(10)的上端固定，在探头支撑壳体(10)的内腔(10a)中装有超声波探头(11)，所述探头支撑壳体(10)下端与尼龙块(12)相连，该尼龙块(12)的中心孔(12a)与探头支撑壳体(10)的内腔(10a)连通，并且尼龙块(12)的底部设有圆弧形的通槽(12b)，尼龙块(12)的中心孔(12a)的下孔口在该通槽(12b)的槽底；在所述探头支撑壳体(10)的中部开有一个进液口，探头支撑壳体(10)的上部开有多个出液口，所述进液口和出液口均与探头支撑壳体(10)的内腔(10a)相通。
本发明中的滑座通过螺栓固定于数控砂带磨床的磨头上。气缸的活塞杆能够带动滑杆向下移动，使悬挂安装在双铰链座的各部件随滑杆一起下移，直至尼龙块底部的圆弧形通槽抵接在管材上，并且尼龙块中心孔的下孔口由管材密封。为了保证每次检测时探头的位置正确，要求机构有自适应的能力，因而在该机构中采用了一个双铰链座，从而保证探头在与管材轴线平行方向以及水平垂直方向能灵活转动，以保证每次气缸动作驱动尼龙块落下压在管材上时，两者的相对位置始终正确。
由于超声波在空气中发散严重，故在测量时，探头与管材之间应当充满耦合剂，以排除空气(通常采用水作为耦合剂)。由于水中声速是锆中的1/3，声波从水中入射管件时，产生折射后波束变宽，为了提高检测灵敏度，故采用聚焦探头，探头频率为5MHZ，直径为5in。检测时，耦合剂从探头支撑壳体中间部分的进液口流入，从壳体靠近上部均布的多个出液口流出，这样使得超声波探头始终浸在耦合剂中，从而很好地与空气隔绝。
本发明使得探头不直接与工件接触，从而不仅适宜检测表面光滑的工件，也适宜表面粗糙的工件的壁厚测量。由于不与工件接触，因而检测时不会磨损探头，且易于实现自动化检测。本发明测量精度高，稳定性和可靠性好，不仅操作简单、方便，而且经济实用、测量效率高，其测量结果通过与数控砂带磨床数控系统通信，能指导其后的管件壁厚精确修磨，以保证管件壁厚的均匀性。因此，本发明不仅适用于核燃料包壳管坯的壁厚修磨，也可以在其它类似的管材上应用。
在所述滑座(15)上开有与滑板(16)相适应的滑槽，滑板(16)位于该滑槽中，并由压板(17)限位，该压板(17)与滑座(15)相固定。以上结构组装容易，滑板沿滑座平移快捷、顺畅，能够按需要在前后方向调整超声波探头的位置。
在所述滑板(16)内装有螺母，该螺母与手柄(6)的杆部螺纹配合，所述手柄(6)可转动地安装在滑座(15)上，该手柄(6)的柄部为圆盘结构。以上结构转动手柄的柄部即可带动滑板平移，操作既简单又方便。
所述探头支撑壳体(10)的内腔(10a)的上端为扩口，该扩口中装有封盖组件，且封盖组件中穿设有调节杆(8)，该调节杆(8)与封盖组件螺纹配合，且调节杆(8)的下端安装超声波探头(11)。通过转动调节杆，可以带动超声波探头在上下方向移动，以方便测量前的调试工作。
为了方便尼龙块安装，一方面使尼龙块安装牢靠，另一方面避免尼龙块与探头支撑壳体之间发生耦合剂泄露，所述尼龙块(12)的中心孔(12a)为上大下小的台阶孔，该台阶孔的大直径段将探头支撑壳体(10)的下端套入，并通过径向上穿设的螺钉与探头支撑壳体上开设的环槽的连接使二者相连，连接后尼龙块(12)能绕探头支撑壳体(10)转动。
在所述尼龙块(12)底部的通槽(12b)内嵌装有密封硅胶条(20)，该密封硅胶条(20)环绕在尼龙块中心孔(12a)下孔口的外围。以上结构使得尼龙块具有良好的密封效果，很好地实现了检测时超声波探头与空气隔绝，保证了检测的精度。尼龙块采用硅胶条作为密封材料，通过粘接的方式粘接在尼龙块上，硅胶密封条在尼龙块上独特的布置方式使得硅胶条寿命大大提高，并且由于硅胶条有一定的伸缩性，从而保证了当管件实际外径与外径理论值存在一定偏差时，超声波探头仍能良好地与空气隔绝。
