一種石油管內焊縫余高及刮槽深度的測量方法

余志，白小亮

中國石油集團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,大多數焊接產品標準對焊縫余高均有明確要求[1]。焊縫余高通常采用刮刀去除內外毛刺，在實際生產中一般外毛刺的刮除質量較好,但內毛刺的刮除問題較多,容易在內表面留下一定的毛刺余高或形成一道內刮槽[2]。若焊縫位置管壁減薄，經過長時間使用，應力釋放會造成管體變形，不僅會導致螺紋部分參數不合格而且嚴重時會使焊接結構失效[3]。因此在石油管制造過程中，對內焊縫余高及刮槽深度進行檢測非常必要。焊縫余高及刮槽深度的檢測類似于凸凹坑的檢測，業內一直也在探索其測量手段。對于外表面焊縫基本用焊縫檢驗尺進行測量；但內表面焊縫余高測量結果也會受試件表面平整度、測量者測量水平等因素影響，測量方法存在一定局限性[4]。例如，文獻[5]設計了一種表面凹坑的測量工具，利用相似三角形的原理測量凹坑深度，但其對測量位置的要求較苛刻，而且精度不夠。文獻[6]設計了一種基于視頻檢測技術的凹坑深度檢測裝置，利用數字圖像處理技術對所拍到凹坑進行處理，結合RAC兩步法及最小二乘法得到凹坑深度。但其對測量環境的要求較苛刻，光源不理想的情況下無法準確得到凹坑深度。文獻[7]研究開發了基于機器視覺的激光焊縫余高檢測技術，通過重建焊縫表面點云，進行圖像校正與分析，獲取特征點并計算余高，但此方法并不適用于現場大量的檢測應用。文獻[8]利用激光掃描測量的方法進行焊縫檢測，利用對焊縫表面高度差的測量得到焊接缺陷的尺寸大小和形態，此測量方法成本較大。文獻[9]提出了一種采用復型技術進行焊縫過渡角無損間接測量的方法，但該方法沒有測量出焊縫余高及刮槽深度的具體尺寸，無法滿足標準要求。文獻[10]利用自動讀取紅外溫感相機采集到的焊縫溫度數據，基于相關算法計算出焊縫熔寬，進而繪制出焊縫熔寬實時變化曲線，但此方法不適用于內焊縫檢測。

提出了基于測距傳感器和特定算法對內焊縫刮槽深度進行精確測量的方法，建立了先定位再測量的操作方法，建立了刮槽深度、管體內徑及測頭的幾何關系及其數學模型，推導出了刮槽深度與測頭、管體內徑的計算公式。該方法具有破壞性小、檢測效率高、測量適用性廣等優點，可用于類似管子內壁凹坑深度的測量。

1 測量的數學原理

由于余高測量（凸出量）與刮槽測量（凹進量）相當，不再單獨列出，下面計算以刮槽的測量為例。先建立數學模型。如圖1所示，Si（i=1,2,…，n）代表刮槽每個點的測量位置，假設Smax代表刮槽深度最大的位置。O代表管體內徑的實際圓心，r代表內徑尺寸，mm。

圖1 內焊縫刮槽深度測量的數學原理圖

而測量儀器的測量中心為O'，測量時只能得到O'Si的長度，那么在△O O'S i中，O'Si為可測量值，需要求得OO'的長度和∠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內心為管子的實際圓心，測量時令O'A為m，O'B為n，O'C為P，再令測量桿夾角兩兩互為120°，那么有：

從焊縫刮槽位置S1開始測量，然后逐步測量至位置S n，每測量一個位置可得到測量桿圓心至測量位置的距離k。測量桿轉動的角度已知為α。最終每個測量點到管體實際圓心的距離OS n：

式中：r為管子內徑，mm；m，n，p分別為3根固定測量桿的測量長度，mm；k為活動測桿的測量長度，mm；α為活動桿相對固定桿轉動的角度，（°）。

2 內焊縫刮槽深度測量儀的設計

在實際測量時，可設計3根固定測量桿分別貼合管體內壁，利用一根活動桿在焊縫刮槽上進行滑動測量，結構如圖2所示。測量儀包括主框架1、可伸縮固定桿2、可伸縮活動桿3以及數字顯示器7，主框架1和測量頭4在同一平面上。主框架包括在同一平面內的3個可伸縮固定桿和1個可伸縮活動桿，3個可伸縮固定桿角度固定為120°。可伸縮活動桿位于兩個可伸縮固定桿的夾角中，并且可在夾角范圍內滑動，可伸縮活動桿與3個可伸縮固定桿同圓心。3個可伸縮固定桿與1個可伸縮活動桿均有測量頭，測量頭測量精度一致。數字顯示器設置在主桿的中間，數字顯示器中設有單片機，其上設有電源開關按鈕、回零按鈕、顯示屏。數字顯示器可顯示3個可伸縮固定桿測量頭距圓心的距離，也可顯示可伸縮活動桿與相鄰兩個可伸縮固定桿所成夾角。測量時，將可伸縮固定桿伸至管體內壁固定，同時將可伸縮活動桿伸至內壁缺陷處進行滑動，進行計數。

圖2 測量儀的結構圖

測量儀主框架可由不銹鋼材質制作，其中包括數顯面板、位移傳感器、角度傳感器、測頭等。數顯面板與角度傳感器、位移傳感器由電路聯通，可直接顯示測頭的位移和測量桿轉動的角度。位移傳感器選擇位移量程0~1 000 mm；線性誤差±0.1%；重復精度±0.02%；準確度±0.05%；測頭選擇測針各向觸發力1.0 N。

3 應用實例

采用上述檢測方法對焊縫表面余高進行測試，同時采用深度尺等量具對20個焊縫位置進行實測，將兩者進行對比驗證，偏差結果如圖3所示。通過對比實驗分析可知,與傳統的手工檢測方法相比,該測量方法具有精度高（能達到0.005 mm，量具一般是0.02 mm）、可靠性好等優點,但在測量內壁焊縫，附近存在較大干擾時,該測量可能會存在誤差。

圖3 兩種方式的測量偏差

4 結論

1）建立了刮槽深度、管體內徑及測頭的幾何關系及其數學模型，推導出了刮槽深度與測頭、管體內徑的計算公式。該方法具有破壞性小、檢測效率高、測量適用性廣等優點，可用于類似管子內壁凹坑深度的測量，為相關裝置的開發提供設計思路。

2）通過測量實例比對，與傳統的手工檢測方法相比,該測量方法具有精度高（能達到0.005 mm，量具一般是0.02 mm）、可靠性好等優點。

3）在其基礎上可對相關裝置進行改進，自動測量及存儲數據，大大減少人工測量誤差及時間，提高現場檢測的效率。