CN115077762A

CN115077762A - 长输管道应力测量设备

Info

Publication number: CN115077762A
Application number: CN202210771103.2A
Authority: CN
Inventors: 高建章; 王学军; 杨国晖; 贾彦杰; 苟鸣宇; 韩彬; 牛盛源; 高振华; 韩涛; 李学达
Original assignee: China Oil and Gas Pipeline Network Corp; National Pipeline Network Southwest Pipeline Co Ltd
Current assignee: China Oil and Gas Pipeline Network Corp; National Pipeline Network Southwest Pipeline Co Ltd
Priority date: 2022-05-20
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2022-09-20

Abstract

本申请实施例提供一种长输管道应力测量设备，包括：手钻台，用于在待测管道上进行钻孔；信号采集单元，设置于被测管道上，用于采集被测管道在钻孔过程中释放的应变信号；信号处理单元，与信号采集单元相连，用于将应变信号转换为电信号；应力计算单元，与信号处理单元相连，用于根据电信号计算得到待测管道的残余应力值。通过上述技术方案，能够直观地测量和检测各种状态下长输管道的残余应力水平，提高了长输管道残余应力的测量效率，且检测精度高。

Description

长输管道应力测量设备

技术领域

本申请涉及管道测量技术领域，具体涉及一种长输管道应力测量设备。

背景技术

随着经济的发展长输管道成为管道工程的大势所趋。而焊接残余应力会影响长输管道的承载能力和服役寿命，因此长输管道残余应力的测试与控制非常重要。目前残余应力的测试方法较多，其中盲孔法因破坏性小、适用性强、数据检测精度较高等特点得到了广泛的应用。

盲孔法测量长输管道残余应力的原理为：在被测构件表面钻制一个直径约2.0毫米、深度约2.0毫米的小孔，若此时构件内存在残余应力场和弹性应变场，在盲孔处的残余应力即被释放，原应力场失去平衡。这时盲孔周围将产生与释放应力相对应的释放应变，并使原应力场达到新的平衡，形成新的应力场和应变场。但目前采用盲孔法测量长输管道残余应力时，需要进行复杂的计算，无法直接得出残余应力，严重影响了盲孔法在长输管道应力测量中的应用。

发明内容

为至少部分地解决现有技术中存在的上述问题，本申请实施例的目的是提供一种长输管道应力测量设备。

为了实现上述目的，本申请提供一种长输管道应力测量设备，该长输管道应力测量设备包括：

手钻台，用于在待测管道上进行钻孔；

信号采集单元，设置于被测管道上，用于采集被测管道在钻孔过程中释放的应变信号；

信号处理单元，与信号采集单元相连，用于将应变信号转换为电信号；

应力计算单元，与信号处理单元相连，用于根据电信号计算得到待测管道的残余应力值。

在本申请实施例中，手钻台的底部设置有吸附固定单元，用于与被测管道的内壁或外壁固定连接。

在本申请实施例中，吸附固定单元包括多块磁铁。

在本申请实施例中，信号采集单元为三相应变花。

在本申请实施例中，三相应变花通过粘贴方式固定于被测管道上。

在本申请实施例中，信号处理单元包括：

桥式转换电路，用于将应变信号转换为电压信号；

信号调理电路，用于对电压信号进行放大和滤波；

模数转换电路，用于将放大和滤波后的电压信号转换为数字信号。

在本申请实施例中，桥式转换电路为惠斯通电桥电路。

在本申请实施例中，信号调理电路包括差动放大电路和抗混滤波电路。

在本申请实施例中，信号处理单元还包括：

单片机，用于对手钻台进行控制，并存储数字信号。

在本申请实施例中，长输管道应力测量设备还包括：

显示单元，与应力计算单元相连，用于显示残余应力值。

通过上述技术方案，即通过设置手钻台、信号采集单元、信号处理单元及应力计算单元，手钻台用于在待测管道上进行钻孔，信号采集单元设置于被测管道上，用于采集被测管道在钻孔过程中释放的应变信号，信号处理单元与信号采集单元相连，用于将应变信号转换为电信号，应力计算单元与信号处理单元相连，用于根据电信号计算得到待测管道的残余应力值，通过该类方式，能够直观地测量和检测各种状态下长输管道的残余应力水平，提高了长输管道残余应力的测量效率，且检测精度高。

本申请实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本申请实施例，但并不构成对本申请实施例的限制。在附图中：

