输水钢管应力的控制方法、装置及存储介质与流程

1.本发明属于管道应力处理技术领域，具体涉及一种输水钢管应力的控制方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.管道结构广泛应用于给排水管道等工程领域。在其焊接制造过程中，产生的残余应力会影响焊接接头的塑性和韧性，降低管道的承载能力、疲劳强度、抗脆断能力和抗应力腐蚀开裂能力，甚至导致管道结构提前失效。另外，由于大部分部件是在厂家加工预制后到现场焊接组装完成，现场工作环境艰苦、恶劣，外界多种因素极易对钢结构焊接和装配造成不利影响，管道系统除了要承受自身工作的负重，还要承受地震、山体滑坡、暴雨、泥石流、洪水、山石等恶劣自然环境而产生的附加载荷，由于焊接区域应力集中程度高，再加上自然环境的突发载荷作用，经常会使其应力集中部位处于更危险的状态。
3.因此，如何实现输水钢管的应力控制成为目前业界亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的是提供一种输水钢管应力的控制方法、装置及存储介质，以解决现有技术无法实现输水钢管的应力控制的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
6.第一方面，本发明实施例提供了一种输水钢管应力的控制方法，所述方法包括：
7.监测所述输水钢管各部位的应力情况，确定高应力节点；
8.采用高能声束控制法对所述高应力节点的应力进行调整。
9.可选地，根据本发明一个实施例的输水钢管应力的控制方法，所述监测所述输水钢管各部位的应力情况，确定高应力节点，包括：
10.基于超声无损检测探头确定所述输水钢管各部位的应力值；
11.将各部位的应力值与预设阈值进行比较，以确定高应力节点。
12.可选地，根据本发明一个实施例的输水钢管应力的控制方法，所述基于超声无损检测探头确定所述输水钢管各部位的应力值，包括：
13.采用临界折射纵波检测方法，确定待检测部位的切向残余应力值；
14.采用体波检测方法，确定待检测部位的法向残余应力值。
15.可选地，根据本发明一个实施例的输水钢管应力的控制方法，所述采用临界折射纵波检测方法，确定待检测部位的切向残余应力值，包括：
16.确定沿所述待检测部位的表层传播的临界折射纵波的第一传输时间；
17.基于所述第一传输时间以及第一基准传输时间，确定所述待检测部位的切向残余应力值；
18.其中，所述第一基准传输时间是在已知应力的情况下，测得的沿所述待检测部位的表层传播的临界折射纵波的传输时间。
19.可选地，根据本发明一个实施例的输水钢管应力的控制方法，所述采用体波检测方法，确定待检测部位的法向残余应力值，包括：
20.确定传播方向沿应力方向的纵波的第二传输时间，以及传播方向沿应力方向，偏振方向垂直于应力方向的剪切波的第三传输时间；
21.基于所述第二传输时间、所述第三传输时间以及对应的第二基准传输时间和第三基准传输时间，确定所述待检测部位的法向残余应力值；
22.其中，所述第二基准传输时间是在已知应力的情况下，测得的传播方向沿应力方向的纵波的传输时间；所述第三基准传输时间是在已知应力的情况下，测得的传播方向沿应力方向，偏振方向垂直于应力方向的剪切波的传输时间。
23.可选地，根据本发明一个实施例的输水钢管应力的控制方法，所述采用高能声束控制法对所述高应力节点的应力进行调整，包括：
24.基于高能超声对残余应力的调控理论模型，对所述高应力节点的应力进行调整；其中，所述调控理论模型的表达式为：
[0025][0026]
式中，e为高能超声提供的高功率超声源距离为x的质元所获得的能量，质元体积为v0，起始声压为p0，密度为ρ0，超声波声速为c，声压振幅为a，c为常数，f为超声频率，f为各项异性因子，d为质元晶粒直径，k为热传导系数，cv为定容比热，c
ρ
为定压比热，u为质元振动速率，t为时间。
[0027]
可选地，根据本发明一个实施例的输水钢管应力的控制方法，所述超声无损检测探头设置于所述输水钢管的主应力方向。
[0028]
第二方面，本发明实施例提供了一种输水钢管应力的控制装置，所述装置包括：
[0029]
高应力节点确定模块，用于监测所述输水钢管各部位的应力情况，确定高应力节点；
[0030]
应力控制模块，用于采用高能声束控制法对所述高应力节点的应力进行调整。
