CN114440806B - 一种压力管下垂自动测量方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种压力管下垂自动测量方法，包括如下步骤：测量压力管内测量区离散点曲率；对压力管内测量区离散点曲率数值进行欧拉数值积分，获得压力管内测量区的下垂量；假设测量盲区的离散点曲率曲率不变，获得压力管全长范围内离散点曲率，对压力管全长范围内离散点曲率数值进行欧拉数值积分，获得压力管全长范围内的下垂量；根据压力管全长范围内的下垂量和离散点位置信息，获得压力管内径中心轴线的下垂量与水平位置的离散解析式，构建压力管内径中心轴线下垂量与曲率的轮廓线，求得压力管最大下垂量及其水平位置。本发明的压力管下垂自动测量方法,实现压力管下垂的自动测量，可应用于重水堆核电站压力管的在役检查。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测应用技术领域，特别是涉及一种压力管下垂自动测量方法与装置。
背景技术
重水堆核电站采用加拿大CANDU-6重水堆核电技术，堆芯使用压力管代替压水堆的压力容器，用重水作为慢化剂和冷却剂，以天然铀作燃料，采用不停堆更换燃料。压力管在高温、高压和快中子通量下工作，其在垂直面上会发生了两种变形：压力管端部连接件之间单一实体的一次下垂；分隔环之间管段的二次下垂。压力管下垂对压力管的正常使用有显著影响，需要定期检查以监测其状况，确保其持续使用性能。目前，国内外重水堆压力管检测技术装备主要掌握在加拿大CE公司手中，垄断了全球的CANDU核电站压力管检修市场。
国内建有2台70万千瓦CANDU重水堆核电机组，电厂亟需能够实现压力管下垂测量的方法和装置，以确保压力管和排管在服役过程不接触，实现重水堆核电站自主化在役检查。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种压力管下垂自动测量方法，在压力管全长范围内进行曲率测量，然后通过数值积分的方法求解下垂量，以获取压力管全长范围内的下垂情况，实现压力管下垂的自动测量，可应用于重水堆核电站压力管的在役检查。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种压力管下垂自动测量方法，包括如下步骤：
1)测量压力管内测量区离散点曲率；
2)对压力管内测量区离散点曲率数值进行欧拉数值积分，获得压力管内测量区的下垂量，该方法第一次应用返回压力管中心下垂量轮廓线的斜率曲线，即下垂量的变化率；第二次应用返回压力管中心下垂量本身；
3)假设测量盲区的离散点曲率曲率不变，获得压力管全长范围内离散点曲率，对压力管全长范围内离散点曲率数值进行欧拉数值积分，获得压力管全长范围内的下垂量；
4)根据压力管全长范围内的下垂量和离散点位置信息，获得压力管内径中心轴线的下垂量与水平位置的离散解析式，构建压力管内径中心轴线下垂量与曲率的轮廓线，求得压力管最大下垂量及其水平位置。
本发明还提供一种压力管下垂自动测量装置，包括测量装置，所述测量装置包括测量装置主体、基准梁、位移传感器、超声直探头、支撑机构和轴承；所述测量装置主体轴向两侧分别对称放置有基准梁；所述基准梁中心安装有位移传感器，所述基准梁两侧分别安装有支撑机构，所述支撑机构上安装有轴承，所述测量装置主体轴向一侧的基准梁两侧外侧分别安装有超声直探头。
进一步地，所述支撑机构包括进气孔、弹簧杆、弹簧和气体容纳空间；所述测量装置主体内部设有气体容纳空间，所述测量装置主体径向一侧设有进气孔，所述进气孔与气体容纳空间连通；所述基准梁两侧分别安装有弹簧杆；所述弹簧杆一端放置在气体容纳空间内，所述弹簧杆另一端穿过气体容纳空间与轴承连接，所述在气体容纳空间内的弹簧杆上套有弹簧。
