CN109870503A - 一种用于新型输水管道的探伤检测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于新型输水管道的探伤检测设备，包括U型底板、L型支撑杆和探伤机头，所述L型支撑杆水平段的顶端安装有探伤机头，探伤机头设有第一探伤板、第二探伤板、第三探伤板以及第四探伤板，并且探伤机头的中心设置有支撑座，支撑座的外侧壁上通过螺栓均匀安装有电动伸缩杆，四个电动伸缩杆的输出端分别与第一探伤板、第二探伤板、第三探伤板以及第四探伤板固定连接，所述第一探伤板、第二探伤板、第三探伤板以及第四探伤板的外侧壁上均匀缠绕有线圈探头。本发明第一探伤板、第二探伤板、第三探伤板以及第四探伤板构成的探伤机头直径可调，从而便于不同粗细内径的输水管道探伤使用，增加设备的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及水管探伤技术领域，具体为一种用于新型输水管道的探伤检测设备。
背景技术
预应力钢筒混凝土管(PCCP)以其较高承载能力、优良的抗渗性、耐久性、耐腐性、快速通水等优点，广泛地应用于我国水利、市政和排水等基础建设工程，其中，山西省万家寨引黄工程和南水北调中线京石段供水工程的成功应用，使我国PCCP技术逐步趋于成熟，而PCCP的强度主要取决于管芯上的预应力钢丝受力状况，钢丝在管芯上会产生均匀的压预应力，能够抵偿由内压和外荷载产生的拉应力，但在施工或营运过程中，各种原因都将导致钢丝的损伤和破坏，断丝达到一定数目且不及时修复最终将引起爆管事故。
在国内，使用ANSYS模拟PCCP从制造、施工和运行过程的受力状态并分析了PCCP变形、力和裂缝在不同荷载下的分布规律，结合南水北调工程，围绕超大口径PCCP结构做了原型观测、理论解析和数值模拟等研究，提出PCCP结构承载安全评价理论和质量控制体系。相比国外的研究，我国PCCP研究进度相对滞后，多数是对生产工艺技术改良和使用CAE软件结构模拟分析，而断丝对PCCP结构承载影响研究也同样较少，尤其是断丝数目测量、断丝精确定位和断丝状态下管道的极限承载能力这几方面研究在国内没有明确理论和规范可依。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于新型输水管道的探伤检测设备，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于新型输水管道的探伤检测设备，包括U型底板、L型支撑杆和探伤机头，所述U型底板顶端通过螺栓安装有L型支撑杆，L型支撑杆竖直段的外侧壁上通过支架安装有控制器，所述控制器的顶部安装有无线传输模块，所述L型支撑杆水平段的顶端安装有探伤机头，探伤机头设有第一探伤板、第二探伤板、第三探伤板以及第四探伤板，并且探伤机头的中心设置有支撑座，支撑座的外侧壁上通过螺栓均匀安装有电动伸缩杆，四个电动伸缩杆的输出端分别与第一探伤板、第二探伤板、第三探伤板以及第四探伤板固定连接，所述第一探伤板、第二探伤板、第三探伤板以及第四探伤板的外侧壁上均匀缠绕有线圈探头，线圈探头通过导线与控制器电连接，且相邻线圈探头之间的第一探伤板、第二探伤板、第三探伤板以及第四探伤板上皆均匀安装有滚轮。
优选的，所述L型支撑杆水平段的外侧壁上均匀安装有CCD检测探头，并且相邻CCD检测探头之间的L型支撑杆水平段上皆安装有LED照明灯。
优选的，所述CCD检测探头的输出端通过导线与控制器的输入端电性连接，LED照明灯通过导线与控制器电连接。
优选的，所述U型底板底部的四个角位置处皆通过螺栓安装有支撑盒，支撑盒的内部皆通过转轴安装有行走轮，并且其中一个支撑盒内部的转轴延伸至支撑盒的一端并固定连接有驱动轮。