[0031]
第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括处理器，存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序或指令，所述程序或指令被所述处理器执行时实现如第一方面所述的输水钢管应力的控制方法的步骤。
[0032]
第四方面，本发明实施例提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现如第一方面所述的输水钢管应力的控制方法的步骤。
[0033]
本发明实施例提供的输水钢管应力的控制方法、装置及存储介质，监测所述输水钢管各部位的应力情况，确定高应力节点，采用高能声束控制法对所述高应力节点的应力进行调整，能够对输水钢管的应力进行有效控制，避免输水钢管结构提前失效。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发
明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0035]
图1是本发明实施例提供的输水钢管应力的控制方法的流程示意图；
[0036]
图2是本发明实施例提供的临界折射纵波的产生原理示意图；
[0037]
图3是本发明实施例提供的临界折射纵波的传播方向示意图；
[0038]
图4是本发明实施例提供的超声无损检测探头的设置方向示意图之一；
[0039]
图5是本发明实施例提供的超声无损检测探头的设置方向示意图之二；
[0040]
图6是本发明实施例提供的超声无损检测探头的设置方向示意图之三；
[0041]
图7是本发明实施例提供的超声无损检测探头的设置方向示意图之四；
[0042]
图8是本发明实施例提供的超声无损检测探头的设置方向示意图之五；
[0043]
图9是本发明实施例提供的超声无损检测探头的设置方向示意图之六；
[0044]
图10是本发明实施例提供的输水钢管应力的控制装置的模块框图；
[0045]
图11为实现本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0046]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
[0048]
应理解，说明书中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。
[0049]
在本发明的各种实施例中，应理解，下述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
[0050]
此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0051]
下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本发明实施例提供的输水钢管应力的控制方法、装置及存储介质进行详细地说明。
[0052]
实施例1
[0053]
图1为本发明实施例提供的输水钢管应力的控制方法的流程示意图。如图1所示，所述方法包括：
[0054]
步骤101，监测所述输水钢管各部位的应力情况，确定高应力节点。
[0055]
具体来说，实时监测所述输水钢管各部位的应力情况，所述应力情况主要指残余应力情况，相应的，所述输水钢管各部位包括钢结构焊接热影响区和螺栓。所述高应力节点
通常指具有较大拉伸残余应力的部位，例如拉伸残余应力数值大于或等于高应力节点处材料屈服强度的1/4～1/3。可以理解的是，所述高应力节点的应力参考阈值可以根据实际情况进行调整，本发明实施例对其取值不作具体限定。
[0056]
步骤102，采用高能声束控制法对所述高应力节点的应力进行调整。
[0057]
具体来说，当检测到存在高应力节点时，则基于高能声束控制法对所述高应力节点的应力进行调整，以保证所述输水钢管的应力情况处于正常水平，避免输水钢管结构提前失效。
[0058]
本发明实施例提供的输水钢管应力的控制方法，监测所述输水钢管各部位的应力情况，确定高应力节点，采用高能声束控制法对所述高应力节点的应力进行调整，能够对输水钢管的应力进行有效控制，避免输水钢管结构提前失效。
[0059]
