CN115077763A - 管道残余应力的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涉及管道测量技术领域，公开了一种管道残余应力的测量方法，测量方法包括：将手钻台固定在待测试件表面，确定钻孔的位置并安装三相应变花；通过主机控制手钻台在钻孔位置进行钻孔，三相应变花将钻孔过程中产生的释放应变传递给应力计算模块，应力计算模块计算当前点位的残余应力；按照应力测量规定方式在待测试件表面的不同点位重复进行钻孔和测试，得到待测试件表面的残余应力分布图。能够自动计算残余应力、检测准确度高；能够适应多种管径油气管道内壁和外壁残余应力检测，能够得到管道内壁和外壁的残余应力分布曲线。

Description

管道残余应力的测量方法

技术领域

本发明涉及管道测量技术领域，具体地涉及一种管道残余应力的测量方法。

背景技术

目前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普遍存在打孔后需进行复杂的计算等问题，影响了盲孔法在长输管道工程中的应用。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明实施例提供了一种管道残余应力的测量方法。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种管道残余应力的测量方法，测量方法通过长输管道应力测量设备来实现，应力测量设备包括手钻台、主机和应力计算模块，其中，主机与手钻台相连以控制手钻台进行钻孔并采集钻孔过程中产生的释放应变数据；应力计算模块能够接收释放应变数据并计算得到待测管道的残余应力；

测量方法包括：

将手钻台固定在待测试件表面，确定钻孔的位置并安装三相应变花；

通过主机控制所述手钻台在钻孔位置进行钻孔，所述三相应变花将钻孔过程中产生的释放应变传递给应力计算模块，应力计算模块计算当前点位的残余应力；

按照应力测量规定方式在待测试件表面的不同点位重复进行钻孔和测试，得到待测试件表面的残余应力分布图。

在本发明实施例中，利用以下公式(1)以及公式(2)来计算得到第一主应力和第二主应力：

其中，ε₁和ε₃分别为钻孔后所述三向应变花测得的释放应变，A为第一应变释放系数，B为第二应变释放系数，σ₁为第一主应力，σ₂为第二主应力。

在本发明实施例中，应力测量设备包括多个应变片，多个应变片分别设置在平行于第一主应力和第二主应力的方向。

在本发明实施例中，第一应变释放系数和第二应变释放系数的标定试验为单向拉伸试验。

在本发明实施例中，利用以下公式(3)和公式(4)来计算得到第一应变释放系数和第二应变释放系数：

其中，第一主应力为单向拉伸所施加应力σ，第二主应力为零。

在本发明实施例中，残余应力的测量误差低于0.05％。

在本发明实施例中，测量方法为盲孔法，应力计算模块内置有计算程序，计算程序能够根据主机采集的释放应变数据计算出当前点位的残余应力。

在本发明实施例中，利用C语言对弹塑性公式进行编译，在钻孔后直接获得残余应力。

在本发明实施例中，手钻台包括手钻台纵梁、手钻台横梁、水平仪、手钻、底座、吸附固定单元、垂直仪和旋紧螺钉，其中，手钻台纵梁垂直设置在底座上，手钻台纵梁上设置有供手钻台横梁上下滑动的滑轨；手钻台横梁与手钻台纵梁彼此呈垂直设置，手钻台横梁的一端设置在滑轨中，手钻台横梁的另一端与手钻连接，手钻台横梁能够控制手钻台的横向移动；吸附固定单元设置在底座上，以使手钻台与待测管道的外壁或内壁固定；水平仪固定设置在手钻台横梁上，以校准手钻的横向移动距离；垂直仪固定设置在手钻台纵梁上，以校准手钻的纵向移动距离；旋紧螺钉能够锁紧和松开手钻台纵梁与手钻台横梁。

在本发明实施例中，手钻台横梁还包括横梁进给机构，手钻台横梁的另一端通过横梁进给机构与手钻固定连接，通过横梁进给机构来控制手钻在水平方向的移动距离。

在本发明实施例的管道残余应力的测量方法中，能够自动计算残余应力、检测准确度高；能够适应多种管径油气管道内壁和外壁残余应力检测，能够得到管道内壁和外壁的残余应力分布曲线；可以采用集成电路及单片机编程并整合成主体机对钻孔过程进行控制和采集释放应变数据；可以在应力计算模块中使用编程语言对弹塑性公式进行编译，从而在打孔后可直接获得残余应力数值，能够较好地满足长输管道残余应力测量要求。

