一种管道内壁应力无损检测装置及方法与流程

1.本发明属于应力检测技术领域，具体是涉及一种管道内壁应力无损检测装置及方法。


背景技术：

2.应力的分布不均或者过度集中会严重影响工业管道服役寿命，是在役工业管道运行过程中存在的重大安全隐患，因此，实现在役管道的应力检测，能够获取应力集中的位置，对于重大安全隐患的排除具有重要意义。
3.公开号为“cn112464528a”的中国专利，公开了一种测量焊接管道内表面及内部残余应力的方法，该方法主要是基于管道形状特征及材料性能建立有限元分析模型，采用机械剖分和x射线相结合的方法，获取管道内表面及内部的实测应力值，根据实验结果对焊接管道有限元模型进行校准，该方法能够提高管道应力检测精度，但是不能获得在役管道内表面应力及内部应力。
4.公开号为“cn104316238b”的中国专利，公开了一种压力钢管内壁应力测量装置及方法，该专利可简述为：将防水应变片固定于压力管道内部待测点上，通过防水应变片采集管道内壁的应变信息，在线传输后获得管道内部应力实时监控，该方法使管道内壁应力测量过程变得简单方便，但是该方法无法实现长距离内壁管道的检测。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种管道内壁应力无损检测装置及方法。
6.本发明实施例提供了一种管道内壁应力无损检测装置，该装置包括包括连接主体，在所述连接主体上连接有能够在管道内壁上行走的驱动轮，连接主体上连接有支撑柱组件，支撑柱组件上设有探头和处理器，探头内设有n个磁极，其中n≧2,所述n个磁极在空间上相互交叉，且不接触，每个磁极上分别设有激励线圈和信号拾取线圈，激励线圈在通交流电之后能够在磁极和管道内壁待测位置中产生闭合磁场，进而改变通过信号拾取线圈的磁通，变化的磁通会在信号拾取内产生感应电流，所述处理器能够将n个磁极中产生的感应电流求差值，获得管道内壁待测位置的主应力差，继而获得不同点的应力数值。
7.进一步地，所述连接主体包括相互串联连接的第一轴体和第二轴体，支撑柱组件固定在第一轴体上，驱动轮固定在第二轴体上。
8.进一步地，第二轴体上的端部连接万向节，所述万向节连接检测装置。
9.进一步地，第一轴体连接柔性轮圈，所述柔性线圈受力之后能够沿着轮圈直径方向收缩或扩张，所述柔性轮圈上均匀设有若干个从动轮。
10.进一步地，驱动轮通过驱动轮支架固定在第二轴体上；所述驱动轮支架包括固定在驱动轮支座和活动支撑板，其中驱动轮支座固定在第二轴体上，驱动轮固定在活动支撑板上，活动支撑板与驱动轮支座之间通过弹簧相连接。
11.进一步地，其特征在于，活动支撑板与驱动轮支座之间设有支撑导向柱，支撑导向柱的两端分别与活动支撑板和驱动轮支座通过螺纹连接
12.进一步地，所述支撑柱组件包括伸缩套筒、导向套筒和弹簧套筒；导向套筒设置在伸缩套筒的内部，且导向套筒的长度大于伸缩套筒的长度，导向套筒和伸缩套筒的底部固定在连接主体上，伸缩套筒的顶部连接弹簧套筒，弹簧套筒和导向套筒的内部设有压缩弹簧，压缩弹簧的顶部连接滑动件，所述滑动件设置在弹簧套筒内，探头与滑动件相连接。
13.进一步地，连接主体的轴向长度l与待测管道内径d之间的关系：0.75d<l<1.65d。
14.本发明实施例提供了基于上述任一项所述的一种管道内壁应力无损检测装置的检测方法，该方法包括如下过程：
15.将所述连接主体上放置到待测管道上，使得驱动轮在驱动轮支架上弹性件的作用下紧贴管道的内壁上，通过驱动轮控制连接主体在待测管道内移动；
16.同时给探头内n个磁极上的激励线圈通交流电，能够在磁极和管道内壁待测位置中形成闭合磁场，管道内待测位置的应力分布会改变磁场的分布，从而改变了通过信号拾取线圈的磁通，变化的磁通会在信号拾取线圈内产生感应电流，处理器能够将n个磁极上产生的感应电流取差值，获得管道内待测位置的主应力差，根据待测位置的的主应力差和主应力方向角，获得待测位置的具体应力数值，从而实现应力无损检测。