实施例2
[0060]
基于上述实施例，所述监测所述输水钢管各部位的应力情况，确定高应力节点，包括：
[0061]
基于超声无损检测探头确定所述输水钢管各部位的应力值；
[0062]
将各部位的应力值与预设阈值进行比较，以确定高应力节点。
[0063]
具体来说，通过超声无损检测探头向待检测部位发送超声波的方式测量所述输水钢管各部位的应力值。将各部位的应力值与预设阈值进行比较，以确定高应力节点。
[0064]
本发明实施例提供的输水钢管应力的控制方法，基于超声无损检测探头确定所述输水钢管各部位的应力值，将各部位的应力值与预设阈值进行比较，以确定高应力节点，能够准确确定高应力节点，保证后续应力控制的及时性和准确性。
[0065]
实施例3
[0066]
基于上述实施例，所述基于超声无损检测探头确定所述输水钢管各部位的应力值，包括：
[0067]
采用临界折射纵波检测方法，确定待检测部位的切向残余应力值；
[0068]
采用体波检测方法，确定待检测部位的法向残余应力值。
[0069]
具体来说，在工件内传播的超声波种类很多，按波形划分可分为：横渡、纵波、导波、表面波等。通过研究发现，沿着表层传播的纵波(即临界折射纵波，lcr波)对其传播方向上的应力最为敏感。因此，本发明实施例采用临界折射纵波法对待检测部位的切向残余应力值进行检测。
[0070]
根据snell定律，会有一入射角使折射纵波的折射角等于90
°
，这个角度称为第一临界角，第一临界角的计算公式如下所示：
[0071]
θ
cr
＝sin-1
(v0/v
l
)；
[0072]
其中,v0、v
l
为两种介质中超声纵波波速,θ
cr
为超声纵波在两种介质中传播的第一临界角,如图2所示为本发明实施例提供的临界折射纵波的产生原理示意图，lcr波沿试样表层传播，传播速度快、衰减小且信号分析定位相对简单。如图3所示为本发明实施例提供的临界折射纵波的传播方向示意图，当残余应力方向与纵波方向一致且超声换能器的间距固定时，拉应力使超声波传播速度变慢，传播时间延长；压应力使超声波传播速度加快，传播时间缩短；因此，若测得待检测部位中应力为0时的超声传播时间和待检测部位中应力为σ时的超声传播时间，即可根据两者时间差以及相应公式计算得到待检测部位的切向残余
应力值σ。
[0073]
当各向同性固体材料受到一个应力方向作用时，弹性波(纵波和剪切波)在材料中传播的声速和应力大小的关系式可以推导为：
[0074]
(1)沿着应力方向传播的纵波声速与应力的关系：
[0075][0076]
(2)传播方向沿应力方向，偏振方向垂直于应力方向的剪切波(即横波)声速与应力的关系：
[0077][0078]
其中，ρ0为材料密度，v
11
、v
12
分别为纵波声速和横波声速，λ、μ为二阶拉梅弹性常数，l、m和n为三阶默纳汉弹性常数，k0为弹性波应力系数，σ
11
为主应力。
[0079]
由于螺栓轴向尺寸变化影响超声波传播时间，从而极大的增大了检测误差，因此，须将超声横波与纵波相结合才能消除该影响因素。若已知零应力对应的体波传播时间和被测应力对应的体波传播时间，就可以根据时间差以及相应公式计算出待检测部位的法向残余应力值。
[0080]
本发明实施例提供的输水钢管应力的控制方法，采用临界折射纵波检测方法，确定待检测部位的切向残余应力值，采用体波检测方法，确定待检测部位的法向残余应力值，能够准确确定输水钢管各部位的应力值，保证后续应力控制的及时性和准确性。
[0081]
实施例4
[0082]
基于上述实施例，所述采用临界折射纵波检测方法，确定待检测部位的切向残余应力值，包括：
[0083]
确定沿所述待检测部位的表层传播的临界折射纵波的第一传输时间；
[0084]
基于所述第一传输时间以及第一基准传输时间，确定所述待检测部位的切向残余应力值；
[0085]
其中，所述第一基准传输时间是在已知应力的情况下，测得的沿所述待检测部位的表层传播的临界折射纵波的传输时间。
[0086]
具体来说，接前述实施例，若测得待检测部位中应力为0时的超声传播时间(即所述第一基准传输时间)和待检测部位中应力为σ时的超声传播时间(即所述第一传输时间)，即可根据两者时间差以及相应公式计算得到待检测部位的切向残余应力值σ。可以理解的是，所述第一基准传输时间可以为任意已知应力的情况下，测得的沿所述待检测部位的表层传播的临界折射纵波的传输时间，并不局限于应力为0的情况。
