基于橢圓規(guī)的壓力容器橢圓形封頭檢驗儀器

張 李培中 馮明光 趙西城(煙臺市特種設備檢驗研究院 煙臺 265508)

基于橢圓規(guī)的壓力容器橢圓形封頭檢驗儀器

本文論述并設計了一種基于橢圓規(guī)原理的，能夠應用于檢驗壓力容器橢圓形封頭內(nèi)表面是否合格的檢驗儀器。本設計基于精簡后的滑塊式橢圓規(guī)作為機械運動基礎，檢驗觸頭采用高靈敏度的直線位移傳感器，能夠檢測出橢圓形封頭內(nèi)表面脫離橢圓軌跡的缺陷位置及缺陷程度，并以電信號的形式表現(xiàn)出來。

壓力容器 橢圓形封頭 橢圓規(guī) 檢測儀器

1 設計背景

封頭是壓力容器不可或缺的重要構(gòu)件。封頭的種類很多，按照形狀可分為橢圓形封頭、碟形封頭、球冠形封頭、半球形封頭、平底形封頭和錐形封頭等。各類型封頭的尺寸、內(nèi)表面積、容積、質(zhì)量以及總高度（總深度）[1]能否滿足相關(guān)標準中的規(guī)定，不但關(guān)系到壓力容器的整體質(zhì)量，而且也關(guān)系到后期的使用過程中，工業(yè)生產(chǎn)的安全運行。因此，做好對壓力容器封頭的成品檢驗，是保證壓力容器質(zhì)量的必要前期工作。

由于橢圓形封頭曲率是連續(xù)的，因而其應力也是連續(xù)的，應力分布僅次于半球形封頭，比碟形和平蓋形以及其它類型的封頭都要好。而且橢圓形封頭的深度較淺，整體沖壓時的工藝較球形封頭容易，因此是壓力容器制作當中最為常用的一種封頭。橢圓形封頭在加工制造完成之后，如何能夠更有效地檢驗橢圓形封頭是否滿足相關(guān)標準的規(guī)定，是生產(chǎn)企業(yè)提高檢驗效率、提高封頭質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。依照GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》中附錄E，判斷一個成品橢圓形封頭的質(zhì)量，可以從公稱直徑DN、總深度H、內(nèi)表面積A、容積V四個參數(shù)進行測量，但是按照現(xiàn)有的技術(shù)手段，顯然去測量成品封頭的內(nèi)表面積A、容積V是不容易實現(xiàn)的。因此，橢圓曲率的測量成為了判定橢圓形封頭是否合格的最有效的標準。

通過總結(jié)發(fā)現(xiàn)，在歷年的標準：JB/T 4737—1995《橢圓形封頭》、JB/T 4746—2002《鋼制壓力容器用封頭》以及最新的GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》中，關(guān)于封頭“制造、檢驗與驗收”環(huán)節(jié)，一直采用的是樣板比對的方法來判斷橢圓形封頭的內(nèi)表面是否符合標準橢圓的曲率[2,3]。文中6.3.8規(guī)定：整板成形及先拼板后成形的凸形封頭，成形后按封頭標準斷面形狀線向內(nèi)縮進一定尺寸（視封頭大小而定，以不影響測量形狀公差為宜）作為間隙樣板輪廓線[4]，如圖1所示。檢查時應使樣板垂直于待測表面。樣板與封頭內(nèi)表面間的最大間隙：外凸不得大于1.25%Di；內(nèi)凹不得大于0.625%Di。如圖1所示。樣板比對雖然簡單易用，但是對于公差取數(shù)的工作依然繁瑣。而且還要考慮橢圓形封頭樣板保存與磨損的問題。

圖 1 凸形封頭斷面形狀公差間隙樣板檢查圖

本設計意在設計一種橢圓形曲率的檢驗儀器，能夠根據(jù)待檢驗的橢圓形封頭的規(guī)格，通過調(diào)整儀器的尺寸，從而實現(xiàn)對各種橢圓形封頭的檢驗。同時，隨著儀器基于橢圓規(guī)原理的機械運動，儀器上的高靈敏度的直線位移傳感器，能夠把橢圓形封頭內(nèi)表面的實時情況，外凸內(nèi)凹的程度通過波形顯示或者數(shù)字顯示反饋給操作人員，實現(xiàn)檢驗精度與效率的提高。從而有效保證壓力容器橢圓形封頭的質(zhì)量。

