CN108168755A - 一种检测管内壁残余应力用钻孔装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种检测管内壁残余应力用钻孔装置及方法，其为根据盲孔法检测残余应力的原理设计了一个应用于检测管内壁残余应力的装置及该装置的使用方法。其中装置主要包括：固定圆盖、丝杠、周转齿轮、定位卡盘、伸缩定位爪、盲孔定位组件及电钻，确保了检测过程的稳定和精度。本发明使用方法依靠多个驱动电机，实现了管材内壁残余应力检测过程中的装置的固定、盲孔的定位和精确钻盲孔。本发明中钻头与红外线为相对静止关系，所以钻头与2个红外线交点距离保持不变，为控制打孔深度提供了便利。本发明既可以在管材内壁打盲孔也可以在管材内壁打通孔，且操作简单，精度较高，适用于多种口径的管材。

Description

一种检测管内壁残余应力用钻孔装置及方法

技术领域

本发明涉及一种应用盲孔法检测残余应力的装置及方法。

背景技术

石油、天然气是我国以及世界使用最为广泛的能源，二者的开采以及运输离不开焊接钢管的应用。然而深海及地下环境十分恶劣和复杂，作为运输载体，长期在低温、高压、强腐蚀环境中工作，不仅承受着内外压力、轴向力、弯矩等静载荷和温度载荷的联合作用，而且还要承受交变外压、波浪、海流的动载作用，因此对焊接钢管的输送压力有着非常高的要求，而在焊接过程中由于焊缝周向和径向上的温差太大，冷却不均匀，造成焊缝各处存在不同残余应力，而残余应力对钢管的性能有很大的影响，因此对于残余应力的检测尤为重要。其中管材内壁与流体直接接触，管材内壁的质量直接影响了流体的运输，所以研究管材内壁残余应力也是十分必要的。目前，管材外壁的残余应力检测技术已经非常成熟，但是针对真正承受运输流体压力的内壁残余应力的检测技术还鲜有报道。

传统残余应力的测量方法有很多种，钻孔法与盲孔法是表现最为突出的一种，其精度和可靠性都较高，已得到了广泛的认可。但是钻盲孔孔深难控制，并且盲孔位置难以确定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种盲孔位置易确定，孔深可控制的检测管内壁残余应力用钻孔装置及方法。本发明主要是在已贴好应变片并将应变片连接应力应变仪的前提下，通过本装置的机构及操作，实现在管材内壁的精准打盲孔，进而获得管材内壁残余应力的数值。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明主要包括：固定圆盖、丝杠、周转齿轮、定位卡盘、伸缩定位爪、盲孔定位组件及电钻，其中，顶面为平面的底座上可置有被测管材，最好在底座上设有下方定位件，被测管材置于下方定位件内，该下方定位件侧壁设有至少三个内设螺栓的螺孔，以便将被测管材下部准确定位。可置于被测管材上端面的固定圆盖为设有顶板的圆环，其侧壁设有至少三个内设螺栓的螺孔，以便将被测管材下部准确定位。固定圆盖顶板设中心通孔，该中心通孔内有丝杠穿过，该丝杠通过丝杠驱动电机固定装置与设在固定圆盖顶板上的丝杠驱动电机相连，所述丝杠驱动电机可驱使丝杠上下移动。丝杠下端与调心辊子轴承内圈相连，该轴承外圈设在定位卡盘内盘顶面的凸环内。丝杠下部设有凸轮状定位卡盘驱动电机固定装置，其底面设定位卡盘周转驱动电机，该电机的竖直输出轴上设有周转齿轮，其与内齿圈啮合，该内齿圈设在定位卡盘上盖上，并与其中心通孔同轴，通过调节定位卡盘驱动电机控制定位卡盘的旋转。定位卡盘上盖的侧通孔上设有定位爪驱动电机，该电机输出轴端部位于侧孔下面，其上设有小齿轮，该小齿轮与定位卡盘内盘顶面凸环外周面上的外齿圈啮合，通过调节定位爪驱动电机可控制定位爪的伸缩移动，即圆环形内盘底面设涡旋齿，其与定位卡盘下盘内的3个滑块顶面的斜齿相啮合，该3个滑块分别置于均布在定位卡盘下盘圆周壁内的滑槽内，3个滑块位于定位卡盘下盘开口槽外的端部设有定位爪。定位卡盘驱动电机的电机轴上的齿轮带动内盘正面的齿轮，使得内盘可以旋转。内盘背面为涡旋齿，涡旋齿与定位爪上的斜齿啮合，当内盘旋转时，内盘将带动3个定位爪同时向外移动，定位爪顶在管材上，进而实现固定功能。定位卡盘内盘向下一侧设有与其中心通孔垂直相连的圆筒，其置于定位卡盘下盘的中心通孔内。定位卡盘下盘下端面上设有滑轨及固定装置，滑轨上设有与线性电机相连的滑台，该滑台上设有电钻、照明灯、摄像头和红外线发生器，电钻、摄像头和照明灯均设在滑台中部，并且电钻钻头的轴线与定位卡盘的轴线相交，以确保钻孔方向为被测管材径向。摄像头与电脑相连。2个红外线发生器对称设在电钻两侧，2个红外线发生器发出的光线将交于一点且该交点与电钻的钻头轴线重合。