[0087]
所述计算公式具体为：
[0088]
σ＝σ0 k(t-t0)；
[0089]
其中，σ0为所述已知应力，t0为第一基准传输时间，t为第一传输时间，k为应力系数，其值由待检测部位材料种类和特性决定，可通过实验标定得到。σ为负值表示压应力，正值表示拉应力。
[0090]
本发明实施例提供的输水钢管应力的控制方法，确定沿所述待检测部位的表层传播的临界折射纵波的第一传输时间，基于所述第一传输时间以及第一基准传输时间，确定所述待检测部位的切向残余应力值，其中，所述第一基准传输时间是在已知应力的情况下，测得的沿所述待检测部位的表层传播的临界折射纵波的传输时间，能够准确高效确定待检测部位的切向残余应力值，保证后续应力控制的准确性和及时性。
[0091]
实施例5
[0092]
基于上述实施例，所述采用体波检测方法，确定待检测部位的法向残余应力值，包括：
[0093]
确定传播方向沿应力方向的纵波的第二传输时间，以及传播方向沿应力方向，偏振方向垂直于应力方向的剪切波的第三传输时间；
[0094]
基于所述第二传输时间、所述第三传输时间以及对应的第二基准传输时间和第三基准传输时间，确定所述待检测部位的法向残余应力值；
[0095]
其中，所述第二基准传输时间是在已知应力的情况下，测得的传播方向沿应力方向的纵波的传输时间；所述第三基准传输时间是在已知应力的情况下，测得的传播方向沿应力方向，偏振方向垂直于应力方向的剪切波的传输时间。
[0096]
具体来说，接前述实施例，若已知零应力对应的体波传播时间(即所述第二基准传输时间和第三基准传输时间)和被测应力对应的体波传播时间(即所述第二传输时间和第三传输时间)，就可以根据时间差以及相应公式计算出待检测部位的法向残余应力值。可以理解的是，所述第二基准传输时间可以为任意已知应力的情况下，测得的传播方向沿应力方向的纵波的传输时间，并不局限于应力为0的情况；同样的，第三基准传输时间可以为任意已知应力的情况下，测得的传播方向沿应力方向，偏振方向垂直于应力方向的剪切波的传输时间，并不局限于应力为0的情况。
[0097]
所述计算公式具体为：
[0098][0099]
其中，ε
l
、εs分别为纵波声弹性系数和横波声弹性系数，其是针对特定的换能器间距和被测材料通过标定得到的；t
l0
、t
s0
分别为0应力纵波和横波的声时，t
l
、ts分别为有应力纵波和横波的声时；σ为纵波和横波传播方向上的应力。
[0100]
本发明实施例提供的输水钢管应力的控制方法，确定传播方向沿应力方向的纵波的第二传输时间，以及传播方向沿应力方向，偏振方向垂直于应力方向的剪切波的第三传输时间，基于所述第二传输时间、所述第三传输时间以及对应的第二基准传输时间和第三基准传输时间，确定所述待检测部位的法向残余应力值，其中，所述第二基准传输时间是在已知应力的情况下，测得的传播方向沿应力方向的纵波的传输时间；所述第三基准传输时间是在已知应力的情况下，测得的传播方向沿应力方向，偏振方向垂直于应力方向的剪切波的传输时间，能够准确高效确定待检测部位的法向残余应力值，保证后续应力控制的准确性和及时性。
[0101]
实施例6
[0102]
基于上述实施例，所述采用高能声束控制法对所述高应力节点的应力进行调整，
包括：
[0103]
基于高能超声对残余应力的调控理论模型，对所述高应力节点的应力进行调整；其中，所述调控理论模型的表达式为：
[0104][0105]
式中，e为高能超声提供的高功率超声源距离为x的质元所获得的能量，质元体积为v0，起始声压为p0，密度为ρ0，超声波声速为c，声压振幅为a，c为常数，f为超声频率，f为各项异性因子，d为质元晶粒直径，k为热传导系数，cv为定容比热，c
ρ
为定压比热，u为质元振动速率，t为时间。
[0106]
具体来说，残余应力的本质是晶格弹性畸变，而晶格弹性畸变很大程度上是由晶格之间的约束力引起的，在试验现象的基础上，从残余应力存在和产生的本质出发，采用位错点阵模型，分析位错周围的约束力场与弹性波动之间的相互作用，给出高能超声对残余应力的调控理论模型。
[0107]
高能超声提供的高功率超声源距离为x的质元所获得的能量为：
[0108][0109]