进一步地，所述弹簧杆包括竖杆和横杆，所述横杆放置在气体容纳空间内，所述竖杆一端垂直连接横杆，所述竖杆另一端穿过气体容纳腔与轴承连接，所述在气体容纳空间内的竖杆上套有弹簧，所述竖杆远离横杆一侧垂直连接基准梁。
进一步地，同一基准梁上的轴承顶点连线平行于基准梁。
进一步地，同一基准梁上的位移传感器的测量端伸出基准梁的距离大于同一基准梁上的轴承顶点伸出基准梁的距离，两者距离之差为位移传感器量程的一半，位于测量装置主体轴向上侧的位移传感器用于测量压力管内壁12点钟方向离散点的曲率，位于测量装置主体轴向下侧的位移传感器用于测量压力管内壁6点钟方向离散点的曲率，测量时位移传感器一直处于压缩状态。
进一步地，所述轴承为滚轮。
进一步地，所述位移传感器安装于基准梁中心。
进一步地，所述位移传感器为回弹式LVDT位移传感器。
进一步地，所述压力管下垂自动测量装置，还包括传输装置，所述传输装置包括编码器、径向动力源和轴向动力源，所述径向动力源为测量装置提供基准梁沿压力管径向运动的驱动力，所述轴向动力源为测量装置提供轴承沿压力管轴向运动的驱动力，所述编码器记录测量装置的水平位置和位移情况。
进一步地，所述压力管下垂自动测量装置，还包括数据处理装置，实现测量装置的运动控制、数据自动采集与分析功能。
本发明的有益技术效果：
本发明的压力管下垂自动测量方法和装置，适用于高辐照区域的测量，有效解决重水环境下测量信号失真问题；测量装置沿压力管轴向运动过程中，轴承结构将基准梁与压力管内壁接触点的滑动摩檫转变为滚动摩擦，大大减轻了测量装置对压力管内壁的磨损；整套装置能够实现压力管全长下垂的自动化测量，操作简便，避免了人为因素干扰，有效解决了重水环境下人员超剂量的问题；测量可实现多角度测量，测量效率高，反应速度快；自动剔除因内壁金属采样引起的壁厚变化较大离散点，减小积分误差，有效提高压力管下垂测量精度；万向节的使用保证了测量装置在压力管全长范围内轴向运动的可达性，有效解决了测量装置卡死的问题。
附图说明
图1为测量装置结构示意图；
图2为实施例一的压力管下垂自动测量装置结构示意图。
图中，1、测量装置；2、传输装置；3、数据处理装置；4、超声直探头；5、基准梁；6、位移传感器；7、轴承；8、弹簧；9、弹簧杆；10、进气孔。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左端”、“右端”、“上方”、“下方”、“外侧”、“内侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细地描述。
实施例1
参见图1，本发明提供一种压力管下垂自动测量装置，包括测量装置1，所述测量装置1包括测量装置主体、基准梁5、位移传感器6、超声直探头4、支撑机构和轴承7；所述测量装置主体轴向两侧分别对称放置有基准梁5；所述基准梁5中心安装有位移传感器6，所述基准梁5两侧分别安装有支撑机构，所述支撑机构上安装有轴承7，所述测量装置主体轴向一侧的基准梁5两侧外侧分别安装有超声直探头4。
支撑机构为基准梁5提供支撑力，确保测量装置主体轴向一侧的基准梁5上的位移传感器6和轴承7与压力管内表面接触，根据测量装置主体轴向一侧的基准梁5上的位移传感器6和两个轴承7顶点的几何关系实现压力管内壁某点曲率的测量。超声直探头4提供起止信号，同时提供压力管全长范围内的壁厚测量信号。由于压力管内壁需进行金属采样，导致测量的曲率值误差，进而在积分过程中产生较大的累计积分误差。因此根据超声直探头4检测的壁厚值，可剔除壁厚变化较大的离散点，增加下垂测量的精度。
所述支撑机构包括进气孔10、弹簧杆9、弹簧8和气体容纳空间；所述测量装置主体内部设有气体容纳空间，所述测量装置主体径向一侧设有进气孔10，所述进气孔10与气体容纳空间连通；所述基准梁5两侧分别安装有弹簧杆9；所述弹簧杆9一端放置在气体容纳空间内，所述弹簧杆9另一端穿过气体容纳空间与轴承7连接，所述在气体容纳空间内的弹簧杆9上套有弹簧8。