17.进一步地，通过调节检测探头激励线圈的励磁频率，能够获得沿管径方向不同深度的探头输出电流值，检测深度与电流频率之间关系：
[0018][0019]
其中，μ
r
为相对磁导率，ρ(ω
·
cm)为电阻率；
[0020]
计算获得不同层深的应力加权平均值；
[0021][0022]
有益效果：
[0023]
本发明提供的无损检测装置能够在管道的内部移动对管道的内壁的应力检测，同时在所述连接主体上探头内设有至少两个在空间交错分布但不相互接触的磁极，且每个磁极捆绑有激励线圈和信号拾取线圈，这样通过给激励线圈进行通交流电，能够在磁极与管道内壁待测位置中产生闭合磁场，管道内待测位置的应力分布会改变磁场的分布，从而改变了通过信号拾取线圈的磁通，变化的磁通会在信号拾取内产生感应电流，连接主体内的处理器通过求得这些磁极内感应电流的差值，从而求得管道内壁待测位置的主应力差值，通过主应力差值可以求得待测位置的各个应力值，实现了管道的应力无损检测。
附图说明
[0024]
图1为本发明实施例提供的管道内壁应力无损检测装置的整体结构图；
[0025]
图2为本发明实施例提供的无损检测装置中连接主体的整体结构图；
[0026]
图3为本发明实施例提供的无损检测装置中第一轴体的整体结构图；
[0027]
图4为本发明实施例提供的无损检测装置中第二轴体的整体结构图；
[0028]
图5为本发明实施例提供的无损检测装置中探头内磁极的整体结构图；
[0029]
图6为本发明实施例提供的无损检测装置中探头内磁极和封装套的结构图；
[0030]
图7为本发明实施例提供的无损检测装置中驱动轮支架的结构图；
[0031]
图8为本发明实施例提供的无损检测装置中支撑柱组件的主视图；
[0032]
图9为图8中a
‑
a方向上的主视图。
[0033]
图中：1、连接主体，11、第一轴体，110、第一内腔，12、第二轴体，120、第二轴体，2、驱动轮，3、检测探头，31、第一磁极，32、第二磁极，33、探头封套，4、驱动轮支架，41、驱动轮支撑座体，42、活动支撑板，43、轮架，44、驱动轮调节弹簧，45、支撑导向柱，5、支撑柱组件，51、伸缩套筒，52、弹簧套筒，53、导向套筒，54、弹簧套筒，55、压缩弹簧，56、探头固定支撑座，6、从动轮轮圈，7、从动轮，8、万向节。
具体实施方式
[0034]
如图1所示，本发明实施例提供了一种管道内壁应力无损检测装置，该装置主要包括能够在管道内移动的连接主体1，在所述连接主体1的圆周方向上设有至少两个驱动轮2，每个驱动轮2与管道的内壁相接触，通过在管道内壁上行走从而带动连接主体1在管道内移动，每个驱动轮2通过驱动轮支架4固定在连接主体1上能够根据管道直径的变化挤压驱动轮支架，使得该装置可以适应不同内径的管路，在所述连接主体1上驱动轮支架4的一侧圆周方向上还设若干个支撑柱组件5，在每个支撑柱组件5的端部均设有一个检测探头3，每个检测探头3内设有两个u型磁极，这两个磁极在空间上交错分布，且不接触，每个磁极的两个足上捆绑有线圈，一足上的线圈为激励线圈，另一足上的线圈为信号拾取线圈，且每个激励线圈都连接激励电源，这样通过给这两个线圈进行通电，能够在磁极与管道内壁待测位置中产生闭合磁场，管道内待测位置的应力分布会改变磁场的分布，从而改变了通过信号拾取线圈的磁通，变化的磁通会在信号拾取内产生感应电流，连接主体上的处理器通过求得这些磁极内感应电流的差值，从而求得管道内壁待测位置的主应力差值，通过主应力差值可以求得待测位置的各个应力值，实现了管道的应力无损检测。
[0035]
如图2所示，本实施中的连接主体1包括在两个相互串联的第一轴体11和第二轴体12，第一轴体11和第二轴体12均是一个矩形体，且其中驱动轮支架4安装在第二轴体12上，支撑柱组件5安装在第一轴体11上。