所述密封硅胶条(20)为方形，该密封硅胶条(20)的断面为菱形。以上结构使得密封硅胶条伸出尼龙块部分的形状为三角形，当密封硅胶条磨损后，伸出部分形状仍为三角形，这样既保证了密封效果，同时还耐磨。
在所述密封硅胶条(20)的两侧对称设置有砂带(21)，该砂带(21)为圆弧形，并固定在尼龙块(12)底部的通槽(12b)内。砂带的作用是防止尼龙块与管件直接接触，从而保证尼龙块不磨损，砂带磨损后可进行更换。尼龙块与密封硅胶条以及砂带一起组成耦合剂密封块，通过更换不同尺寸的耦合剂密封块可以实现不同外径工件的壁厚测量。
本发明的目的之二在于提供一种能够对核燃料管坯整根管件进行部分液浸自动超声波壁厚测量的方法。
实现本发明第二个目的的技术方案如下：一种利用以上测量机构进行管材部分液浸自动超声波壁厚测量的方法，包括以下步骤：
1)在管材(19)上沿其轴向等间距的设定若干横截面，在每个横截面等角度间距设定若干检测点；
2)将管材(19)的左右两端采用双顶尖(18)定位并夹紧，使管材(19)的竖直中心平面与尼龙块(12)底部通槽(12b)的竖直中心平面尽量重合，管材(19)第一个横截面的第一个检测点基本位于尼龙块(12)的正下方；
3)驱动气缸(1)动作，使气缸(1)的活塞杆带动滑杆(3)向下移动，悬挂安装在双铰链座(7)上的各部件随滑杆(3)一起下移，直至尼龙块(12)底部的圆弧形通槽(12b)抵接在管材(19)上；
4)通过进液口向探头支撑壳体(10)的内腔(10a)中注入耦合剂(20)，使超声波探头(11)完全淹没在耦合剂中，管材(19)的部分管壁也浸入耦合剂中，多余耦合剂(20)从出液口流出探头支撑壳体(10)外；
5)控制超声波探头(11)发射超声波进行壁厚测量；
6)转动管材(19)，使尼龙块(12)底部的圆弧形通槽(12b)抵接在同一横截面的下一个检测点上；
7)重复步骤5)-6)，直至同一横截面上的所有检测点完成壁厚测量；
8)通过气缸(1)将尼龙块(12)抬起，使尼龙块(12)移动到管材(19)轴向的下一横截面的第一个检测点，然后重复步骤3)-7)，直至所有横截面的壁厚测量完成。
本发明的测量原理为：由于要得到整根管材的壁厚分布，但在实际测量中，为了兼顾测量精度和效率，选择的测量方法为：在管材上等间距的选择若干横截面，在每个横截面再等角度间距选择若干检测点。横截面间距以及同一横截面上检测点角度间距选择原则为在此参数下的测量结果，能可靠地代表整根管件的壁厚分布。
由于上述管件壁厚测量方法所得结果要用于指导后续的壁厚不均修磨过程，以实现管件壁厚测量和修磨的自动化，并解决以往包壳管坯壁厚测量和修磨分离带来的定位基准不重合误差和机床占地面积大等问题，因而采用的测量机构通过螺栓固定于修模工序所用的数控砂带磨床的磨头上，从而共用了X轴伺服电机，另外管件壁厚测量和修磨时都采用同一套夹紧和定位装置，并且共用了A轴伺服电机来实现测厚和修磨时工件的转动。
信号处理由超声波板卡以及数控系统完成。最终的测量结果分两种形式给出，其一是以壁厚偏差地形图；其二是以记事本的方式将数据存储。方式一用不同颜色表示该区域壁厚偏差值的大小，该方式直观清晰，但不能定量；而方式二则能定量地将偏差值记录下来，便于后续数据比较和处理。