2 總體構(gòu)架

3 機械構(gòu)架的實現(xiàn)

本設計的機械運動構(gòu)架思路來源于橢圓規(guī)。目前橢圓規(guī)主要分為兩種，第一種是新型橢圓規(guī)，第二種是傳統(tǒng)橢圓規(guī)。新型橢圓規(guī)一直在隨著學者的研究不斷的進行創(chuàng)新，像行星式橢圓規(guī)和連桿滑塊式橢圓規(guī)，都是比較新型的橢圓規(guī)。傳統(tǒng)橢圓規(guī)出現(xiàn)的最早，其機械結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等優(yōu)點，使得傳統(tǒng)橢圓規(guī)依然是應用在工業(yè)中最普及的[5]。

傳統(tǒng)橢圓規(guī)在十字形縱橫滑槽上各裝有一個活動滑塊。兩個滑塊上面共同固定著一根旋桿。旋桿與縱橫兩個滑塊連成一體。移動滑塊，其上面的旋桿能做360°的旋動，從而畫出符合橢圓方程的橢圓。傳統(tǒng)橢圓規(guī)見圖2。

圖2 傳統(tǒng)橢圓規(guī)

按照傳統(tǒng)橢圓規(guī)旋桿最外延的運動軌跡，可以建立橢圓規(guī)的數(shù)學模型見圖3。

圖3 傳統(tǒng)橢圓規(guī)數(shù)學模型

見圖3，滑動點A和B在虛線圓的豎直方向與水平方向的直徑上移動。P、B、A是剛性旋桿上的三點，并且P、B、A相對于旋桿永遠為固定點。隨著A、B滑動點的移動，將看到點P的軌跡是一個橢圓。其長半軸為PA，短半軸為PB。假設PA=a，PB=b，和t=∠ABO（O為直角坐標系原點），以十字形構(gòu)建直角坐標系。則點P的坐標是（a×cost，b×sint）。而標準的橢圓方程是：將點P的坐標帶入標準橢圓方程中完全滿足。因此，該橢圓軌跡是以2a和2b為軸心的標準橢圓。同樣，假設調(diào)節(jié)P點與B點的位置，就可以得到長軸與短軸不同的橢圓，十分靈活[6]。

而在工業(yè)生產(chǎn)檢驗的過程中，橢圓形封頭是一個半橢圓形狀，因此只需要橢圓軌跡滑動半個橢圓即可完成對橢圓形封頭的檢驗。根據(jù)上述對于橢圓形封頭截面檢驗需要的分析，可以得到精簡后的橢圓規(guī)是一種倒置T形的滑塊軌道結(jié)構(gòu)，它的長軸是完整的，而短軸僅需要上半軸來完成下半周橢圓的軌跡檢測。考慮到橢圓規(guī)滑塊的位置必須在軸線上，而且不能影響傳感器的安裝。設計了圖4所示的T形橢圓規(guī)。圖中所標注的PBA三點，表示由傳統(tǒng)橢圓規(guī)數(shù)學模型中映射的三個點。

從設計模型上來看，目前所設計的倒置T形橢圓規(guī)，在截面線上安裝位移傳感器之后，橢圓軌跡長軸的兩個末端，肯定會存在一個角度的盲區(qū)是無法檢測到的。這是由于在設計的時候，為了保證滑塊能夠完整地在長軸線上水平移動，滑塊軌道占用了一部分的橢圓軌跡所造成的。

在實際橢圓形封頭的檢驗中，橢圓形的封頭都存在有一個直邊高度，我們可以在設計的過程中利用和這塊直邊高度，使T形橢圓規(guī)的長軸軌道向上平移到封頭的直邊區(qū)域，這樣既有利于T形橢圓規(guī)的固定，又能夠保證待檢橢圓軌跡的完整性。通過上述分析，我們便可以將長軸線上的水平滑塊改制成偏心滑塊。為了填補平移和偏心造成的誤差，需要將垂直方向的滑塊軌道向下延長半個滑塊外加偏心的長度，從而保證了橢圓軌跡檢測時，可以從長軸的末端開始檢驗。見圖5。