优选的，所述控制器通过无线传输模块与主控计算机电性相连，所述控制器的输出端分别与线圈探头和电动伸缩杆电性相连。
优选的，所述第一探伤板、第二探伤板、第三探伤板以及第四探伤板的厚度相等，第一探伤板、第二探伤板、第三探伤板以及第四探伤板皆为弧形结构，并且第一探伤板、第二探伤板、第三探伤板以及第四探伤板首尾连接构成环形结构。
优选的，所述滚轮的半径大于线圈探头端面的直径，并且线圈探头通过U型架固定于第一探伤板、第二探伤板、第三探伤板以及第四探伤板的外表面。
优选的，所述支撑座一侧中间设置有安装套，安装套的内轮廓大于L型支撑杆水平段端面截面的外轮廓，同时安装套的外侧壁上皆安装有锁紧螺栓。
优选的，所述U型底板顶部靠近驱动轮的位置处通过螺栓安装有驱动电机，驱动电机的输出盘通过传动皮带与驱动轮固定连接，驱动电机通过传动皮带与驱动轮构成驱动结构。
优选的，所述电动伸缩杆的最大拉伸长度与线圈探头的最大直径相等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、该用于新型输水管道的探伤检测设备，通过设置由第一探伤板、第二探伤板、第三探伤板以及第四探伤板组合构成的探伤机头，在电动伸缩杆的作用下，使得第一探伤板、第二探伤板、第三探伤板以及第四探伤板构成的探伤机头直径可调，从而便于不同粗细内径的输水管道探伤使用，增加设备的实用性；
2、该用于新型输水管道的探伤检测设备，通过在线圈探头之间的第一探伤板、第二探伤板、第三探伤板以及第四探伤板上皆均匀安装有滚轮，电动伸缩杆带动第一探伤板、第二探伤板、第三探伤板以及第四探伤板张开时，滚轮与被测输水管道的内侧壁贴合，从而保证驱动电机通过驱动轮带动U型底板滚动的同时，探伤机头在管道的内部稳定移动，增加探伤数据的准确性；
3、该用于新型输水管道的探伤检测设备，通过在L型支撑杆水平段的外侧壁上均匀安装的CCD检测探头以及LED照明灯的相互配合，能够在对PCCP管内部钢丝断丝的根数和钢丝断丝位置进行判断的同时，还能够对水管进行裂缝等缺陷检测。
附图说明
图1为本发明主视结构示意图；
图2为本发明仰视结构示意图；
图3为本发明探伤机头结构示意图；
图4为本发明支撑座与连接杆连接的结构示意图；
图5为本发明中PCCP管的结构示意图；
图6为本发明的电路连接框图；
图7为本发明线圈探头刚通电等效电路结构示意图；
图8为本发明等效电路互感结构示意图；
图9为本发明中PCCP管钢丝断丝数据曲线图。
图中：1、支撑盒；101、驱动轮；102、行走轮；2、探伤机头；201、滚轮；202、线圈探头；203、支撑座；204、第一探伤板；205、第二探伤板；206、第三探伤板；207、第四探伤板；208、电动伸缩杆；209、安装套；2010、锁紧螺栓；2011、U型架；3、CCD检测探头；4、LED照明灯；5、L型支撑杆；6、无线传输模块；7、控制器；8、驱动电机；801、传动皮带；9、U型底板；10、PCCP管；1001、管芯；1002、钢丝；1003、水泥砂浆保护层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3和图6，本发明提供的一种实施例：一种用于新型输水管道的探伤检测设备，包括U型底板9、L型支撑杆5和探伤机头2，U型底板9底部的四个角位置处皆通过螺栓安装有支撑盒1，支撑盒1的内部皆通过转轴安装有行走轮102，并且其中一个支撑盒1内部的转轴延伸至支撑盒1的一端并固定连接有驱动轮101，U型底板9顶端通过螺栓安装有L型支撑杆5，L型支撑杆5竖直段的外侧壁上通过支架安装有控制器7，L型支撑杆5水平段的顶端安装有探伤机头2，探伤机头2设有第一探