为了避免由于偶然因素造成的测量不准确，步骤5)中对同一检测点进行三次超声波壁厚测量，若同一点三次测量数据中有一数据与其他两个数据差值大于设定值时，舍弃该点，并将其余两点平均值作为该点壁厚值；若三次测量数据任意两次的差值均小于设定值时，将三次测量的平均值作为该点壁厚值。
有益效果：本发明能够对核燃料管坯整根管件进行壁厚自动超声波测量，不仅结构简单，操作方便，而且测量精度和效率高，稳定性和可靠性好，其测量结果通过与数控砂带磨床数控系统通信，能自动、精确地指导其后的管件壁厚修磨过程，从而保证了管件壁厚的均匀性。
附图说明
图1为测量机构的结构示意图。
图2为图1的左视图。
图3为尼龙块以及密封硅胶条、砂带的结构示意图。
图4为图3的左视图。
图5为图3的俯视图。
图6为测量机构安装在磨头上的结构示意图。
图7为管材的夹紧示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1、图2、图6所示，管材部分液浸自动超声波壁厚测量机构具有滑座15，滑座15为矩形平板结构，该滑座15通过四颗矩形分布的螺栓固定在数控砂带磨床的磨头座22上，磨头座22由X轴伺服电机23驱动。所述磨头座22的结构及运转方式与现有技术相同，在此不作赘述。在滑座15如图2示的右侧面开有矩形滑槽，该滑槽中装有与之相适应的滑板16，滑板16由压板17限位，而压板17通过螺栓与滑座15相固定。在所述滑板16内装有螺母，该螺母与手柄6的杆部螺纹配合，所述手柄6可转动地安装在滑座15上，该手柄6的柄部为圆盘结构。当转动手柄6的柄部时，在螺纹副的作用下，滑板16能够在滑座15上滑动，做前后方向的平移。
如图1、图2所示，在滑板16的右侧设置滑杆座2，该滑杆座2为长方体箱式结构，并且滑杆座2与滑板16固定连接在一起。在所述滑杆座2内设有滑杆3，滑杆3沿竖直方向布置，且滑杆3通过滑动轴承5与滑杆座2相支承。所述滑杆3的上端与气缸1的活塞杆相固定，气缸1安装于滑杆座2的顶部。当气缸1运转时，能够通过活塞杆带动滑杆3上下运动。所述滑杆3的下端与双铰链座7的顶部相固定，在双铰链座7的下方设置连接架9，连接架9的一端与双铰链座7的底部铰接，该连接架9的另一端套入并固定探头支撑壳体10的上端。
如图1、图2所示，探头支撑壳体10的内腔10a上下端均为敞口，且探头支撑壳体10的内腔10a的上端为扩口，该扩口中装有封盖组件，且封盖组件中向下穿设有调节杆8，该调节杆8与封盖组件螺纹配合，且调节杆8的下端安装超声波探头11，超声波探头11位于探头支撑壳体10的内腔10a的下部。在所述探头支撑壳体10的中部开有一个进液口，探头支撑壳体10的上部开有多个出液口，所述进液口和出液口均与探头支撑壳体10的内腔10a相通。出液口的数目根据实际需要确定，本实施例中优选为四个，并在同一水平面上均布。
如图1、图3、图4和图5所示，在探头支撑壳体10的下方设有尼龙块12，该尼龙块12的中心孔12a为上大下小的两段式台阶孔，该台阶孔的大直径段将探头支撑壳体10的下端套入，且尼龙块12的中心孔12a与探头支撑壳体10的内腔10a连通。在尼龙块12的上端沿径向穿设有螺钉，该螺钉伸入探头支撑壳体10下端对应开设的环槽中，通过螺钉与滑槽的配合，将尼龙块12和探头支撑壳体10连接在一起，并且连接后尼龙块12能绕探头支撑壳体10转动。在所述尼龙块12的底部沿左右方向开设有圆弧形的通槽12b，尼龙块12的中心孔12a的下孔口在该通槽12b的槽底。在所述尼龙块12底部的通槽12b内嵌装有密封硅胶条20，该密封硅胶条20环绕在尼龙块中心孔12a下孔口的外围。密封硅胶条20为方形，该密封硅胶条20的断面优选为菱形，使密封硅胶条20下端超出通槽12b槽底的部分为三角形。在所述密封硅胶条20的两侧对称设置有砂带21，该砂带21为圆弧形，并通过粘接固定在尼龙块12底部的通槽12b内。