2014年對所有燒損部位進行了更換和維修，但在后期的生產(chǎn)中燒損現(xiàn)象未得到改善，造成維修費用高。為了有效解決高溫煙氣燒損鋼件的問題、保證鍋爐的平穩(wěn)運行，特進行此次改造。

圖4 設計T形橢圓規(guī)模型

需說明，精簡后的橢圓規(guī)滑塊軌道的設計，應該采用一種可以按照需求長度來拼接的形式。按照最新的GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》中對于標準橢圓形封頭的公稱直徑的規(guī)定，公稱直徑范圍在300mm～1000mm范圍內(nèi)的橢圓形封頭，其標準尺寸的間隔為50mm；而公稱直徑范圍在1000mm～6000mm范圍內(nèi)的橢圓形封頭，其標準尺寸的間隔為100mm。因此，這里的這種倒置T形橢圓規(guī)設計需要分成幾個系列，來完成不同規(guī)格的橢圓形封頭的檢驗。最小的橢圓規(guī)就應該是公稱直徑為300mm的規(guī)格。

圖4中紅色規(guī)尺采用了與滑塊軌道相同的分系列設計理念，只要規(guī)尺能夠滿足橢圓軌跡的測量需要，就不需要更換更長的規(guī)尺。另外，紅色規(guī)尺中間也設置了貫穿性的縱向凹槽，以便檢測人員能夠方便地調(diào)整短軸PB、長軸PA的長度，實現(xiàn)單一橢圓規(guī)在任意橢圓比例下都能使用。本設計在建立模型的時候，都沒有考慮橢圓規(guī)的組裝問題，僅僅為檢驗儀器提供完備的設計思路。機械組裝的設計將在后面的部分進行說明。

圖5 偏心滑塊T形橢圓規(guī)模型

截至上文，橢圓形封頭截面檢驗儀器的機械構(gòu)架已經(jīng)基本完成。圖5的所示的機械設計能夠?qū)崿F(xiàn)了整條橢圓軌跡的檢測。完成儀器本體的設計，剩下的就是如何固定在橢圓形封頭上，來進行橢圓軌跡的檢驗。這里采用的是U形卡加頂絲的結(jié)構(gòu)。U形卡的中間間隙取決于整個待測封頭所采用的鋼板的厚度，而U形卡的高度則取決于待測封頭直邊的高度。U形卡位于封頭外部的面上開有兩個內(nèi)螺紋孔，用于將頂絲旋入螺紋固定U形卡，保證U形卡以及T形橢圓規(guī)與橢圓形封頭之間的相對固定性；U形卡位于封頭內(nèi)部的面上開有穿透性的凹槽，意在能將U形卡固定于封頭直邊之后，用于插入T形橢圓規(guī)的長軸末端，并達到了拆卸方便的目的。為了保證橢圓規(guī)相對于封頭截面的垂直性，特地在凹槽下增加了橢圓規(guī)的承載沿。具體效果見圖6。需要說明的是，U形卡將依照標準文件的規(guī)定，制作成各種不同規(guī)格，以適應不同批次封頭的直邊高度。

圖6 橢圓規(guī)固定卡模型

橢圓形封頭截面檢驗設備的機械構(gòu)架，必須有足夠的強度，能夠承載自身的重量。應該采用硬度高、抗磨損的材料進行加工。不銹鋼或者鋁合金材料可以在考慮范圍之內(nèi)。制造滑塊的材料必須是抗磨損的。在后期的改進中，可以將滑塊的滑動改進為滾動來減少摩擦與損耗。

4 電氣構(gòu)架的實現(xiàn)

在擁有了橢圓規(guī)的機械保證前提下，標準的橢圓軌跡就能夠得到保證。剩下的重點就是采集并且記錄待檢橢圓形封頭內(nèi)表面與標準橢圓軌跡的偏差。本設計所采用的解決方案為直線位移傳感器外加數(shù)字顯示屏。直線位移傳感器能夠精確的檢測到偏移量，而數(shù)字顯示器能夠?qū)崟r地、直觀地顯示橢圓形封頭截面的實際軌跡。通過對檢測信號的控制判斷，可以在偏移量超出標準允許的范圍外時，發(fā)出報警。這里對數(shù)字顯示器的選取意象，應該是趨向于手持式的移動終端。

