一種石油管內(nèi)焊縫余高及刮槽深度的測(cè)量方法

余志，白小亮

中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司（陜西 西安 710065)

0 引言

石油電焊管焊縫余高是焊縫外觀形狀控制的主要幾何參數(shù),大多數(shù)焊接產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫余高均有明確要求[1]。焊縫余高通常采用刮刀去除內(nèi)外毛刺，在實(shí)際生產(chǎn)中一般外毛刺的刮除質(zhì)量較好,但內(nèi)毛刺的刮除問(wèn)題較多,容易在內(nèi)表面留下一定的毛刺余高或形成一道內(nèi)刮槽[2]。若焊縫位置管壁減薄，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用，應(yīng)力釋放會(huì)造成管體變形，不僅會(huì)導(dǎo)致螺紋部分參數(shù)不合格而且嚴(yán)重時(shí)會(huì)使焊接結(jié)構(gòu)失效[3]。因此在石油管制造過(guò)程中，對(duì)內(nèi)焊縫余高及刮槽深度進(jìn)行檢測(cè)非常必要。焊縫余高及刮槽深度的檢測(cè)類似于凸凹坑的檢測(cè)，業(yè)內(nèi)一直也在探索其測(cè)量手段。對(duì)于外表面焊縫基本用焊縫檢驗(yàn)尺進(jìn)行測(cè)量；但內(nèi)表面焊縫余高測(cè)量結(jié)果也會(huì)受試件表面平整度、測(cè)量者測(cè)量水平等因素影響，測(cè)量方法存在一定局限性[4]。例如，文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種表面凹坑的測(cè)量工具，利用相似三角形的原理測(cè)量凹坑深度，但其對(duì)測(cè)量位置的要求較苛刻，而且精度不夠。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種基于視頻檢測(cè)技術(shù)的凹坑深度檢測(cè)裝置，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)所拍到凹坑進(jìn)行處理，結(jié)合RAC兩步法及最小二乘法得到凹坑深度。但其對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求較苛刻，光源不理想的情況下無(wú)法準(zhǔn)確得到凹坑深度。文獻(xiàn)[7]研究開(kāi)發(fā)了基于機(jī)器視覺(jué)的激光焊縫余高檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)重建焊縫表面點(diǎn)云，進(jìn)行圖像校正與分析，獲取特征點(diǎn)并計(jì)算余高，但此方法并不適用于現(xiàn)場(chǎng)大量的檢測(cè)應(yīng)用。文獻(xiàn)[8]利用激光掃描測(cè)量的方法進(jìn)行焊縫檢測(cè)，利用對(duì)焊縫表面高度差的測(cè)量得到焊接缺陷的尺寸大小和形態(tài)，此測(cè)量方法成本較大。文獻(xiàn)[9]提出了一種采用復(fù)型技術(shù)進(jìn)行焊縫過(guò)渡角無(wú)損間接測(cè)量的方法，但該方法沒(méi)有測(cè)量出焊縫余高及刮槽深度的具體尺寸，無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。文獻(xiàn)[10]利用自動(dòng)讀取紅外溫感相機(jī)采集到的焊縫溫度數(shù)據(jù)，基于相關(guān)算法計(jì)算出焊縫熔寬，進(jìn)而繪制出焊縫熔寬實(shí)時(shí)變化曲線，但此方法不適用于內(nèi)焊縫檢測(cè)。

提出了基于測(cè)距傳感器和特定算法對(duì)內(nèi)焊縫刮槽深度進(jìn)行精確測(cè)量的方法，建立了先定位再測(cè)量的操作方法，建立了刮槽深度、管體內(nèi)徑及測(cè)頭的幾何關(guān)系及其數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出了刮槽深度與測(cè)頭、管體內(nèi)徑的計(jì)算公式。該方法具有破壞性小、檢測(cè)效率高、測(cè)量適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，可用于類似管子內(nèi)壁凹坑深度的測(cè)量。

1 測(cè)量的數(shù)學(xué)原理

由于余高測(cè)量（凸出量）與刮槽測(cè)量（凹進(jìn)量）相當(dāng)，不再單獨(dú)列出，下面計(jì)算以刮槽的測(cè)量為例。先建立數(shù)學(xué)模型。如圖1所示，Si（i=1,2,…，n）代表刮槽每個(gè)點(diǎn)的測(cè)量位置，假設(shè)Smax代表刮槽深度最大的位置。O代表管體內(nèi)徑的實(shí)際圓心，r代表內(nèi)徑尺寸，mm。

圖1 內(nèi)焊縫刮槽深度測(cè)量的數(shù)學(xué)原理圖

而測(cè)量?jī)x器的測(cè)量中心為O'，測(cè)量時(shí)只能得到O'Si的長(zhǎng)度，那么在△O O'S i中，O'Si為可測(cè)量值，需要求得OO'的長(zhǎng)度和∠OO'Si，即可得到OS i，代入公式（1）和式（2）可以得到刮槽深度。