图1是本申请实施例中所提供的长输管道应力测量设备的结构示意图；

图2是本申请实施例中所提供的手钻台的结构示意图；

图3是本申请实施例中所提供的手钻台的主视示意图；

图4是本申请实施例中所提供的手钻台的左视示意图；

图5是本申请实施例中所提供的三相应变花的布置示意图；

图6是本申请实施例中所提供的信号处理单元的结构示意图；

图7是本申请实施例中所提供的长输管道应力测量设备的测量取点位置图；

图8是利用本申请实施例中所提供的长输管道应力测量设备测量得到的待测管道的内表面的残余应力分布图；

图9是利用本申请实施例中所提供的长输管道应力测量设备测量得到的待测管道的外表面的残余应力分布图。

附图标记说明

1、手钻台； 2、信号采集单元；

3、信号处理单元； 4、应力计算单元；

5、显示单元； 11、底座；

12、手钻台纵梁； 13、手钻台横梁；

14、水平仪； 15、垂直仪；

16、手钻； 17、旋紧螺钉；

18、滑轨； 19、吸附固定单元；

131、横梁进给机构； R1R2R3、三相应变花；

31、桥式转换电路； 32、信号调理电路；

33、模数转换电路； 34、单片机；

6、被测管道； 61、焊缝。

具体实施方式

以下结合附图对本申请的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请，并不用于限制本申请。

需要说明，若本申请实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

请参阅图1，图1是本申请实施例中所提供的长输管道应力测量设备的结构示意图。如图1所示，在本申请一实施例中，提供了一种长输管道应力测量设备，该长输管道应力测量设备包括：

手钻台1，用于在待测管道上进行钻孔；

信号采集单元2，设置于被测管道上，用于采集被测管道在钻孔过程中释放的应变信号；

信号处理单元3，与信号采集单元2相连，用于将应变信号转换为电信号；

应力计算单元4，与信号处理单元3相连，用于根据电信号计算得到待测管道的残余应力值。

具体地，可以将手钻台1固定在待测管道上，并确定好钻孔位置，其中，钻孔位置可以为多个，且分别位于待测管道的焊缝的两侧。信号采集单元2可以安装在被测管道上确定好的钻孔位置，当手钻台1在钻孔位置钻孔时，信号采集单元2实时采集被测管道在钻孔过程中释放的应变信号，并发送至信号处理单元3。信号处理单元3对应变信号进行处理，将其转换为电信号，并发送至应力计算单元4。应力计算单元4根据电信号即可计算得到待测管道的残余应力值，其中，应力计算单元4可为通过计算机编程得到的软件程序，该软件程序能够将电信号转化为残余应力值，在输入电信号后可以直接读取该点的残余应力数值。例如，应力计算单元4可为内置应力计算程序的计算机。通过该类方式，能够直观地测量和检测各种状态下长输管道的残余应力水平，提高了长输管道残余应力的测量效率，且检测精度高。

请参阅图2至图4，图2是本申请实施例中所提供的手钻台的结构示意图；图3是本申请实施例中所提供的手钻台的主视示意图；图4是本申请实施例中所提供的手钻台的左视示意图。如图2至图4所示，在本申请一实施例中，手钻台1包括底座11、手钻台纵梁12、手钻台横梁13、水平仪14、垂直仪15、手钻16和旋紧螺钉17。

具体地，底座11用于安装手钻台1，手钻台纵梁12垂直于底座11并设置在底座11的上端面上，在手钻台纵梁12上设置有供手钻台横梁13上下滑动的滑轨18。其中，手钻台横梁13与手钻台纵梁12彼此呈垂直设置，手钻台横梁13的一端设置在手钻台纵梁12上的滑轨18中，手钻台横梁13的另一端与手钻16连接，从而手钻台横梁13能够带动手钻16在竖直方向上下移动，且手钻台横梁13还能够在横向方向伸缩，从而控制手钻16的横向移动。水平仪14固定设置在手钻台横梁13上，通过水平仪14来校准手钻16在横向方向移动的距离，垂直仪15固定设置在手钻台纵梁12上，通过垂直仪15来校准手钻16在纵向方向上的移动距离。旋紧螺钉17能够将手钻台纵梁12和手钻台横梁13锁紧和松开，在需要调整手钻16的位置时，先松开旋紧螺钉17，调整手钻16的横向和纵向位置，到位后再旋紧螺钉17，控制手钻16开始钻孔。