附图说明

附图是用来提供对本发明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发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1示意性示出了根据本发明实施例的长输管道应力测量设备的结构示意图；

图2示意性示出了示意性示出了根据本发明实施例的长输管道应力测量设备的主视图；

图3示出了示意性示出了根据本发明实施例的长输管道应力测量设备的左视图；

图4示出了示意性示出了根据本发明实施例的管道残余应力的测量方法的流程图；

图5示意性示出了利用本发明的长输管道应力测量设备检测得到的待测管道内表面的残余应力分布图；

图6示意性示出了利用本发明的长输管道应力测量设备检测得到的待测管道外表面的残余应力分布图；

图7示意性示出了根据本发明实施例的盲孔法三向应变花布置示意图；

图8示意性示出了根据本发明实施例的盲孔法长输管道残余应力测量取点位置图。

附图标记说明

1-手钻台纵梁； 2-手钻台横梁；

3-水平仪； 4-横梁进给机构；

5-手钻； 6-底座；

7-吸附固定单元； 8-滑轨；

9-垂直仪； 10-旋紧螺钉；

11-待测管道； 12-焊缝；

13-盲孔； R1，R2，R3-三相应变花。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例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发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

需要说明，若本申请实施方式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，若本申请实施方式中有涉及“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，各个实施方式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。

图1示意性示出了根据本发明实施例的长输管道应力测量设备的结构示意图；图2示意性示出了示意性示出了根据本发明实施例的长输管道应力测量设备的主视图；图3示出了示意性示出了根据本发明实施例的长输管道应力测量设备的左视图。

管道残余应力的测量方法通过长输管道应力测量设备来实现，为了更好地理解本发明实施例提供的测量方法，首先对长输管道应力测量设备进行介绍说明。在本发明一实施例中，可参见图1、图2以及图3，长输管道应力测量设备主要包括手钻台、主机(图中未示出)和应力计算模块(图中未示出)三大部分构成。

其中，手钻台包括手钻台纵梁1、手钻台横梁2、水平仪3、手钻5、底座6、吸附固定单元7、垂直仪9和旋紧螺钉10。

其中，底座6用于安装手钻台，手钻台纵梁1垂直于底座6设置在底座的上端面上，在手钻台纵梁1上设置有供手钻台横梁2上下滑动的滑轨8。

在本实施例中，手钻台横梁2与手钻台纵梁1彼此呈垂直设置。手钻台横梁2的一端设置在手钻台纵梁1上的滑轨8中。手钻台横梁2的另一端与手钻5连接，从而手钻台横梁2能够带动手钻5在竖直方向上下移动。这里，手钻台横梁2还能够在横向方向伸缩，从而控制手钻台的横向移动。

在本实施例中，吸附固定单元7设置在底座6上，通过设置吸附固定单元7来使手钻台与待测管道的外壁或内壁实现固定，保证钻孔的精度。这里，吸附固定单元7可为磁铁。进一步地，吸附固定单元7可为电磁铁，需要吸附时通电产生磁力将手钻台与待测管道固定，钻完孔后断电方便手钻台脱离。

在本实施例中，水平仪3固定设置在手钻台横梁2上，通过水平仪3来校准手钻5在横向方向移动的距离。垂直仪9固定设置在手钻台纵梁1上，通过垂直仪9来校准手钻5在纵向方向上移动距离。

在本实施例中，旋紧螺钉10能够将手钻台纵梁1和手钻台横梁2锁紧和松开。在需要调整手钻5位置时，先松开旋紧螺钉10，调整手钻5的横向和纵向位置，到位后再旋紧螺钉10，控制手钻5开始钻孔。

在本实施例中，主机与手钻台相连以控制手钻台进行钻孔并采集钻孔过程中产生的释放应变数据。例如，主机可包括单片机及集成电路，可以实现读取外界应变转化为电信号并存储记录。应力计算模块能够接收释放应变数据并计算得到待测管道的残余应力。这里，应力计算模块可内置通过计算机编程得到的软件程序，该软件程序能够将外界的读取的应变转化为残余应力，在输入信号后直接读取该点的残余应力数值。例如，应力计算模块可为内置应力计算程序的计算机。