[0036]
进一步地，如图3
‑
图4所示，本实施中的第一轴体11为中空的，内部设有第一空腔110，第一空腔110可以放置电源和处理器等，第二轴体的内部也是中空的，内部设有第二空腔120，第二空腔120可以放置储存装置等，第一轴体和第二轴体在相对接的地方通过法兰连接，实现两者可拆卸。
[0037]
如图2所示，本实施中的第二轴体12的端部还连接一个万向节8，通过该万向节8可以与其它的检测装置相连接，从而将能够将本实施例提供的检测装置作为一个扩展模块插入其它装置，或者能够连接流体驱动旋转涡轮(可用于无动力时，依靠流体推动装置运动)或者管道清理装置，或者在本检测装置的基础上插入其它机构扩展功能，所述万向节的结构能够有效的提高装置在管道过弯性能。
[0038]
需要注意的就是，为了保证检测装置在待测管道内的过弯性能，需要限制所述装
置中连接主体1结构轴向长度l与待测管道内径d之间的关系：0.75d<l<1.65d。
[0039]
如图5
‑
图6所示，本实施例中检测探头3内包括两个在空间内交错分布但不接触的第一磁极31和第二磁极32，这两个磁极为u形磁极，第一磁极21和第二磁极32设置在一个封装套33内，所述第一磁极31和第二磁极32的两个足上均捆绑有线圈，一个足上的为激励线圈，另一个足上的为信号拾取线圈，所述激励线圈与连接主体内的电源相连通，所述信号拾取线圈与连接主体内的处理器相连接，这样可以给第一磁极31和第二磁极32同时充电，且能够进行信号处理。
[0040]
本实施例中中第一磁极和第二磁极优选但不限于u型磁极，其它形状上的磁极也行，只要能够实现当激励线圈通电之后，磁极与管道内壁之间产生闭合磁场，同时在信号拾取线圈产生感应电流即可，同时本实施例中的探头内磁极的数量不仅仅限于本实施例中的两个，也可以是多个，不少于两个，如果超过两个，在空间上要呈圆周均匀分布。
[0041]
如图7所示，本实施例中的驱动轮架主要包括驱动轮支撑座体41和活动支撑板42，其中驱动轮支撑座体41安装在第二轴体上，驱动轮支撑座体41与活动支撑板42之间通过驱动轮调节弹簧44相连接，所述驱动轮2通过轮架43固定在活动支撑板42上，这样在驱动轮运动过程中遇到管道直径缩小时，驱动轮调节弹簧受力收缩，驱动轮随着活动支撑板向直径变小方向运动，管道直径恢复时，驱动轮节弹簧回复原来状态，驱动轮随着活动支撑板向直径变大方向运动，实现了检测装置适应不同管道直径的变化，同时通过所述驱动轮调节弹簧能够保证驱动轮能够始终紧贴管道的内壁面。
[0042]
进一步地，本实施例中驱动轮调节弹簧内还设有支撑导向45，支撑导向柱放置在驱动轮调节弹簧内部，所述支撑柱导向柱的两端分别与驱动轮支撑座体和活动支撑板螺纹连接，且伸出一部分，这样若检测不同型号或者系列的工业管道，小范围调节时可通过螺纹结构调节支撑导向柱45的伸出长度，大范围调节时可通过调节支撑导向柱18高度及更换驱动轮调节弹簧44实现。
[0043]
所述驱动轮2为轮毂电机和橡胶轮胎的复合体，在对待测管道进行检测的时候，通过第一轴体内的电源提供动力，驱动轮毂电机的运动，从而带动驱动轮运动，所述驱动轮的轮胎采用大齿形结构，这样能够有效增加运动的阻力，放置驱动轮打滑。
[0044]
本实施例中的所述驱动轮结构最少应该为2个，且两个驱动轮结构沿连接主体结构轴向错开分布，以便于调整调节支撑导向柱18时不会产生干涉。
[0045]
进一步地，如图1所示，本实施例第一轴体的另一端还连接从动轮自动调节线圈4，所述从动轮自动调节线圈4的均匀设有若干个从动轮7，这些从动轮也是与管道的内壁相接触，所述从动轮自动调节线圈4受力能够产生变形沿着轮圈直径向内收缩或者向外扩张，这样在实施例中，当检测装置遇到管道变径的时候，从动轮能够将挤压力传递给从动轮自动调节线圈4，所述线圈4受力之后发生变形依然保证从动轮能够紧贴管道内壁。