在一个实施例中，手钻台1的底部设置有吸附固定单元19，用于与被测管道的内壁或外壁固定连接。

具体地，吸附固定单元19可以设置在底座11上，通过吸附固定单元19将手钻台1与被测管道的内壁或外壁固定连接，防止钻孔过程中出现晃动，保证钻孔的精度。

进一步地，在一个实施例中，吸附固定单元19包括多块磁铁。

具体地，吸附固定单元19可以为磁铁，更优选地，吸附固定单元19可以为电磁铁，钻孔前对电磁铁进行通电以产生磁力，可以将手钻台1与被测管道的内壁或外壁固定连接，钻孔完毕后对电磁铁进行断电，方便手钻台1与被测管道脱离。

在一个实施例中，手钻台横梁13上设置有横梁进给机构131，手钻台横梁13未与手钻台纵梁12连接的一端通过横梁进给机构131与手钻16固定连接。这里，手钻台横梁13通过横梁进给机构131来控制手钻16在横向方向的移动距离。然而，本申请实施例不限于此，其它方式也可以，只要能够实现手钻16在横向方向上的移动即可。

实际应用时，手钻台纵梁12可为长方体结构，底座11可为矩形结构，长方体结构的轴线垂直于矩形机构所在的平面，滑轨18平行长方体结构的轴线设置在手钻台纵梁12的内部。水平仪14可为设置在手钻台横梁13上的刻度，垂直仪15可为设置在手钻台纵梁12上的刻度。手钻16可通过自身所带电源驱动进行钻孔或通过外接电源线供电进行钻孔。手钻台1的定位精度可达±0.02mm，手钻台1的残余应力测量精度可达90％以上。

在一个实施例中，信号采集单元2为三相应变花。

进一步地，在一个实施例中，三相应变花通过粘贴方式固定于被测管道上。

具体地，请参阅图5，图5是本申请实施例中所提供的三相应变花的布置示意图。如图5所示，该长输管道应力测量设备采用盲孔法进行残余应力测量，R1、R2、R3分别为三相应变花中的1号应变片、2号应变片、3号应变片，通过粘贴方式固定于被测管道上钻出的盲孔周围，相邻两个应变片之间的夹角为45度，θ为最大主应力与1号应变片的参考轴之间的夹角，取顺时针方向为正方向，σ₁和σ₂为主应力。

实际应用时，盲孔法的计算公式如公式(1)至(3)所示。

式中，ε₁、ε₂和ε₃分别为钻孔后三向应变花测得的释放应变，无量纲；θ为最大主应力与三向应变花中1号应变片参考轴之间夹角角度，这里，取顺时针方向为正方向；σ₁和σ₂为主应力，单位为MPa；A和B为应变释放系数，单位为MPa^-1；这里，应变释放系数须通过标定试验得到。通过式(1)～(3)结合测量得到的释放应变，即可自动计算当前钻孔点位的残余应力。

另外，应变释放系数A和B可通过单向拉伸试验进行标定得到。三相应变花的R1号和R2号应变片分别平行于主应力σ₁和σ₂方向，由公式(1)和(2)可得：

式中，主应力σ₁为单向拉伸所施加应力，单位为Mpa；主应力σ₂为零，代入公式(4)和(5)可得：

请参阅图6，图6是本申请实施例中所提供的信号处理单元的结构示意图。如图6所示，在本申请一实施例中，信号处理单元3包括：

桥式转换电路31，用于将应变信号转换为电压信号；

信号调理电路32，用于对电压信号进行放大和滤波；

模数转换电路33，用于将放大和滤波后的电压信号转换为数字信号。

具体地，桥式转换电路31与信号采集单元2相连，将信号采集单元2采集到的应变信号转换为模拟电压信号，并发送至信号调理电路32。由于桥式转换电路31输出的模拟电压信号通常只有几微伏至几十毫伏之间，且钻孔时受到高温、高压、剧烈振动等影响，因此需要通过信号调理电路32对模拟电压信号进行放大和滤波，得到标准的模拟电压信号。再通过模数转换电路33将标准的模拟电压信号转为数字信号，方便后续计算。

进一步地，在一个实施例中，桥式转换电路31为惠斯通电桥电路。

具体地，桥式转换电路31可以采用1/4桥式的惠斯通电桥电路，也可以采用半桥式的惠斯通电桥电路，还可以采用全桥式的惠斯通电桥电路，尽量抵消测量过程中温度等因素对应变片电阻的影响。

进一步地，在一个实施例中，信号调理电路32包括差动放大电路和抗混滤波电路。

具体地，差动放大电路对桥式转换电路31输出的模拟电压信号进行差动放大，抗混滤波电路通过通带平滑度和相位非线性度定量表示通带内信号，无混叠带宽范围内的所有信号均为无混叠信号或至少经阻带抑制过滤的信号，防止产生混叠。