式中，e为高能超声提供的高功率超声源距离为x的质元所获得的能量，质元体积为v0，起始声压为p0，密度为ρ0，超声波声速为c，声压振幅为a，c为常数，f为超声频率，f为各项异性因子，d为质元晶粒直径，k为热传导系数，cv为定容比热，c
ρ
为定压比热，u为质元振动速率，t为时间。
[0110]
高能超声提供金属内部质元的能量与金属材料本身的密度ρ0、材料的定容比热cv、定压比热c
ρ
等固有属性成正比，与超声在其内部传播的速度c成反比；同时，与超声本身提供的声压振幅a和频率f的平方成正比。当超声波提供给金属内部质元的能量大于晶格之间的约束力的势能时，金属内部的残余应力将得以释放。
[0111]
本发明实施例提供的输水钢管应力的控制方法，基于高能超声对残余应力的调控理论模型，对所述高应力节点的应力进行调整；其中，所述调控理论模型的表达式为：
[0112][0113]
能够对所述高应力节点的应力进行准确调整，避免输水钢管结构提前失效。
[0114]
实施例7
[0115]
基于上述实施例，所述超声无损检测探头设置于所述输水钢管的主应力方向。
[0116]
具体来说，放置探头的方向应尽可能沿着被测管道的主应力方向，被测管道的主应力方向可根据其使用状态、加工方法等进行初步判断。一般来讲，焊接热影响区域垂直于焊接方向的应力为主应力，即对于直焊缝，应检测周向应力；对于环焊接，应检测轴向应力；对于螺旋、三通和y形焊缝焊接残余应力，应检测垂直焊接方向应力。如图4-9为本发明实施例提供的超声无损检测探头的设置方向示意图，图中箭头为探头布置方向，a为焊缝。其中，
图4为直焊接对应的探头设置方向，图5为环焊接对应的探头设置方向，图6为三通焊接对应的探头设置方向，图7为法兰焊接对应的探头设置方向，图8为变壁厚焊接对应的探头设置方向，图9为y型焊接对应的探头设置方向。
[0117]
本发明实施例提供的输水钢管应力的控制方法，所述超声无损检测探头设置于所述输水钢管的主应力方向，能够保证所述输水管道各部位应力情况监测的准确性。
[0118]
实施例8
[0119]
图10为本发明实施例提供的输水钢管应力的控制装置的结构示意图，如图10所示，所述装置包括：
[0120]
高应力节点确定模块1001，用于监测所述输水钢管各部位的应力情况，确定高应力节点；
[0121]
应力控制模块1002，用于采用高能声束控制法对所述高应力节点的应力进行调整。
[0122]
具体来说，本发明实施例提供的输水钢管应力的控制装置，用于执行上述相应实施例中的方法，通过本实施例提供的输水钢管应力的控制装置执行上述相应实施例中所述方法的具体步骤与上述相应实施例相同，此处不再赘述。
[0123]
实施例8
[0124]
如图11所示，本发明实施例还提供一种电子设备，包括处理器1101，存储器1102，存储在存储器1102上并可在所述处理器1101上运行的程序或指令，该程序或指令被处理器1101执行时实现上述输水钢管应力的控制方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
[0125]
实施例9
[0126]
本发明实施例还提供一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有程序或指令，该程序或指令被处理器执行时实现上述输水钢管应力的控制方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
[0127]
其中，所述处理器为上述实施例中所述的电子设备中的处理器。所述可读存储介质，包括计算机可读存储介质，如计算机只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等。
[0128]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本发明实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。
[0129]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做
出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
[0130]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。