所述弹簧杆9包括竖杆和横杆，所述横杆放置在气体容纳空间内，所述竖杆一端垂直连接横杆，所述竖杆另一端穿过气体容纳腔与轴承7连接，所述在气体容纳空间内的竖杆上套有弹簧8，所述竖杆远离横杆一侧垂直连接基准梁5。
同一基准梁5上的轴承7顶点连线平行于基准梁5。
同一基准梁5上的位移传感器6的测量端伸出基准梁5的距离大于同一基准梁5上的轴承7顶点伸出基准梁5的距离，两者距离之差为位移传感器6量程的一半，两个基准梁5上的位传感器7分别用于测量压力管内壁6点钟和12点钟方向离散点的曲率，测量时位移传感器6一直处于压缩状态。
所述轴承7为滚轮。
所述位移传感器6为回弹式LVDT位移传感器。
参见图2，所述压力管下垂自动测量装置，还包括传输装置2，所述传输装置2包括编码器、径向动力源和轴向动力源，所述径向动力源为测量装置1提供基准梁5沿压力管径向运动的驱动力，所述轴向动力源为测量装置1提供轴承7沿压力管轴向运动的驱动力,所述编码器记录测量装置1的水平位置和位移情况。测量装置1的四个滚轮在轴向动力源驱动下沿沿压力管轴向运动，带动测量装置1从压力管一端至另一端测量其全长范围内中心轴线的离散曲率值。径向动力源为测量装置1的基准梁5提供沿压力管径向运动的的驱动力。
所述径向动力源为气动机构，所述气动机构与进气孔10连接，为测量装置1提供基准梁5沿压力管径向运动的气动力。
所述气动机构包括空气压缩机和氦气储存罐；所述氦气储存罐通过气管与空气压缩机入口连接，所述空气压缩机出口通过气管与进气孔10连接，氦气储存罐内氦气经过空气压缩机压缩后，通过进气孔10注入气体容纳空间内，为压缩弹簧8提供气体压力，驱动弹簧杆9沿径向运动，带动基准梁5连同位移传感器6沿径向从测量装置中移出一定距离，位于测量装置主体轴向一侧的基准梁5上的位移传感器6和轴承7与压力管内表面接触。
所述轴向动力源与轴承7连接，为测量装置1提供轴承7沿压力管轴向运动的驱动力。
所述轴向动力源包括电机、连杆和万向节，为测量装置1提供轴承7沿压力管轴向运动的驱动力。
所述压力管下垂自动测量装置，还包括数据处理装置3，实现测量装置1的运动控制、数据自动采集与分析功能。
所述数据处理装置3包括位移传感器信号传输模块、PLC、计算机和上位机软件，所述位移传感器信号传输模块通过连接线缆与位移传感器6和计算机相连，将位移传感器6采集的实时信号传输给计算机，并记录在计算机的上位机软件中；所述PLC与传输装置2和计算机连接，通过计算机的上位机软件发出的指令控制传输装置2运动；所述超声探头4通过通用超声仪将采集信号实时传输给计算机，并记录在计算机的上位机软件中；所述编码器通过连接线缆直接与计算机相连，实时传输测量工具1的轴向位置；所有控制指令、数据记录、数据自动分析均由计算机的上位机软件执行，上位机软件为配套控制、数据采集与分析于计算机上编制所得。
使用上述压力管下垂自动测量装置对进行压力管下垂自动测量，所述压力管长6m、内径105mm、壁厚4.5mm，包括如下步骤：
1、在压力管中间位置悬挂一重物，使其自然下垂，在压力管2m、4m、5m、5.6m位置各刮取一段金属，模拟压力管在役检查时内壁金属采样。
2、取一块大平板测量位移传感器6的零位读数，即位移传感器6测量端与测量装置主体轴向同侧的滚轮9顶点处于同一水平线时，位移传感器6的输出值。
3、，将测量装置1夹持与传输装置2上，并放置于压力管内，启动传输装置2的轴向动力源开始工作，驱动测量装置1沿压力管轴向运动，当基准梁5后端的超声直探头4检测到压力管内壁回波信号时，表明此时整个测量装置1已完全进入到压力管中，启动传输装置2的径向动力源开始工作，并由数据处理装置3输出开始测量信号，传输装置2中空气压缩机、氦气储存罐和编码器开始工作，通过进气孔10向测量装置1中充氦气，利用弹簧杆9和弹簧8等结构顶起基准梁5，并开始记录水平位置，其中基准梁5的长度为400mm；