在生產(chǎn)過程中，位移的測量一般分為測量實物尺寸和機械位移兩種。其中，機械位移包括線位移和角位移。而按照被測變量變換的形式不同，位移傳感器可分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式又可分為物性型（如自發(fā)電式）和結(jié)構(gòu)型兩種。常用位移傳感器以模擬式結(jié)構(gòu)型居多，包括電位器式位移傳感器、電感式位移傳感器（見電感式傳感器）、自整角機、電容式位移傳感器（見電容式傳感器）、電渦流式位移傳感器（見電渦流式傳感器）、霍爾式位移傳感器等。數(shù)字式位移傳感器的一個重要優(yōu)點是便于將信號直接送入計算機系統(tǒng)（見數(shù)字式傳感器）。這種傳感器發(fā)展迅速，應用日益廣泛（見感應同步器、碼盤、光柵式傳感器、磁柵式傳感器）[7]。

在本設計中所采用的是直線位移傳感器。下面來分析一下幾類常用的直線位移傳感器的優(yōu)缺點以及使用的場合。

1）電位器式直線位移傳感器。它通過電位器元件將機械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。電位器式位移傳感器的可動電刷與被測物體相連。物體的位移引起電位器移動端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。通常在電位器上通以電源電壓，然后再把電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。電位器式傳感器的另一個主要缺點是易磨損。它的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，輸出信號大，使用方便，價格低廉。

2）霍耳式位移傳感器的慣性小、頻響高、工作可靠、壽命長，因此常用于將各種非電量轉(zhuǎn)換成位移后再進行測量的場合。

3）光電式位移傳感器常用于連續(xù)測量線材直徑或在帶材邊緣位置控制系統(tǒng)中用作邊緣位置傳感器。

最簡易的直線位移傳感器也叫電子尺，實際上就是一個滑動變阻器，也就是上文中提到的電位器式直線位移傳感器。電位式直線位移傳感器是作為分壓器使用，以相對電壓來顯示所測量位置的實際位置[8]。市面上常用的直線位移傳感器種類尺寸很多，圖7列出了幾種規(guī)格。

圖7 市面上常用規(guī)格的直線位移傳感器

本設計中所應用的是一種自恢復式直線位移傳感器。微型自恢復式直線位移傳感器見圖8。自恢復式直線位移傳感器的傳感器具備頂推桿的雙向支持和復位彈簧，頂推桿頂部安裝了M2.5的螺紋與不銹鋼滾輪，頂推桿的螺紋配合螺母能夠限制不銹鋼滾輪的旋轉(zhuǎn)方向，頂推桿位移速率最大可支持10m/s，兩端均有緩沖行程。外殼表面陽極處理，防腐蝕；內(nèi)置導電塑料測量單元，無溫漂，壽命長；具有自動電氣接地功能。密封等級為IP67，有直接出線和五芯插頭插座輸出兩種選擇，可以適用在大多數(shù)通用場合，特別適用于安裝空間狹小的場合；頂推桿無需安裝，無需對中。

圖8 自恢復式直線位移傳感器

最新的GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》中明確規(guī)定，樣板與封頭內(nèi)表面間的最大間隙：外凸不得大于1.25%Di；內(nèi)凹不得大于0.625%Di。按照最小的橢圓形封頭的公稱直徑來計算：外凸程度檢驗能夠識別的最小偏差是300mm的1.25%應該是3.75mm；內(nèi)凹程度檢驗能夠識別的最小偏差是300mm的0.625%應該是1.875mm。因此，對于自恢復式直線位移傳感器的精度至少應該滿足能夠識別0.01mm[9]。

檢測數(shù)據(jù)由直線位移傳感器采集之后，必須通過顯示終端顯示出數(shù)據(jù)，以便檢驗人員更加直觀地判斷檢測數(shù)據(jù)的合格與否。考慮到成本的控制，本檢驗儀器可以優(yōu)先考慮成本低廉的數(shù)字顯示儀表作為檢驗儀器的顯示終端。數(shù)字顯示儀表見圖9。在該檢驗儀器的后期的設備改進過程中，我們可以選取更加智能的控制面板，附帶數(shù)據(jù)的自動判斷與自動記錄的功能。