本发明钻孔方法步骤如下：

步骤一，确定好管材内壁检测残余应力的位置，将准备好的应变片准确贴在该位置，并将应变片连接好残余应力测试仪；

步骤二，将所述管材一端安装在底座上，通过拧紧底座上的固定螺栓固定住管材，将固定圆盖及其他装置从管材上端口放入管材内，并使得固定圆盖卡在管材上端面；

步骤三，调节丝杠驱动电机驱动丝杠移动，使得定位卡盘运动至最高点，通过定位爪驱动电机驱动定位爪伸出直到伸至管材内壁边缘，此时定位卡盘将被固定于管材内，然后拧紧固定圆盖上的固定螺栓，使得丝杠的轴线与管材轴线重合，最后通过定位爪驱动电机驱动定位爪收缩，使得定位卡盘可以上下移动。

步骤四，开启照明灯，根据摄像头在电脑上的成像，同时调节丝杠驱动电机、定位卡盘周转驱动电机和线性电机，分别控制了丝杠的上下移动、定位卡盘的周转和滑台及滑台上所有物体的进退，直到在电脑上显示出2个红外线发生器所发出光线聚焦于一点并落于需打盲孔位置；

步骤五，通过调节定位爪驱动电机驱动定位爪伸出直到伸至管材内壁边缘，此时定位卡盘将固定于管材内，计算并给定线性电机进给量，线性电机上的滑台将带动电钻前进并进行钻孔操作，电钻的钻头到达所需盲孔深度后调节线性电机退回电钻，然后定位爪驱动电机驱动定位爪收缩，使得定位卡盘不与管材接触；

步骤六，打完孔15分钟后，用所述检测仪测量钻孔后释放的应变量，同时自动计算出残余应力值的大小和应力方向。

其中，步骤五中的计算线性电机进给量的方法为：线性电机进给量h＝两红外线交点与钻头距离h1+所需打盲孔深度h2。由于钻头与红外线发生器为相对静止关系，所以钻头与2个红外线发生器所发出光线交点距离保持不变，设该距离为h1，设所需钻孔深度为h2，当2个红外线发生器所发出光线聚焦于一点并落于需打盲孔位置时，给定线性电机进给量为h1+h2即可使得所打盲孔为所需深度。

其中，步骤六中打完孔15分钟的时间选择：考虑到打孔过程焊接钢管发生的塑性变形以及引起温度的变化等问题，为保证测试数据稳定，减小测量结果的误差，测量之前需保证焊接钢管恢复到初始状态，同时考虑到效率问题，因此控制测试时间为15分钟左右。