进一步地，在一个实施例中，信号处理单元3还包括：

单片机34，用于对手钻台1进行控制，并存储数字信号。

具体地，在被测管道上确定好钻孔位置后，单片机34控制手钻台1在钻孔位置进行钻孔，通过桥式转换电路31、信号调理电路32、模数转换电路33对信号采集单元2采集到的应变信号进行处理得到数字信号后，单片机34对数字信号进行存储。

在一个实施例中，该长输管道应力测量设备还包括：

显示单元5，与应力计算单元4相连，用于显示残余应力值。

具体地，应力计算单元4根据电信号计算得到待测管道的残余应力值后，通过显示单元5进行显示，方便测试人员直观地了解长输管道的残余应力水平。

下面结合具体示例来详细描述本申请实施例提供的长输管道应力测量设备。

请参阅图7，图7是本申请实施例中所提供的长输管道应力测量设备的测量取点位置图。如图7所示，在被测管道6的焊缝61的两侧分别确定多个钻孔位置，并分别安装好三相应变花R1、R2、R3。

通过单片机34控制手钻台1在钻孔位置竖直钻出一个直径约为2mm、深度约为2mm的盲孔，三相应变花R1、R2、R3将钻孔过程中被测管道6释放的应变信号发送至信号处理单元3进行处理，然后通过应力计算单元4计算得到当前钻孔位置的残余应力值，并通过显示单元5进行显示，从而可以直观地测量和检测各种状态下长输管道的残余应力水平。

按照应力测量规定方式在每个钻孔位置重复进行钻孔和测试，即可得到待测管道的残余应力分布图。

利用本申请实施例的长输管道应力测量设备分别针对待测管道的内壁和外壁的残余应力进行测量，其结果分别如图8和图9所示。其中，图8是利用本申请实施例中所提供的长输管道应力测量设备测量得到的待测管道的内表面的残余应力分布图；图9是利用本申请实施例中所提供的长输管道应力测量设备测量得到的待测管道的外表面的残余应力分布图。将其与实验及有限元数值模拟进行对比，结果相差仅为0.05％，证明本申请实施例中所提供的长输管道应力测量设备的测量精度高，能够适用于精密仪器及对残余应力敏感构件的残余应力测量。

以上结合附图详细描述了本申请的优选实施方式，但是，本申请并不限于上述实施方式中的具体细节，在本申请的技术构思范围内，可以对本申请的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本申请的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本申请对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本申请的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本申请的思想，其同样应当视为本申请所公开的内容。

Claims

1.一种长输管道应力测量设备，其特征在于，所述长输管道应力测量设备包括：

手钻台，用于在待测管道上进行钻孔；

信号采集单元，设置于所述被测管道上，用于采集所述被测管道在钻孔过程中释放的应变信号；

信号处理单元，与所述信号采集单元相连，用于将所述应变信号转换为电信号；

应力计算单元，与所述信号处理单元相连，用于根据所述电信号计算得到所述待测管道的残余应力值。

2.根据权利要求1所述的长输管道应力测量设备，其特征在于，所述手钻台的底部设置有吸附固定单元，用于与所述被测管道的内壁或外壁固定连接。

3.根据权利要求2所述的长输管道应力测量设备，其特征在于，所述吸附固定单元包括多块磁铁。

4.根据权利要求1所述的长输管道应力测量设备，其特征在于，所述信号采集单元为三相应变花。

5.根据权利要求4所述的长输管道应力测量设备，其特征在于，所述三相应变花通过粘贴方式固定于所述被测管道上。

6.根据权利要求1所述的长输管道应力测量设备，其特征在于，所述信号处理单元包括：

桥式转换电路，用于将所述应变信号转换为电压信号；

信号调理电路，用于对所述电压信号进行放大和滤波；

模数转换电路，用于将放大和滤波后的所述电压信号转换为数字信号。

7.根据权利要求6所述的长输管道应力测量设备，其特征在于，所述桥式转换电路为惠斯通电桥电路。

8.根据权利要求6所述的长输管道应力测量设备，其特征在于，所述信号调理电路包括差动放大电路和抗混滤波电路。

9.根据权利要求6所述的长输管道应力测量设备，其特征在于，所述信号处理单元还包括：

单片机，用于对所述手钻台进行控制，并存储所述数字信号。

10.根据权利要求1所述的长输管道应力测量设备，其特征在于，所述长输管道应力测量设备还包括：

显示单元，与所述应力计算单元相连，用于显示所述残余应力值。