各種部件選型完成之后，就可以進行橢圓形封頭橢圓度檢測儀的組裝。目前的檢測儀保守的采用了手動控制，在將來依然具備由電動機完成儀器各種動作的提升空間。

圖9 數(shù)字顯示儀表

檢驗儀器的最終成型與應用的示意效果圖，如圖10所示的。具體在使用過程中，首先依照待檢驗橢圓形封頭的設計參數(shù)，分別調(diào)整好傳感器滾輪頂點P點至橫向滑塊上軸心B點、滾輪頂點P點至縱向滑塊上軸心A點的距離并固定。調(diào)整三點之間的距離時，需要將PB、PA分別延長一段“誤差”距離，例如延長5mm，那么這時能夠檢出的誤差數(shù)據(jù)就是在±5mm之間。然后將傳感器滾輪端壓入5mm后置零顯示終端，松開傳感器后，當前數(shù)顯表讀數(shù)為“5.00”。滑動縱向滑塊至軌道最低點（此時的規(guī)尺應該處于水平狀態(tài)），依照封頭的直邊高度選用適當尺寸的U形卡，使處于水平的規(guī)尺上的傳感器頂點正好處于封頭直邊的環(huán)向焊縫位置，如果該位置的尺寸完全準確，那么顯示終端就應該顯示為“0.00”。緩慢推動滑塊，使傳感器的滑輪端緊密貼合封頭內(nèi)表面滑動整個軌跡。期間外凸內(nèi)凹的程度都會在顯示終端上體現(xiàn)。只要有超過規(guī)定偏差的封頭，就可以判定為不合格產(chǎn)品。

圖10 實際檢驗儀器的應用效果圖

截至上文，基于橢圓規(guī)的壓力容器橢圓形封頭檢驗儀器的總體設計、構(gòu)架設計、組件選型、組件組裝以及儀器操作使用已經(jīng)全部完成。該檢驗儀器在理論上完成橢圓形封頭內(nèi)表面橢圓度的檢驗檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)本設計的設計初衷。

5 總結(jié)

基于橢圓規(guī)的壓力容器橢圓形封頭檢驗儀器擁有較高的靈敏度傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)橢圓度微小變化量的準確采集，對保證橢圓形封頭檢驗質(zhì)量有著重要的意義，同時也能夠大幅度提高橢圓形封頭的檢驗效率[10]，為企業(yè)以及檢驗機構(gòu)節(jié)省了大量的人力物力，符合設計創(chuàng)新的目的。本設計目前的自動化與智能化程度還是處于比較低的水平，對于后續(xù)產(chǎn)品的開發(fā)應用預留了很大的空間，伴隨著檢驗檢測技術(shù)的不斷發(fā)展進步，本儀器還會繼續(xù)更新?lián)Q代，應用最新的檢測技術(shù)，提高工作效率。

[1] 強天鵬. 壓力容器檢驗[M]. 北京：新華出版社，2008：35-37.

[2] JB/T 4737—1995 橢圓形封頭[S].

[3] JB/T T4746—2002 鋼制壓力容器用封頭[S].

[4] GB/T 25198—2010 壓力容器封頭[S].

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[9] 葛新，侯學軍. 橢圓封頭曲率檢測樣板的制作與使用[J]. 中國特種設備安全，2011，27（07）：23-24.

[10] 張光，陳罡，王伯. 對橢圓形封頭設計與制造的看法[J]. 中國特種設備安全，2011，27（11）：39-40.

Elliptical Head Detector for Pressure Vessel Based on Ellipsograph

Zhang Yun Li Peizhong Feng Mingguang Zhao Xicheng
(Yantai Special Equipment Inspection Institute Yantai 265508)

On the basis of the ellipsograph, the design and implementation of a kind of portable elliptical head detector for pressure vessel was discussed in detail. The design was based on streamlined ellipsograph with sliding blocks as a mechanical movement restriction. A highly sensitive new digital type linear displacement sensor was used as the detector’s sampling head, with this design, the detector could find and record the flaw degree on the inner surface of the elliptical head, and the flaw also could be send to handheld devices.

Pressure vessel Elliptical head Ellipsograph Detector

X924.2

B

1673-257X(2015)12-0021-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.12.004

張（1986～），男，碩士，檢驗員，中級工程師，從事壓力容器、氣瓶的檢驗檢測工作。

2015-07-02）