利用上述测量机构进行管材部分液浸自动超声波壁厚测量的方法，包括以下步骤：
1)在管材19上沿其轴向等间距的设定若干横截面，在每个横截面等角度间距设定若干检测点；横截面和检测点的数目根据实际需要确定，并可以根据需要进行改变。
2)将管材19的左右两端采用双顶尖18定位并夹紧，如图7所示左边的顶尖为从动顶尖，该从动顶尖安装在尾座24上，由夹紧气缸25驱动；右边的顶尖为主动顶尖，该主动顶尖安装在主轴座26上，由A轴伺服电机27驱动。转动手柄6，使滑板16在滑座15上滑动，以调整尼龙块12在前后方向的位置，使管材19的竖直中心平面与尼龙块12底部通槽12b的竖直中心平面尽量重合，管材19第一个横截面的第一个检测点基本位于尼龙块12的正下方。
3)驱动气缸1动作，使气缸1的活塞杆带动滑杆3向下移动，悬挂安装在双铰链座7上的各部件随滑杆3一起下移，直至尼龙块12底部的圆弧形通槽12b抵接在管材19上，两者紧密贴合。
4)通过进液口向探头支撑壳体10的内腔10a中注入耦合剂20，使超声波探头11完全淹没在耦合剂20中，管材19的部分管壁也浸入耦合剂20中，多余耦合剂20从出液口流出探头支撑壳体10外。耦合剂20优选为水。
5)控制超声波探头11发射超声波信号进行壁厚测量，信号处理由超声波板卡以及数控系统完成。超声波信号的处理方式为现有技术，在此不作赘述。
6)通过A轴伺服电机27使管材19转过一定角度，使尼龙块12底部的圆弧形通槽12b抵接在同一横截面的下一个检测点上。
7)重复步骤5)-6)，直至同一横截面上的所有检测点完成壁厚测量。
8)通过气缸1将尼龙块12抬起，使尼龙块12移动到管材19轴向的下一横截面的第一个检测点，然后重复步骤3)-7)，直至所有横截面的壁厚测量完成。
上述测量方法中，对同一检测点可以只进行一次测量；为了使结果更准确，也可以对同一检测点进行两次或多次测量。作为优选，本实施例对同一检测点进行三次超声波壁厚测量，若同一点三次测量数据中有一数据与其他两个数据差值大于设定值时，舍弃该点，并将其余两点平均值作为该点壁厚值；若三次测量数据任意两次的差值均小于设定值时，将三次测量的平均值作为该点壁厚值。
Claims (10)
1.一种管材部分液浸自动超声波壁厚测量机构，其特征在于：在滑座(15)上装有与之滑动配合的滑板(16)，该滑板(16)与滑杆座(2)相固定，在滑杆座(2)中通过滑动轴承(5)支承有滑杆(3)，该滑杆(3)的上端与气缸(1)的活塞杆相固定，气缸(1)安装于滑杆座(2)的顶部，滑杆(3)的下端与双铰链座(7)的顶部相固定，所述双铰链座(7)的底部与连接架(9)铰接，该连接架(9)与探头支撑壳体(10)的上端固定，在探头支撑壳体(10)的内腔(10a)中装有超声波探头(11)，所述探头支撑壳体(10)下端与尼龙块(12)相连，该尼龙块(12)的中心孔(12a)与探头支撑壳体(10)的内腔(10a)连通，并且尼龙块(12)的底部设有圆弧形的通槽(12b)，尼龙块(12)的中心孔(12a)的下孔口在该通槽(12b)的槽底；在所述探头支撑壳体(10)的中部开有一个进液口，探头支撑壳体(10)的上部开有多个出液口，所述进液口和出液口均与探头支撑壳体(10)的内腔(10a)相通。
2.根据权利要求1所述的管材部分液浸自动超声波壁厚测量机构，其特征在于：在所述滑座(15)上开有与滑板(16)相适应的滑槽，滑板(16)位于该滑槽中，并由压板(17)限位，该压板(17)与滑座(15)相固定。