本发明的工作过程大致如下：将已经贴好应变片并且应变片已经连接好残余应力检测仪的基础上，将管材竖直固定于本装置中的底座上，其他部件从管材上方放入管材内并使固定圆盖卡在管材上方，其后通过控制丝杠驱动电机、定位卡盘驱动电机、定位爪驱动电机和线性电机分别控制装置的上下移动和周转转动、定位爪的伸缩、滑台的进退，通过照明灯照亮管材内壁，根据摄像头在电脑中的成像，实现盲孔的定位、定位卡盘的固定和精准打盲孔，进而实现了管材内壁残余应力的检测。

本发明与现有发明相比具有以下优点：

1、本发明有效地解决了在利用了盲孔法检测管材内壁的残余应力的过程中的钻盲孔困难和盲孔位置难已确定的问题。

2、本发明的装置采用了电控设备，如驱动电机，线性电机等，保证了电钻钻孔时的稳定性和准确性。

3、本发明采用红外射线来辅助精准定位，同时又采用照明灯和摄像头，实现了对应变片的精准定位。

4、本发明装置中的定位卡盘原理与三爪卡盘相近，区别在于本装置中的定位卡盘为电动控制，将装置本身固定管材内的同时，也可以保证丝杠在管材轴线上，进而确保了电钻沿径向钻孔。

5、本发明的装置可以使得本装置精确控制盲孔深度，同时，对于不需要考虑孔深的钻孔法，本装置同样适用。

附图说明

图1为本发明装置使用状态的立体示意简图。

图2为本发明装置定位卡盘局部放大立体示意简图。

图3为本发明装置定位爪驱动电机立体示意简图。

图4为本发明装置的定位卡盘内盘俯视立体示意简图。

图5为本发明装置的定位卡盘内盘仰视立体示意简图。

图6为本发明装置的定位卡盘下盘俯视立体示意简图。

图7为本发明装置的定位卡盘底部仰视局部放大立体示意简图。

图中：1-丝杠；2-丝杠驱动电机固定装置；3-固定圆盖；4-螺栓；5-被测管材；6-定位爪驱动电机；7-定位卡盘；8-定位爪；9-底座；10-下方定位件；11-定位卡盘驱动电机固定装置；12-丝杠驱动电机；13-周转齿轮；14-调心辊子轴承；15-定位卡盘周转驱动电机；16-内齿圈；17-外齿圈；18-定位卡盘内盘；19-定位卡盘下盘；20-滑块；21-滑槽；22-滑轨及固定装置；23-照明灯及摄像头；24-红外线发生器；25-电钻；26-滑台。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明：

在图1所示的检测管内壁残余应力用钻孔装置使用状态的立体示意简图中，顶面为平面的底座9上置有被测管材5，其置于下方定位件10内，该定位件侧壁设有三个内设螺栓的螺孔。置于被测管材上端面的固定圆盖3为设有顶板的圆环，其侧壁设有三个内设螺栓4的螺孔。固定圆盖顶板设中心通孔，该中心通孔内有丝杠1穿过，该丝杠通过丝杠驱动电机固定装置2与设在固定圆盖顶板上的丝杠驱动电机12相连。丝杠下端与调心辊子轴承14内圈相连，如图2所示，该调心辊子轴承外圈设在定位卡盘内盘18顶面的凸环内，该轴承14连接定位卡盘7和丝杠底部。丝杠下部设有凸轮状定位卡盘驱动电机固定装置11，其底面设定位卡盘周转驱动电机15，该电机的竖直输出轴上设有周转齿轮13，其与内齿圈16啮合，该内齿圈设在定位卡盘上盖上，并与其中心通孔同轴。定位卡盘上盖的侧通孔上设有定位爪驱动电机6，如图3所示，该电机输出轴端部位于侧孔下面，其上设有小齿轮，该小齿轮与定位卡盘内盘如图4所示顶面凸环外周面上的外齿圈17啮合，圆环形内盘底面设涡旋齿如图5所示，其与定位卡盘下盘19内的3个滑块20，如图6所示，顶面的斜齿相啮合，该3个滑块分别置于均布在定位卡盘底座圆周壁内的滑槽21内，3个滑块位于定位卡盘底座开口槽外的端部设有定位爪8。定位卡盘内盘向下一侧设有与其中心通孔垂直相连的圆筒，其置于定位卡盘下盘的中心通孔内。定位卡盘下盘下端面上如图7所示，设有滑轨及固定装置22，滑轨上设有与线性电机相连的滑台26，该滑台上设有电钻25、照明灯及摄像头23和红外线发生器24，电钻、摄像头和照明灯均设在滑台中部，并且电钻钻头的轴线与定位卡盘的轴线相交。摄像头与电脑相连。2个红外线发生器对称设在电钻两侧，2个红外线发生器发出的光线将交于一点且该交点与电钻的钻头轴线重合。