3)当外界氦气通过进气孔10进入测量装置时，气压驱动弹簧杆9压缩弹簧8并顶起基准梁5，基准梁两端的小滚轮9接触压力管内表面，回弹式位移传感器6的测量端受到压缩，此时每根基准梁上有三个点与压力管内表面接触，分别为两端小滚轮与中心位移传感器。
4)传输装置2通过电机、连杆、万向节持续驱动测量装置1沿压力管轴向运动，数据处理装置3根据编码器反馈值每隔一个积分步长△h＝1mm记录一次位移传感器6和超声直探头4的数据，同时记录此时编码器反馈的水平位置；
5)将压力管在参考梁长度400mm范围内的一段近似为圆弧，其半径即为位移传感器与压力管接触点的曲率半径，数据处理装置3根据位移传感器6和位移传感器8的数据及其零位读数计算位移传感器与压力管接触点相较于两端小滚轮与压力管接触点连线的相对位移δ，进而通过解直角三角形计算出位移传感器与压力管接触点的曲率半径R，最后求其倒数得到此接触点位置的曲率k；
6)压力管在长度范围内存在两种不同的曲面模式，即凹面和凸面，定义位移传感器测量端和两滚轮与压力管接触的三点完全水平时位移传感器的读数为0，即零位读数，根据位移传感器的读数可判断此长度L范围内压力管的曲面模式，当压力管处于凹面模式时，相对位移δ取正值，曲率k＞0，当压力管处于凸面模式时，相对位移δ取负值，曲率k＜0；
7)从压力管内壁12点钟和6点钟表面的离散位置采集曲率值，而压力管内径中心轴线的曲面曲率k(x)即为12点钟和6点钟表面曲率的平均值；
8)当测量装置1中超声直探头4检测到的压力管壁厚回波信号消失时，表明测量装置1准备开始移出压力管，数据处理装置3输出结束测量信号，传输装置2中径向动力源与轴向动力源同时停止工作；
9)数据处理装置3中获取到约5600个压力管内径中心轴线上离散点曲率及其对应水平位置的二维数组，表明有效测量长度约为5.6m；
10)压力管两端各存在约200mm的测量盲区，传统处理方法假设这一部分的斜率为0，为一条水平直线，但在压力管实际变形(下垂)中，虽然两端的下垂量非常小，但若假设这一部分的下垂量为0，会在后续积分步骤中带来较大的积分误差，使得下垂量测量值累计小于真实值，根据压力管两端曲率均为0的边界条件，假设测量盲区内所有离散点的曲率保持不变，补充压力管内径中心轴线上离散点曲率及其对应水平位置的二维数组至6000个，即覆盖了压力管全长6m范围的下垂测量；
11)数据处理装置3中上位机软件自动分析数据，采用欧拉法进行二阶离散微分方程的数值求解，将压力管内径中心轴线上离散点曲率及其对应水平位置作为输入条件，带入两端下垂量为0的边界条件，积分步长取离散曲率测量的间隔值1mm；
12)数据处理装置3中上位机软件根据超声直探头检测到的压力管壁厚信号，自动计算当前位置压力管的壁厚值，超声直探头与位移传感器的相对位置固定，因此上位机软件可有效剔除壁厚变化超过20％的离散点，即壁厚小于3.6mm的离散点二维数组被删除，每删除一个离散点，下一个离散点应用欧拉数值积分法时，积分步长增加1mm，以此类推；
13)应用两次欧拉数值积分，第一次返回压力管中心下垂量轮廓线的斜率，第二次应用返回压力管中心下垂量本身，上位机软件自动绘制压力管内径中心轴线下垂量与曲率的轮廓线，并求得压力管中心最大下垂量及其水平位置。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种压力管下垂自动测量装置，其特征在于，包括测量装置（1），所述测量装置（1）包括测量装置主体、基准梁（5）、位移传感器（6）、超声直探头（4）、支撑机构和轴承（7）；所述测量装置主体轴向两侧分别对称放置有基准梁（5）；所述基准梁（5）中心安装有位移传感器（6），所述基准梁（5）两侧分别安装有支撑机构，所述支撑机构上安装有轴承（7），所述测量装置主体轴向一侧的基准梁（5）两侧外侧分别安装有超声直探头（4）；所述超声直探头（4）提供起止信号，同时提供压力管全长范围内的壁厚测量信号。
