基于幾何關系的焊接接頭檢驗儀

（煙臺市特種設備檢驗研究院，山東 煙臺 265508）

一、設計背景

壓力容器是一個組合體，是由焊接接頭將各個部分連接在一起，焊接質量的好壞對壓力容器的安全起著重大的作用，所以需要對焊縫的缺陷進行嚴格控制[1]。焊縫的錯邊量與棱角度超標是最常見的兩個焊接接頭表面缺陷。作為在制造過程中遺留下來的先天性缺陷，錯邊量和棱角度使焊縫的疲勞壽命明顯下降，直接影響壓力容器的制造質量和使用性能，并影響到安全使用，特別是在嚴重超標或焊縫中伴有其它缺陷時，需要對容器能否安全運行作出判斷，并作出正確、合理的定級。根據GB150-2011《壓力容器》的規定，檢驗壓力容器縱焊縫棱角度的方法是，用弦長等于Di/6，且不小于300mm 的內樣板（或外樣板）檢查[2]。要考慮不同規格的內徑尺寸都需要配備一套匹配規格的樣板，再加之隨著樣板的使用出現磨損等問題而進行的更換，增加了企業的成本。本文介紹的儀器可以根據待檢工件的實際尺寸調節長度，代替固定尺寸的樣板對焊接接頭各參數進行測量。

二、儀器的原理

測量圓度和環向棱角度，都基于實際的弦高與理論弦高的差值來確定的；測量環向錯變量是基于焊縫兩側實際的弦高的差值來確定的。對于一固定弦長，且已知圓的半徑，利用勾股定理，就可以得出圓弧中心至該弦長中心的距離，而實際的圓弧中心至該弦長中心的距離可利用高精度傳感器測出，兩者之差即為圓度值或環向棱角度值，本設計就是基于幾何關系，利用勾股定理來確定的。在本設計中用高精度距離傳感器對準待測點，讀取距離值后上傳至計算器，由計算器內置的程序進行運算，自動得出架體中點距測量點的距離與設定數值的差值并在顯示儀表上顯示出來，由此可直觀判斷出接頭棱角或筒體的圓度等是否符合標準規定。所述的設定數值，是計算器中儲存的數值，通過輸入直徑、厚度等調取，是理論圓弧中心至該弦長中心的理論值。測量環向錯變量時，用高精度距離傳感器對準待測焊接接頭一邊，讀取距離值后上傳至計算器，再用高精度距離傳感器對準待測焊接接頭另一邊，讀取距離值后上傳至計算器，然后求得兩次距離之差值就得出錯變量。

三、總體框架

本焊接接頭尺寸及筒體圓度檢驗儀，包括一個帶有刻度尺的架體，架體中部為安裝區、兩端為伸縮區，伸縮區的設置使得該儀器可以滿足不同規格筒體的測量。在架體中部的安裝區設有高精度位移傳感器，高精度位移傳感器外接計算器和顯示儀表。

四、電氣構架的實現

儀器的架體主要是提供一個具有標準規定弦長的支承，具有一定的剛度和耐磨性即可，剩下的問題就是要實現如何來獲取并顯示數據。本儀器采用的是高精度位移傳感器和數字顯示儀。

高精度位移傳感器是本儀器的核心構件。在實際應用中，高精度位移傳感器有好多種，分為電感式高精度位移傳感器，電容式高精度位移傳感器，光電式高精度位移傳感器。本儀器選用光電式高精度位移傳感器。光電式傳感器是基于光電效應的傳感器，光電轉換元件在受到可見光照射后即產生光電效應，將光信號轉換成電信號輸出。由于光電測量方法靈活多樣，可測參數眾多，它除能測量光強之外，還能利用光線的透射、遮擋、反射、干涉等測量多種物理量，如尺寸、位移、速度、溫度等，且光電測量時不與被測對象直接接觸，光束的質量又近似為零，在測量中不存在摩擦和對被測對象幾乎不施加壓力，再加上高精度，高可靠性和反應快等特點，因此在許多應用場合，光電式傳感器比其他傳感器有明顯的優越性，使得光電傳感器在檢測和控制領域獲得了廣泛的應用[3]。

檢測的數據由高精度位移傳感器采集，并徑計算器作出分析后，需通過顯示終端顯示出數據。顯示終端可以選取更加智能的控制面板，附帶數據的自動判斷功能，以使檢驗人員更加直觀地判斷檢測結果。

五、儀器操作舉例

（一） 測量筒體圓度

測量前，先對儀器進行調零，選擇圓度測量按鈕，然后在計算器中輸入所測筒體的內徑大小，并根據所測筒體的內徑大小調節架體伸縮區的長度，并將架體垂直于筒體軸線方向，在筒體上慢慢滑動，高精度位移傳感器不斷地測量距離，計算器讀取高精度位移傳感器測定的數值，計算出架體的中點距測量點的距離，并與在計算器中設定的數值進行比較，進而確定筒體的圓度是否符合要求。

（二）測量筒體內焊接接頭環向棱角

測量前，先對儀器進行調零，選擇棱角測量按鈕，然后在計算器中輸入所測筒體的內徑大小，并根據所測筒體的內徑大小調節架體伸縮區的長度，并將架體垂直于焊縫方向，高精度位移傳感器的指示燈指向所測部位，并測量距離，計算器讀取高精度位移傳感器測定的數值，計算出架體的中點距測量點的距離，并與在計算器中設定的數值進行比較，即求得筒體在該部位焊接接頭的環向棱角值。

截至上文，基于幾何關系的焊接接頭尺寸及筒體圓度檢驗儀的總體設計、構架設計、組件選型以及儀器操作使用已徑全部完成。該檢驗儀器在理論上完成了焊接接頭尺寸及筒體圓度的檢驗檢測，能夠實現本設計的目的。

六、總結

基于幾何關系的焊接接頭尺寸及筒體圓度檢驗儀具有較高的靈敏度，能夠滿足實際檢測要求，檢測效率高，操作簡單，對保證焊接接頭尺寸及筒體圓度的檢驗質量有著重要的意義，將為鍋爐壓力容器制造企業以及檢驗機構節省大量的人力、物力，符合設計創新的目的。