本发明钻孔方法步骤如下：

步骤一，确定好管材内壁检测残余应力的位置，将准备好的应变片准确贴在该位置，并将应变片连接好残余应力测试仪；

步骤二，将所述管材一端安装在底座上，通过拧紧底座上的固定螺栓固定住管材，将固定圆盖及其他装置从管材上端口放入管材内，并使得固定圆盖卡在管材上端面；

步骤三，调节丝杠驱动电机驱动丝杠移动，使得定位卡盘运动至最高点，通过定位爪驱动电机驱动定位爪伸出直到伸至管材内壁边缘，此时定位卡盘将被固定于管材内，然后拧紧固定圆盖上的固定螺栓，使得丝杠的轴线与管材轴线重合，最后通过定位爪驱动电机驱动定位爪收缩，使得定位卡盘可以上下移动。

步骤四，开启照明灯，根据摄像头在电脑上的成像，同时调节丝杠驱动电机、定位卡盘周转驱动电机和线性电机，分别控制了丝杠的上下移动、定位卡盘的周转和滑台及滑台上所有物体的进退，直到在电脑上显示出2个红外线发生器所发出光线聚焦于一点并落于需打盲孔位置；

步骤五，通过调节定位爪驱动电机驱动定位爪伸出直到伸至管材内壁边缘，此时定位卡盘将固定于管材内，计算并给定线性电机进给量，线性电机进给量h＝两红外线交点与钻头距离h1+所需打盲孔深度h2。线性电机上的滑台将带动电钻前进并进行钻孔操作，电钻的钻头到达所需盲孔深度后调节线性电机退回电钻，然后定位爪驱动电机驱动定位爪收缩，使得定位卡盘不与管材接触；