伤板204、第二探伤板205、第三探伤板206以及第四探伤板207，并且探伤机头2的中心设置有支撑座203，支撑座203的外侧壁上通过螺栓均匀安装有电动伸缩杆208，四个电动伸缩杆208的输出端分别与第一探伤板204、第二探伤板205、第三探伤板206以及第四探伤板207固定连接，第一探伤板204、第二探伤板205、第三探伤板206以及第四探伤板207的外侧壁上均匀缠绕有线圈探头202，线圈探头202通过导线与控制器7电连接，且相邻线圈探头202之间的第一探伤板204、第二探伤板205、第三探伤板206以及第四探伤板207上皆均匀安装有滚轮201，L型支撑杆5水平段的外侧壁上均匀安装有CCD检测探头3，CCD检测探头3的输出端通过导线与控制器7的输入端电性连接，所述控制器7的顶部安装有无线传输模块6，并且相邻CCD检测探头3之间的L型支撑杆5水平段上皆安装有LED照明灯4，LED照明灯4通过导线与控制器7电连接。
第一探伤板204、第二探伤板205、第三探伤板206以及第四探伤板207的厚度相等，第一探伤板204、第二探伤板205、第三探伤板206以及第四探伤板207皆为弧形结构，并且第一探伤板204、第二探伤板205、第三探伤板206以及第四探伤板207首尾连接构成环形结构，第一探伤板204、第二探伤板205、第三探伤板206以及第四探伤板207组合构成环形结构的探伤机头2，使得探伤机头2与待探伤管道内壁贴合；
滚轮201的半径大于线圈探头202端面的直径，并且线圈探头202通过U型架2011固定于第一探伤板204、第二探伤板205、第三探伤板206以及第四探伤板207的外表面，滚轮201在沿着待探伤管道内壁滚动时，不会对线圈探头202造成磨损；
如图4所示，为支撑座与连接杆连接的结构示意图，支撑座203一侧中间设置有安装套209，安装套209的内轮廓大于L型支撑杆5水平段端面截面的外轮廓，同时安装套209的外侧壁上皆安装有锁紧螺栓2010，探伤机头2通过安装套209套接于L型支撑杆5上，并通过锁紧螺栓2010固定位置，使得探伤机头2可拆卸安装于L型支撑杆5上。
U型底板9顶部靠近驱动轮101的位置处通过螺栓安装有驱动电机8，驱动电机8的输出盘通过传动皮带801与驱动轮101固定连接，驱动电机8通过传动皮带801与驱动轮101构成驱动结构，驱动电机8通过传动皮带801带动驱动轮101转动，驱动轮101通过行走轮102的转轴带动行走轮102转动，实现设备在待测PCCP管10内部的移动；
电动伸缩杆208的最大拉伸长度与线圈探头202的最大直径相等，避免电动伸缩杆208在拉伸的过程中，线圈探头202因长度限制拉伤损坏。
工作原理：使用时，将控制器7连接外部电源，并连接主控计算机，将该探伤检测设备放入待检测管道的内部，通过控制器7控制电动伸缩杆208拉伸，此时，第一探伤板204、第二探伤板205、第三探伤板206以及第四探伤板207向外侧展开，使得第一探伤板204、第二探伤板205、第三探伤板206以及第四探伤板207外侧壁的滚轮201与待探伤管道相接触，通过控制器7控制驱动电机8启动，从而通过传动皮带801带动行走轮102在待探伤管道内部匀速移动，同时，通过控制器7控制线圈探头202通电，通电后，待线圈探头202产生稳定磁场，利用电磁感应原理，通过测定试件内感生涡流的变化而引起的检测线圈阻抗的变化来评定PCCP管10的钢丝1002断丝的情况；
如图5所示，PCCP管10(预应力钢筒混凝土管)是指在带有钢筒的高强混凝土管芯1001上缠绕环向预应力钢丝1002，再在其上喷制致密的水泥砂浆保护层1003而制成的输水管，该探伤检测设备能够对PCCP管10钢丝1002断丝的根数和钢丝1002断丝位置进行判断。