[0046]
本实施例中的从动轮和探头的数量的选择为2n个，其中n≥2，具体数量根据工业场景选择。
[0047]
优选地，本实施例中所述从动轮调节轮圈4选用大弹性模量的聚氨酯材料，这样有利于从动轮调节轮圈4的变形。
[0048]
在本实施例中，所有检测管道内壁的从动轮、驱动轮和检测探头封装套材料均为橡胶或者聚氨酯，具有很好的耐磨性及弹性模型，能够很好的保护管道内壁，对焊缝起到很
好的保护作用。
[0049]
如图8
‑
图9所示，本实施例中支撑柱组件主要包括伸缩套筒51、弹簧套筒52以及导向套筒53，其中伸缩套筒51和弹簧套筒52相对接连接在一起，导向套筒53设置在伸缩套筒51的内部，伸缩套筒51、弹簧套筒52以及导向套筒53同轴设置，导向套筒53和伸缩套筒51的底部均固定在第一轴体上，弹簧套筒的顶部连接探头套筒54，所述探头套筒54上连接检测探头3。
[0050]
进一步地，在本实施例中的弹簧套筒52和导向套筒53的内部设有一根探头压缩弹簧55，该探头压缩弹簧55的顶部连接探头固定支撑座56，同时在弹簧套筒52的顶部向着套筒的中心向内延伸形成环形台，所述环形台的内径小于弹簧套筒的直径，这样可以通过所述环形台将探头固定支撑座56限制在弹簧套筒内不会滑出，所述检测探头3与探头固定支撑座56相连接，这样在本实施例中，检测探头结构在遇到管道直径减小时，探头向下压探头压缩弹簧55，探头压缩弹簧55受力收缩，伸缩套筒51收缩；管道直径增大时，探头压缩弹簧55伸张，伸缩套筒51伸张，探头向上扩大检测外径，实现不同管径的检测。
[0051]
本实施例中检测探头上封装套的也采用大弹性模型的聚氨酯材料，能够有效的避免对管道原有结构的破坏。
[0052]
优选地，本实施例中的所述导向套筒的长度大于伸缩套筒的无变形长度(自由态)，长出部分约为弹簧套筒的1/3左右，同时本实施例中的伸缩套筒的端部与弹簧套筒可拆卸连接，所述弹簧套筒采用大弹性模量材料。
[0053]
本实施例中所述检测探头的外部封装套为具有一定弹性模型和很好耐磨性的聚氨酯材料。
[0054]
下面详细说明一下基于上述一种管道内壁应力无损检测装置的检测方法，该方法包括如下过程：
[0055]
将所述连接主体放置到待测管道内，使得驱动轮在驱动轮支架上弹性件的作用下紧贴管道的内壁上，通过驱动轮控制连接主体在待测管道内移动；
[0056]
给检测探头内两个磁极上的激励线圈通交流电，在这两个磁极与管道内壁待测位置中产生闭合磁场，管道内待测位置的应力分布会改变磁场的分布，从而改变了通过信号拾取线圈的磁通，变化的磁通会在信号拾取内产生感应电流，通过所述两个磁极上感应电流的差值获得管道内壁的待测位置的主应力差，根据待测位置的主应力差和主应力方向角，可以根据下式获得待测位置的应力数值，从而实现应力无损检测。
[0057]
需要说明的就是，根据检测电流与主应力差关系：
[0058]
σ1‑
σ2＝f1(i1,i2)
[0059]
主应力方向角：θ＝f2(i1,i2)
[0060]
根据各点主应力差和主应力方向角，可以根据下式获得不同点的应力数值：
[0061][0062]
(σ
y
)
p
＝(σ
x
)
p
‑
(σ1‑
σ2)
p
cos(2θ
p
)
[0063]
[0064]
进一步地，在检测的过程中，可以通过调节检测探头激励线圈的励磁频率，获得沿管径方向不同深度的探头输出电流值，检测深度与电流频率之间关系：
[0065][0066]
其中，μ
r
为相对磁导率，ρ(ω
·
cm)为电阻率。
[0067]
然后计算获得不同层深的应力加权平均值。
[0068][0069]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
[0070]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。