步骤六，打孔后15分钟左右，之后用所述检测仪测量钻孔后释放的应变量，同时自动计算出残余应力值的大小和应力方向。

以上实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种检测管内壁残余应力用钻孔装置，其特征在于：顶面为平面的底座上可置有被测管材，置于被测管材上端面的固定圆盖为设有顶板的圆环，其侧壁设有至少三个内设螺栓的螺孔，固定圆盖顶板设中心通孔，该中心通孔内有丝杠穿过，该丝杠通过丝杠驱动电机固定装置与设在固定圆盖顶板上的丝杠驱动电机相连，丝杠下端与调心辊子轴承内圈相连，该轴承外圈设在定位卡盘内盘顶面的凸环内，丝杠下部设有凸轮状定位卡盘驱动电机固定装置，其底面设定位卡盘周转驱动电机，该电机的竖直输出轴上设有周转齿轮，其与内齿圈啮合，该内齿圈设在定位卡盘上盖上，并与其中心通孔同轴，定位卡盘上盖的侧通孔上设有定位爪驱动电机，该电机输出轴端部位于侧孔下面，其上设有小齿轮，该小齿轮与定位卡盘内盘顶面凸环外周面上的外齿圈啮合，圆环形内盘底面设涡旋齿，其与定位卡盘下盘内的3个滑块顶面的斜齿相啮合，该3个滑块分别置于均布在定位卡盘下盘圆周壁内的滑槽内，3个滑块位于定位卡盘下盘开口槽外的端部设有定位爪，定位卡盘驱动电机的电机轴上的齿轮带动内盘正面的齿轮，内盘背面为涡旋齿，涡旋齿与定位爪上的斜齿啮合，定位卡盘内盘向下一侧设有与其中心通孔垂直相连的圆筒，其置于定位卡盘下盘的中心通孔内，定位卡盘下盘下端面上设有滑轨及固定装置，滑轨上设有与线性电机相连的滑台，该滑台上设有电钻、照明灯、摄像头和红外线发生器，电钻、摄像头和照明灯均设在滑台中部，并且电钻钻头的轴线与定位卡盘的轴线相交，摄像头与电脑相连，2个红外线发生器对称设在电钻两侧，2个红外线发生器发出的光线将交于一点且该交点与电钻的钻头轴线重合。

2.根据权利要求1所述的检测管内壁残余应力用钻孔装置，其特征在于：在底座上设有下方定位件，被测管材置于下方定位件内，该下方定位件侧壁设有至少三个内设螺栓的螺孔。

3.权利要求1的检测管内壁残余应力用钻孔装置的钻孔方法，其特征在于：

步骤一，确定好管材内壁检测残余应力的位置，将准备好的应变片准确贴在该位置，并将应变片连接好残余应力测试仪；

步骤二，将所述管材一端安装在底座上，通过拧紧底座上的固定螺栓固定住管材，将固定圆盖及其他装置从管材上端口放入管材内，并使得固定圆盖卡在管材上端面；

步骤三，调节丝杠驱动电机驱动丝杠移动，使得定位卡盘运动至最高点，通过定位爪驱动电机驱动定位爪伸出直到伸至管材内壁边缘，此时定位卡盘将被固定于管材内，然后拧紧固定圆盖上的固定螺栓，使得丝杠的轴线与管材轴线重合，最后通过定位爪驱动电机驱动定位爪收缩，使得定位卡盘可以上下移动；

步骤四，开启照明灯，根据摄像头在电脑上的成像，同时调节丝杠驱动电机、定位卡盘周转驱动电机和线性电机，分别控制了丝杠的上下移动、定位卡盘的周转和滑台及滑台上所有物体的进退，直到在电脑上显示出2个红外线发生器所发出光线聚焦于一点并落于需打盲孔位置；

步骤五，通过调节定位爪驱动电机驱动定位爪伸出直到伸至管材内壁边缘，此时定位卡盘将固定于管材内，计算并给定线性电机进给量，线性电机上的滑台将带动电钻前进并进行钻孔操作，电钻的钻头到达所需盲孔深度后调节线性电机退回电钻，然后定位爪驱动电机驱动定位爪收缩，使得定位卡盘不与管材接触；

步骤六，打完孔15分钟后，用所述检测仪测量钻孔后释放的应变量，同时自动计算出残余应力值的大小和应力方向。

4.根据权利要求3所述的检测管内壁残余应力用钻孔装置的钻孔方法，其特征在于：步骤五中的计算线性电机进给量的方法为：线性电机进给量h＝两红外线交点与钻头距离h1+所需打盲孔深度h2，由于钻头与红外线发生器为相对静止关系，所以钻头与2个红外线发生器所发出光线交点距离保持不变，设该距离为h1，设所需钻孔深度为h2，当2个红外线发生器所发出光线聚焦于一点并落于需打盲孔位置时，给定线性电机进给量为h1+h2即可使得所打盲孔为所需深度。