线圈探头202把控制器7产生的大功率低频电流信号转换成交变磁场以穿透PCCP管10的钢筒，在钢筒外壁和预应力钢丝1002上感应出电流，线圈探头202在此感应电流的作用下产生一个电压信号馈送到控制器7，控制器7将该电压信号通过无线传输模块6传送至主控计算机上进行分析处理，判断是否发生钢丝1002断丝的情况。
如图7-图8所示，线圈探头202与PCCP管10之间相互作用原理的等效电路图，图6为刚通电时的等效电路图，图7为互感等效电路图；其中，R1、R2分别对应探头等效电阻和PCCP管10的等效电阻；J是虚数代表符号，US是输入电压(电源)，M是互感；L对应各自自感系数；L1、L2是一次自感和二次自感；jωMI2和jωMI1分别表示互感电压；ω为角频率，ω＝2πf，f为频率；z为阻抗；对应图6等效电路图，建立回路方程组：
变形和代入后，得到：
整理后：
由欧姆定律可得：
整理后，得到：
Zi是在两个磁场相互作用下，探头的阻抗波动公式，R1+jωL1是探头初始阻抗，而引起阻抗变化的部分即为：
可以看出，探头阻抗变化是R2、M和L2引起的，而ω是角频率，ω＝2πf，在电源保持不变的条件下，其值恒定，M是互感系数，由于探头尺寸和PCCP管10的管径相同，可按式计算，L2是自感系数，按式计算
式中，μ为磁导率，μ＝μrμ0，其中μr为相对磁导率，μ0为真空磁导率；N1、N2为对应探头线圈和PCCP管10预应力钢丝1002的匝数；S为横截面积，L为PCCP管10预应力钢丝1002绕匝长度，当PCCP管10的预应力钢丝1002完整无损，对应电阻、匝数等变量都是恒定值，只有一个变量随磁场强度波动而变化，该波动规律可通过相应材料磁化试验确定，而当预应力钢丝存在不连续缺陷时，探头经过相应截面时，就会引起电阻、匝数等变量的变化，从而导致探头的阻抗发生剧烈突变；将式(6)整理变形后，代入式(5)，得到
式中为阻抗的实部变量；为阻抗的虚部变量，与等效电路的阻抗Z＝R+jωω基本形式相同。
如图9所示，线圈探头202在移动过程中，主控计算机记录探头移动过程中的阻抗波动数据，当预应力钢丝1002完整时记录的阻抗数据将呈现有规律的波动，而当探头经过有断丝的截面时，由于预应力钢丝1002不连续缺陷引起材料参数突然发生变化，导致主控计算机记录的阻抗数据将呈现出剧烈突变，这类阻抗突变的出现可视为PCCP预应力钢丝1002发生断裂的一种信号。图8中，a部分代表没有发生钢丝1002断裂的部分，b部分代表发生钢丝1002断裂的部分，其中，横坐标代表发生钢丝1002断丝的位置，纵坐标代表发生钢丝1002断丝的数量(断丝数量越多，相位偏移越大)。
综上，当PCCP管10出现钢丝1002断丝时，会对两次穿透管壁的远场涡流信号产生幅度和相位上的畸变，利用这一现象，就可以实现对PCCP管10钢丝1002断丝的根数和钢丝1002断丝位置进行判断。
通过在L型支撑杆水平段的外侧壁上均匀安装的CCD检测探头3以及LED照明灯4的相互配合，还能够对PCCP管10进行裂缝等缺陷检测。
CCD检测探头3可以称之为CCD图像传感器，其内部包含一种半导体器件，它可以把光学影像转化为数字信号，是一种具有检测功能的视觉检测器件。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (10)
