三坐標(biāo)檢測(cè)技術(shù)在金屬波紋管膨脹節(jié)型式試驗(yàn)中的應(yīng)用

劉 剛 孫少辰 趙華楠

（沈陽特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院)

波紋管膨脹節(jié)（也稱波形補(bǔ)償器）是用來吸收由于熱脹冷縮等原因引起的管道或設(shè)備尺寸變化的裝置，也是現(xiàn)代受熱管網(wǎng)和設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵部件之一，廣泛應(yīng)用于航天航空、石油、化工、冶金、熱力、水利、電力、原子能等部門。膨脹節(jié)不僅可以補(bǔ)償管道位移，還兼有減振降噪和密封的作用，可使管道之間及管道與設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)柔性連接。同時(shí)，它又是一個(gè)比較特殊的受力結(jié)構(gòu)，在使用中既要有較高的承壓能力，又要有良好的柔性，還應(yīng)具有一定的穩(wěn)定性和疲勞壽命，因此膨脹節(jié)在設(shè)計(jì)、選材、制造和試驗(yàn)等方面不能等同于一般的容器和管件的剛性結(jié)構(gòu)，其自身具有獨(dú)特性和復(fù)雜性。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度日益提高，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高,因而對(duì)于產(chǎn)品檢測(cè)也需要有高精度、高效率的檢測(cè)手段與之匹配。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) （coordinate measuring machining，CMM)作為在工業(yè)生產(chǎn)中一種重要的質(zhì)量控制和計(jì)量檢測(cè)手段,解決了許多常規(guī)手段難以實(shí)現(xiàn)的測(cè)量。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法,只能判斷零件是否合格,無法檢測(cè)出具體的加工誤差；而且在波形檢測(cè)和垂直度、同軸度測(cè)量方面檢測(cè)都很困難。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為一種現(xiàn)代化的高精度幾何量測(cè)量設(shè)備,能夠測(cè)出誤差的大小和外形特征，已經(jīng)成為產(chǎn)品檢驗(yàn)的重要檢驗(yàn)工具。本文就是應(yīng)用這一功能對(duì)膨脹節(jié)外形進(jìn)行檢測(cè)。

1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

1.1 工作原理

三坐標(biāo)測(cè)量的原理就是將被測(cè)物體置于三坐標(biāo)測(cè)量空間，可獲得被測(cè)物體上各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)計(jì)算求出被測(cè)物體的幾何尺寸、形狀和位置。任何形狀都是由三維空間點(diǎn)組成的，所有的幾何量測(cè)量都可以歸結(jié)為三維空間點(diǎn)的測(cè)量，因此精確地進(jìn)行空間點(diǎn)坐標(biāo)的采集，是評(píng)定任何幾何形狀的基礎(chǔ)。將被測(cè)零件放入它允許的測(cè)量空間范圍內(nèi)，精確地測(cè)出被測(cè)零件表面的點(diǎn)在空間三個(gè)坐標(biāo)位置的數(shù)值，將這些點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)值經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理，擬合形成測(cè)量元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經(jīng)過數(shù)學(xué)計(jì)算得出其形狀、位置公差及其他幾何量數(shù)據(jù)[1]。

1.2 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x

本試驗(yàn)應(yīng)用FARO的三維激光測(cè)量臂和Geomagic Qualify軟件完成波紋管外觀測(cè)試。FARO的三維激光測(cè)量臂的硬測(cè)頭可以精確地采集點(diǎn)，激光掃描頭獲取所需的大量點(diǎn)云。Geomagic Qualify是由美國Geomagic公司提供的快速檢測(cè)軟件，通過在CAD模型與實(shí)際構(gòu)造部件之間快速、明了的圖形比較，可以快速并準(zhǔn)確地完成檢測(cè)任務(wù)。其操作過程為：對(duì)齊、比較分析和生成報(bào)告；也可以直接對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行外觀測(cè)試。其軟件工作流程如圖1所示。

2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在膨脹節(jié)型式試驗(yàn)中的應(yīng)用

金屬膨脹節(jié)為補(bǔ)償因溫度差與機(jī)械振動(dòng)引起的附加應(yīng)力，而設(shè)置在容器殼體或管道上的一種撓性結(jié)構(gòu)。作為一種能自由伸縮的彈性補(bǔ)償元件，它具有工作可靠、性能良好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于化工、冶金、核能等部門。波紋管膨脹節(jié)是用金屬波紋管制成的一種膨脹節(jié)。它能沿軸線方向伸縮，也允許少量彎曲。圖2為常見的軸向式波紋管膨脹節(jié)，常用于管道上進(jìn)行軸向長(zhǎng)度補(bǔ)償。為使產(chǎn)品質(zhì)量得到保證，根據(jù)國家TSG D7002—2006《壓力管道元件型式試驗(yàn)規(guī)則》的規(guī)定，金屬波紋管膨脹節(jié)是壓力管道用補(bǔ)償器中需要進(jìn)行型式試驗(yàn)的典型產(chǎn)品之一。

圖1 軟件工作流程

圖2 軸向式波紋管膨脹節(jié)