下面先求OO'，由于△ABC內(nèi)心為管子的實(shí)際圓心，測(cè)量時(shí)令O'A為m，O'B為n，O'C為P，再令測(cè)量桿夾角兩兩互為120°，那么有：

從焊縫刮槽位置S1開(kāi)始測(cè)量，然后逐步測(cè)量至位置S n，每測(cè)量一個(gè)位置可得到測(cè)量桿圓心至測(cè)量位置的距離k。測(cè)量桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角度已知為α。最終每個(gè)測(cè)量點(diǎn)到管體實(shí)際圓心的距離OS n：

式中：r為管子內(nèi)徑，mm；m，n，p分別為3根固定測(cè)量桿的測(cè)量長(zhǎng)度，mm；k為活動(dòng)測(cè)桿的測(cè)量長(zhǎng)度，mm；α為活動(dòng)桿相對(duì)固定桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，（°）。

2 內(nèi)焊縫刮槽深度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

在實(shí)際測(cè)量時(shí)，可設(shè)計(jì)3根固定測(cè)量桿分別貼合管體內(nèi)壁，利用一根活動(dòng)桿在焊縫刮槽上進(jìn)行滑動(dòng)測(cè)量，結(jié)構(gòu)如圖2所示。測(cè)量?jī)x包括主框架1、可伸縮固定桿2、可伸縮活動(dòng)桿3以及數(shù)字顯示器7，主框架1和測(cè)量頭4在同一平面上。主框架包括在同一平面內(nèi)的3個(gè)可伸縮固定桿和1個(gè)可伸縮活動(dòng)桿，3個(gè)可伸縮固定桿角度固定為120°?？缮炜s活動(dòng)桿位于兩個(gè)可伸縮固定桿的夾角中，并且可在夾角范圍內(nèi)滑動(dòng)，可伸縮活動(dòng)桿與3個(gè)可伸縮固定桿同圓心。3個(gè)可伸縮固定桿與1個(gè)可伸縮活動(dòng)桿均有測(cè)量頭，測(cè)量頭測(cè)量精度一致。數(shù)字顯示器設(shè)置在主桿的中間，數(shù)字顯示器中設(shè)有單片機(jī)，其上設(shè)有電源開(kāi)關(guān)按鈕、回零按鈕、顯示屏。數(shù)字顯示器可顯示3個(gè)可伸縮固定桿測(cè)量頭距圓心的距離，也可顯示可伸縮活動(dòng)桿與相鄰兩個(gè)可伸縮固定桿所成夾角。測(cè)量時(shí)，將可伸縮固定桿伸至管體內(nèi)壁固定，同時(shí)將可伸縮活動(dòng)桿伸至內(nèi)壁缺陷處進(jìn)行滑動(dòng)，進(jìn)行計(jì)數(shù)。

圖2 測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)圖

測(cè)量?jī)x主框架可由不銹鋼材質(zhì)制作，其中包括數(shù)顯面板、位移傳感器、角度傳感器、測(cè)頭等。數(shù)顯面板與角度傳感器、位移傳感器由電路聯(lián)通，可直接顯示測(cè)頭的位移和測(cè)量桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。位移傳感器選擇位移量程0~1 000 mm；線性誤差±0.1%；重復(fù)精度±0.02%；準(zhǔn)確度±0.05%；測(cè)頭選擇測(cè)針各向觸發(fā)力1.0 N。

3 應(yīng)用實(shí)例

采用上述檢測(cè)方法對(duì)焊縫表面余高進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)采用深度尺等量具對(duì)20個(gè)焊縫位置進(jìn)行實(shí)測(cè)，將兩者進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，偏差結(jié)果如圖3所示。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析可知,與傳統(tǒng)的手工檢測(cè)方法相比,該測(cè)量方法具有精度高（能達(dá)到0.005 mm，量具一般是0.02 mm）、可靠性好等優(yōu)點(diǎn),但在測(cè)量?jī)?nèi)壁焊縫，附近存在較大干擾時(shí),該測(cè)量可能會(huì)存在誤差。

圖3 兩種方式的測(cè)量偏差

4 結(jié)論

1）建立了刮槽深度、管體內(nèi)徑及測(cè)頭的幾何關(guān)系及其數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出了刮槽深度與測(cè)頭、管體內(nèi)徑的計(jì)算公式。該方法具有破壞性小、檢測(cè)效率高、測(cè)量適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，可用于類似管子內(nèi)壁凹坑深度的測(cè)量，為相關(guān)裝置的開(kāi)發(fā)提供設(shè)計(jì)思路。

2）通過(guò)測(cè)量實(shí)例比對(duì)，與傳統(tǒng)的手工檢測(cè)方法相比,該測(cè)量方法具有精度高（能達(dá)到0.005 mm，量具一般是0.02 mm）、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。

3）在其基礎(chǔ)上可對(duì)相關(guān)裝置進(jìn)行改進(jìn)，自動(dòng)測(cè)量及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，大大減少人工測(cè)量誤差及時(shí)間，提高現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的效率。