1.一种用于新型输水管道的探伤检测设备，其特征在于：包括U型底板(9)、L型支撑杆(5)和探伤机头(2)，所述U型底板(9)顶端安装有L型支撑杆(5)，L型支撑杆(5)竖直段的外侧壁上通过支架安装有控制器(7)，所述控制器(7)的顶部安装有无线传输模块(6)，所述L型支撑杆(5)水平段的顶端安装有探伤机头(2)，探伤机头(2)设有第一探伤板(204)、第二探伤板(205)、第三探伤板(206)以及第四探伤板(207)，并且探伤机头(2)的中心设置有支撑座(203)，支撑座(203)的外侧壁上均匀安装有电动伸缩杆(208)，四个电动伸缩杆(208)的输出端分别与第一探伤板(204)、第二探伤板(205)、第三探伤板(206)以及第四探伤板(207)固定连接，所述第一探伤板(204)、第二探伤板(205)、第三探伤板(206)以及第四探伤板(207)的外侧壁上均匀缠绕有线圈探头(202)，且相邻线圈探头(202)之间的第一探伤板(204)、第二探伤板(205)、第三探伤板(206)以及第四探伤板(207)上皆均匀安装有滚轮(201)。
2.根据权利要求1所述的一种用于新型输水管道的探伤检测设备，其特征在于：所述L型支撑杆(5)水平段的外侧壁上均匀安装有CCD检测探头(3)，并且相邻CCD检测探头(3)之间的L型支撑杆(5)水平段上皆安装有LED照明灯(4)。
3.根据权利要求2所述的一种用于新型输水管道的探伤检测设备，其特征在于：所述CCD检测探头(3)的输出端通过导线与控制器(7)的输入端电性连接，LED照明灯(4)通过导线与控制器(7)电连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于新型输水管道的探伤检测设备，其特征在于：所述U型底板(9)底部的四个角位置处皆通过螺栓安装有支撑盒(1)，支撑盒(1)的内部皆通过转轴安装有行走轮(102)，并且其中一个支撑盒(1)内部的转轴延伸至支撑盒(1)的一端并固定连接有驱动轮(101)。
5.根据权利要求1所述的一种用于新型输水管道的探伤检测设备，其特征在于：所述控制器通过无线传输模块与主控计算机电性相连，所述控制器(7)的输出端分别与线圈探头(202)和电动伸缩杆(208)电性相连。
6.根据权利要求1所述的一种用于新型输水管道的探伤检测设备，其特征在于：所述第一探伤板(204)、第二探伤板(205)、第三探伤板(206)以及第四探伤板(207)的厚度相等，第一探伤板(204)、第二探伤板(205)、第三探伤板(206)以及第四探伤板(207)皆为弧形结构，并且第一探伤板(204)、第二探伤板(205)、第三探伤板(206)以及第四探伤板(207)首尾连接构成环形结构。
7.根据权利要求1所述的一种用于新型输水管道的探伤检测设备，其特征在于：所述滚轮(201)的半径大于线圈探头(202)端面的直径，并且线圈探头(202)通过U型架(2011)固定于第一探伤板(204)、第二探伤板(205)、第三探伤板(206)以及第四探伤板(207)的外表面。
8.根据权利要求1所述的一种用于新型输水管道的探伤检测设备，其特征在于：所述支撑座(203)一侧中间设置有安装套(209)，安装套(209)的内轮廓大于L型支撑杆(5)水平段端面截面的外轮廓，同时安装套(209)的外侧壁上皆安装有锁紧螺栓(2010)。
9.根据权利要求1所述的一种用于新型输水管道的探伤检测设备，其特征在于：所述U型底板(9)顶部靠近驱动轮(101)的位置处通过螺栓安装有驱动电机(8)，驱动电机(8)的输出盘通过传动皮带(801)与驱动轮(101)固定连接，驱动电机(8)通过传动皮带(801)与驱动轮(101)构成驱动结构，所述驱动电机(8)与控制器(7)电性相连。
10.根据权利要求1所述的一种用于新型输水管道的探伤检测设备，其特征在于：所述电动伸缩杆(208)的最大拉伸长度与线圈探头(202)的最大直径相等。
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