图4示出了示意性示出了根据本发明实施例的管道残余应力的测量方法的流程图。可参见图4，在本发明一实施例中，提供了一种管道残余应力的测量方法，包括以下步骤：

步骤401，将手钻台固定在待测试件表面，确定钻孔的位置并安装三相应变花；

步骤402，通过主机控制手钻台在钻孔位置进行钻孔，三相应变花将钻孔过程中产生的释放应变传递给应力计算模块，应力计算模块计算当前点位的残余应力；

步骤403，按照应力测量规定方式在待测试件表面的不同点位重复进行钻孔和测试，得到待测试件表面的残余应力分布图。

在本发明实施例中，如图1中所示，手钻台横梁2还可包括横梁进给机构4，手钻台横梁2未与手钻台纵梁1连接的一端通过横梁进给机构4与手钻5固定连接。这里，手钻台横梁2通过横梁进给机构4来控制手钻5在横向方向的移动距离。然而，本发明不限于此，其它方式也可以，只要能够实现手钻5在横向方向上的移动即可。

在本发明实施例中，如图1中所示，手钻台纵梁1可为长方体结构，底座6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8平行长方体结构的轴线设置在手钻台纵梁内部。

在本发明实施例中，水平仪可为设置在手钻台横梁上的刻度，垂直仪9可为设置在手钻台纵梁1上的刻度。然而，本发明不限于此，只要能够校准手钻5在横向方向和纵向方向的位置即可。

在本发明实施例中，吸附固定单元7可包括多块磁铁，多块磁铁分别设置在底座6下底面上。例如，如图1中所示，吸附固定单元包括4块磁铁，四块磁铁分别设置在底座6的四角上。

在本发明实施例中，手钻5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。

在本发明实施例中，手钻台的定位精度可达±0.02mm。所述手钻台的残余应力测量精度可达90％以上。

在本发明实施例中，测量设备采用盲孔法进行残余应力测量，应力计算模块内置有计算程序，计算程序能够根据主机采集的释放应变数据计算出当前点位的残余应力。具体来讲，将盲孔法计算公式使用编程语言进行编译得到计算程序。其中，盲孔法计算公式如公式(5)、公式(6)以及公式(7)所示。

在上式中，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，也即理解为残余应力，单位：MPa；A和B为应变释放系数，单位：MPa^-1；这里，应变释放系数须通过标定试验得到。将公式(5)、公式(6)以及公式(7)在计算机中进行编程，以释放应变作为输入参数，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的可通过单向拉伸试验进行标定得到。1号和2号应变片分别平行于主应力σ₁和σ₂方向，σ₁和σ₂即可理解为残余应力，由公式(1)和公式(2)可计算得到残余应力：

其中，主应力σ₁为单向拉伸所施加应力σ，单位：MPa，主应力σ₂为零，代入公式(4)和公式(5)可得：

可以看到，跟公式(5)、公式(6)和公式(7)相比，利用公式(1)、公式(2)、公式(3)和公式(4)来计算残余应力，简化了计算过程。

图7示意性示出了根据本发明实施例的盲孔法三向应变花布置示意图；图8示意性示出了根据本发明实施例的盲孔法长输管道残余应力测量取点位置图。下面结合具体示例来详细描述本发明的长输管道应力测量设备。如图7和图8中所示，将手钻台(图中未示出)固定在即待测管道11表面，在焊缝12的两侧分别确定钻孔的位置并安装好三相应变花R1、R2和R3(如图7中所示)。

通过主机控制手钻台在钻孔位置竖直钻出一个直径约为2mm、深度约为2mm的盲孔13，三相应变花将钻孔过程中产生的释放应变数据传递给应力计算模块，应力计算模块计算得到当前点位的残余应力。