2.1 波紋測(cè)試數(shù)據(jù)的應(yīng)用

依據(jù)相關(guān)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，其主要的檢測(cè)項(xiàng)目有外觀、剛度、耐壓、失穩(wěn)、疲勞等。膨脹節(jié)波紋管段由波峰、波谷構(gòu)成，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)波紋管膨脹節(jié)波紋數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，如圖3所示。通過測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算出波峰或波谷的曲率半徑。耐壓試驗(yàn)和平面失穩(wěn)試驗(yàn)，都需要在試驗(yàn)壓力下測(cè)量波距值，比較加壓前和加壓后的波距變化率，以判定波紋管是否失穩(wěn)。設(shè)計(jì)計(jì)算和校核時(shí)計(jì)算修正系數(shù)都需要波高、波距和曲率半徑的測(cè)量值，以確定膨脹節(jié)是否符合設(shè)計(jì)要求。以往波高、波距的外觀尺寸都是通過尺類工具人眼直接檢測(cè)，測(cè)量誤差較大。準(zhǔn)確地測(cè)量膨脹節(jié)的外觀尺寸及其變化，對(duì)于判定膨脹節(jié)是否符合設(shè)計(jì)要求至關(guān)重要。為此，我們引入了3D測(cè)量技術(shù)對(duì)樣品外觀尺寸進(jìn)行檢測(cè)[2]。

2.2 外觀測(cè)試過程分析

圖3 波紋管膨脹節(jié)波紋數(shù)據(jù)

校準(zhǔn)三維激光測(cè)量臂的硬測(cè)頭和激光掃描頭后，設(shè)備就可以正常使用了。根據(jù)相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求， 只需檢測(cè)膨脹節(jié) 0°、90°、 180°、 270°四個(gè)方向的波紋數(shù)據(jù)。受測(cè)量臂臂長(zhǎng)和膨脹節(jié)大小限制，只能分區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，然后根據(jù)相同特征對(duì)齊到同一坐標(biāo)系下，如圖4所示。利用激光掃描頭掃描感性區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用硬測(cè)頭標(biāo)記數(shù)據(jù)特征。應(yīng)用軟件中的 “非連接項(xiàng)”、 “體外孤點(diǎn)”、“抽樣”等功能對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)；再利用硬測(cè)頭標(biāo)記數(shù)據(jù)特征，將多次掃描的數(shù)據(jù)對(duì)齊到同一坐標(biāo)系下。

圖4 波紋管段掃描數(shù)據(jù)

外觀檢測(cè)數(shù)據(jù)除了可用于進(jìn)行3D比較和2D分析外，也可用于試驗(yàn)過程，從中可直觀地看到是否發(fā)生失穩(wěn)情況。本文通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多邊形處理，選擇貫穿界面對(duì)象，創(chuàng)建2D尺寸，如圖5所示。這些測(cè)量數(shù)據(jù)包括波高、波距、波峰曲率半徑和波谷曲率半徑，可以為整個(gè)試驗(yàn)過程的合格判定提供依據(jù)，也可以對(duì)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行校核。

2.3 同軸度和垂直度的測(cè)量

同軸度檢測(cè)是我們?cè)跍y(cè)量工作中經(jīng)常遇到的問題。用三坐標(biāo)進(jìn)行同軸度的檢測(cè)不僅直觀而且方便，其測(cè)量結(jié)果精度高、重復(fù)性好。同軸度的測(cè)量可以理解為要求在同一直線上的兩根軸線，它們之間發(fā)生了多大程度的偏離。通過特征提取在被測(cè)元素和基準(zhǔn)元素上測(cè)量多個(gè)橫截面的圓，再將這些圓的圓心構(gòu)造一條3D直線 （每個(gè)圓的直徑可以不一致），作為公共軸線，然后分別計(jì)算基準(zhǔn)圓柱和被測(cè)圓柱對(duì)公共軸線的同軸度，取其最大值作為該零件的同軸度，如圖6（a）所示。

圖5 波紋2D分析結(jié)果

圖6 同軸度與垂直度的特征測(cè)試圖

垂直度評(píng)價(jià)直線之間、平面之間或直線與平面之間的垂直狀態(tài),也就是通常所說的兩要素之間保持正交的程度。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)能從三維空間的不同方向?qū)ぜM(jìn)行數(shù)據(jù)采集和計(jì)算，所以是測(cè)量垂直度比較理想的設(shè)備。取特征平面作為基準(zhǔn)，評(píng)價(jià)公共軸線，其垂直度就是垂直于基準(zhǔn)平面和評(píng)價(jià)方向，且距離最近的兩個(gè)包含被測(cè)直線的平面之間的距離，如圖6（b）所示。

3 結(jié)論

金屬波紋管膨脹節(jié)是壓力管道用補(bǔ)償器中需要進(jìn)行型式試驗(yàn)的典型產(chǎn)品之一，各項(xiàng)目檢測(cè)過程中波紋變形量的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)該型式試驗(yàn)判定合格與否有著重要的作用。作為型式試驗(yàn)機(jī)構(gòu)有責(zé)任提供準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)論，因此將三坐標(biāo)技術(shù)引入到金屬波紋管膨脹節(jié)型式試驗(yàn)中保障了檢測(cè)質(zhì)量的提高。

[1] 張國雄.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) [M] .天津：天津大學(xué)出版社，1999.

[2] 段玫，鐘玉平，張道偉，等.GB/T 12777—2008.金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件 [S] .北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.