3.根据权利要求2所述的管材部分液浸自动超声波壁厚测量机构，其特征在于：在所述滑板(16)内装有螺母，该螺母与手柄(6)的杆部螺纹配合，所述手柄(6)可转动地安装在滑座(15)上，该手柄(6)的柄部为圆盘结构。
4.根据权利要求1所述的管材部分液浸自动超声波壁厚测量机构，其特征在于：所述探头支撑壳体(10)的内腔(10a)的上端为扩口，该扩口中装有封盖组件，且封盖组件中穿设有调节杆(8)，该调节杆(8)与封盖组件螺纹配合，且调节杆(8)的下端安装超声波探头(11)。
5.根据权利要求4所述的管材部分液浸自动超声波壁厚测量机构，其特征在于：所述尼龙块(12)的中心孔(12a)为上大下小的台阶孔，该台阶孔的大直径段将探头支撑壳体(10)的下端套入，并通过径向上穿设的螺钉与探头支撑壳体上开设的环槽的连接使二者相连，连接后尼龙块(12)能绕探头支撑壳体(10)转动。
6.根据权利要求5所述的管材部分液浸自动超声波壁厚测量机构，其特征在于：在所述尼龙块(12)底部的通槽(12b)内嵌装有密封硅胶条(20)，该密封硅胶条(20)环绕在尼龙块中心孔(12a)下孔口的外围。
7.根据权利要求6所述的管材部分液浸自动超声波壁厚测量机构，其特征在于：所述密封硅胶条(20)为菱形，该密封硅胶条(20)的断面也为菱形。
8.根据权利要求7所述的管材部分液浸自动超声波壁厚测量机构，其特征在于：在所述密封硅胶条(20)的两侧对称设置有砂带(21)，该砂带(21)为圆弧形，并固定在尼龙块(12)底部的通槽(12b)内。
9.一种利用权利要求1-8任一所述测量机构进行管材部分液浸自动超声波壁厚测量的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在管材(19)上沿其轴向等间距的设定若干横截面,在每个横截面等角度间距设定若干检测点；
2)将管材(19)的左右两端采用双顶尖(18)定位并夹紧，使管材(19)的竖直中心平面与尼龙块(12)底部通槽(12b)的竖直中心平面尽量重合，管材(19)第一个横截面的第一个检测点基本位于尼龙块(12)的正下方；
3)驱动气缸(1)动作，使气缸(1)的活塞杆带动滑杆(3)向下移动，悬挂安装在双铰链座(7)上的各部件随滑杆(3)一起下移，直至尼龙块(12)底部的圆弧形通槽(12b)抵接在管材(19)上；
4)通过进液口向探头支撑壳体(10)的内腔(10a)中注入耦合剂(20)，使超声波探头(11)完全淹没在耦合剂中，管材(19)的部分管壁也浸入耦合剂中，多余耦合剂(20)从出液口流出探头支撑壳体(10)外；
5)控制超声波探头(11)发射超声波进行壁厚测量；
6)转动管材(19)，使尼龙块(12)底部的圆弧形通槽(12b)抵接在同一横截面的下一个检测点上；
7)重复步骤5)-6)，直至同一横截面上的所有检测点完成壁厚测量；
8)通过气缸(1)将尼龙块(12)抬起，使尼龙块(12)移动到管材(19)轴向的下一横截面的第一个检测点，然后重复步骤3)-7)，直至所有横截面的壁厚测量完成。
10.根据权利要求9所述的管材部分液浸自动超声波壁厚测量的方法，其特征在于：步骤5)中对同一检测点进行三次超声波壁厚测量，若同一点三次测量数据中有一数据与其他两个数据差值大于设定值时，舍弃该点，并将其余两点平均值作为该点壁厚值；若三次测量数据任意两次的差值均小于设定值时，将三次测量的平均值作为该点壁厚值。
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