2.根据权利要求1所述的压力管下垂自动测量装置，其特征在于，所述支撑机构包括进气孔（10）、弹簧杆（9）、弹簧（8）和气体容纳空间；所述测量装置主体内部设有气体容纳空间，所述测量装置主体径向一侧设有进气孔（10），所述进气孔（10）与气体容纳空间连通；所述基准梁（5）两侧分别安装有弹簧杆（9）；所述弹簧杆（9）一端放置在气体容纳空间内，所述弹簧杆（9）另一端穿过气体容纳空间与轴承（7）连接，所述在气体容纳空间内的弹簧杆（9）上套有弹簧（8）。
3.根据权利要求2所述的压力管下垂自动测量装置，其特征在于，所述弹簧杆（9）包括竖杆和横杆，所述横杆放置在气体容纳空间内，所述竖杆一端垂直连接横杆，所述竖杆另一端穿过气体容纳腔与轴承（7）连接，所述在气体容纳空间内的竖杆上套有弹簧（8），所述竖杆远离横杆一侧垂直连接基准梁（5）。
4.根据权利要求1所述的压力管下垂自动测量装置，其特征在于，同一基准梁（5）上的轴承（7）顶点连线平行于基准梁（5）。
5.根据权利要求1所述的压力管下垂自动测量装置，其特征在于，同一基准梁（5）上的位移传感器（6）的测量端伸出基准梁（5）的距离大于同一基准梁（5）上的轴承（7）顶点伸出基准梁（5）的距离，两者距离之差为位移传感器（6）量程的一半，位于测量装置主体轴向上侧的位移传感器（6）用于测量压力管内壁12点钟方向离散点的曲率，位于测量装置主体轴向下侧的位移传感器（6）用于测量压力管内壁6点钟方向离散点的曲率，测量时位移传感器（6）一直处于压缩状态。
6.根据权利要求1所述的压力管下垂自动测量装置，其特征在于，所述轴承（7）为滚轮。
7.根据权利要求1所述的压力管下垂自动测量装置，其特征在于，所述位移传感器（6）安装于基准梁（5）中心，所述位移传感器（6）为回弹式LVDT位移传感器。
8.根据权利要求1所述的压力管下垂自动测量装置，其特征在于，所述压力管下垂自动测量装置，还包括传输装置（2），所述传输装置（2）包括编码器、径向动力源和轴向动力源，所述径向动力源为测量装置（1）提供基准梁（5）沿压力管径向运动的驱动力，所述轴向动力源为测量装置（1）提供轴承（7）沿压力管轴向运动的驱动力，所述编码器记录测量装置（1）的水平位置和位移情况。
9.根据权利要求1所述的压力管下垂自动测量装置，其特征在于，所述压力管下垂自动测量装置，还包括数据处理装置（3），实现测量装置（1）的运动控制、数据自动采集与分析功能。
10.一种压力管下垂自动测量方法，其特征在于，使用权利要求1-9任意一项所述的压力管下垂自动测量装置，包括如下步骤：
（1）测量压力管内测量区离散点曲率；
（2）对压力管内测量区离散点曲率数值进行欧拉数值积分，获得压力管内测量区的下垂量，该方法第一次应用返回压力管中心下垂量轮廓线的斜率曲线，即下垂量的变化率；第二次应用返回压力管中心下垂量本身；
（3）假设测量盲区的离散点曲率曲率不变，获得压力管全长范围内离散点曲率，对压力管全长范围内离散点曲率数值进行欧拉数值积分，获得压力管全长范围内的下垂量；
（4）根据压力管全长范围内的下垂量和离散点位置信息，获得压力管内径中心轴线的下垂量与水平位置的离散解析式，构建压力管内径中心轴线下垂量与曲率的轮廓线，求得压力管最大下垂量及其水平位置。
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