按照应力测量规定方式(例如，如图8中所示)在待测试件表面不同点位重复进行钻孔和测试，即得到待测试件表面残余应力分布图。

利用本发明的长输管道应力测量设备分别针对待测管道内壁和外壁的残余应力进行了测量，其结果如图5和图6中所示。其中，图5为待测管道内表面的残余应力分布图；图6为待测管道外表面的残余应力分布图。打孔测量过程中，手钻台操作便捷、与管道内外表面匹配性好。通过应力计算模块可直接获得内、外残余应力的数据，提高了管道残余应力的测量效率。

综上所述，本发明实施例的有益效果可包括以下内容中至少一项：

(1)长输管道应力测量设备打孔定位精度高、操作简便，能够自动计算残余应力、检测准确度高；

(2)长输管道应力测量设备能够适应多种管径油气管道内壁和外壁残余应力检测，能够得到管道内壁和外壁的残余应力分布曲线；

(3)自主设计长输管道应力测量设备，采用集成电路及单片机编程并整合成主体机对钻孔过程进行控制和采集释放应变数据；在应力计算模块中可以使用C语言对弹塑性公式进行编译，从而在打孔后可直接获得残余应力数值；管道残余应力的测量方法备与实验测试以及有限元数值模拟相比，残余应力的测试结果相差不超过0.05％，能够较好地满足长输管道残余应力测量要求。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种管道残余应力的测量方法，其特征在于，测量方法通过长输管道应力测量设备来实现，所述应力测量设备包括手钻台、主机和应力计算模块，其中，所述主机与所述手钻台相连以控制所述手钻台进行钻孔并采集钻孔过程中产生的释放应变数据；所述应力计算模块能够接收所述释放应变数据并计算得到待测管道的残余应力；

所述测量方法包括：

将所述手钻台固定在待测试件表面，确定钻孔的位置并安装三相应变花；

通过所述主机控制所述手钻台在钻孔位置进行钻孔，所述三相应变花将钻孔过程中产生的释放应变传递给所述应力计算模块，所述应力计算模块计算当前点位的残余应力；

按照应力测量规定方式在所述待测试件表面的不同点位重复进行钻孔和测试，得到所述待测试件表面的残余应力分布图。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，利用以下公式(1)以及公式(2)来计算得到第一主应力和第二主应力：

其中，ε₁和ε₃分别为钻孔后所述三向应变花测得的释放应变，A为第一应变释放系数，B为第二应变释放系数，σ₁为所述第一主应力，σ₂为所述第二主应力。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述应力测量设备包括多个应变片，所述多个应变片分别设置在平行于所述第一主应力和所述第二主应力的方向。

4.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述第一应变释放系数和所述第二应变释放系数的标定试验为单向拉伸试验。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，利用以下公式(3)和公式(4)来计算得到所述第一应变释放系数和所述第二应变释放系数：

其中，所述第一主应力为单向拉伸所施加应力σ，所述第二主应力为零。

6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述残余应力的测量误差低于0.05％。

7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述测量方法为盲孔法，所述应力计算模块内置有计算程序，所述计算程序能够根据所述主机采集的释放应变数据计算出当前点位的残余应力。

8.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，在所述应力计算模块中利用编程语言对弹塑性公式进行编译，以使得在钻孔后直接获得所述残余应力。

9.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述手钻台包括手钻台纵梁、手钻台横梁、水平仪、手钻、底座、吸附固定单元、垂直仪和旋紧螺钉，其中，所述手钻台纵梁垂直设置在所述底座上，所述手钻台纵梁上设置有供所述手钻台横梁上下滑动的滑轨；所述手钻台横梁与所述手钻台纵梁彼此呈垂直设置，所述手钻台横梁的一端设置在所述滑轨中，所述手钻台横梁的另一端与所述手钻连接，所述手钻台横梁能够控制所述手钻台的横向移动；所述吸附固定单元设置在所述底座上，以使所述手钻台与所述待测管道的外壁或内壁固定；所述水平仪固定设置在所述手钻台横梁上，以校准所述手钻的横向移动距离；所述垂直仪固定设置在所述手钻台纵梁上，以校准所述手钻的纵向移动距离；所述旋紧螺钉能够锁紧和松开所述手钻台纵梁与所述手钻台横梁。

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，所述手钻台横梁还包括横梁进给机构，所述手钻台横梁的另一端通过所述横梁进给机构与所述手钻固定连接，通过所述横梁进给机构来控制所述手钻在水平方向的移动距离。

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