基于几何关系的焊接接头检验仪

（烟台市特种设备检验研究院，山东 烟台 265508）

一、设计背景

压力容器是一个组合体，是由焊接接头将各个部分连接在一起，焊接质量的好坏对压力容器的安全起着重大的作用，所以需要对焊缝的缺陷进行严格控制[1]。焊缝的错边量与棱角度超标是最常见的两个焊接接头表面缺陷。作为在制造过程中遗留下来的先天性缺陷，错边量和棱角度使焊缝的疲劳寿命明显下降，直接影响压力容器的制造质量和使用性能，并影响到安全使用，特别是在严重超标或焊缝中伴有其它缺陷时，需要对容器能否安全运行作出判断，并作出正确、合理的定级。根据GB150-2011《压力容器》的规定，检验压力容器纵焊缝棱角度的方法是，用弦长等于Di/6，且不小于300mm 的内样板（或外样板）检查[2]。要考虑不同规格的内径尺寸都需要配备一套匹配规格的样板，再加之随着样板的使用出现磨损等问题而进行的更换，增加了企业的成本。本文介绍的仪器可以根据待检工件的实际尺寸调节长度，代替固定尺寸的样板对焊接接头各参数进行测量。

二、仪器的原理

测量圆度和环向棱角度，都基于实际的弦高与理论弦高的差值来确定的；测量环向错变量是基于焊缝两侧实际的弦高的差值来确定的。对于一固定弦长，且已知圆的半径，利用勾股定理，就可以得出圆弧中心至该弦长中心的距离，而实际的圆弧中心至该弦长中心的距离可利用高精度传感器测出，两者之差即为圆度值或环向棱角度值，本设计就是基于几何关系，利用勾股定理来确定的。在本设计中用高精度距离传感器对准待测点，读取距离值后上传至计算器，由计算器内置的程序进行运算，自动得出架体中点距测量点的距离与设定数值的差值并在显示仪表上显示出来，由此可直观判断出接头棱角或筒体的圆度等是否符合标准规定。所述的设定数值，是计算器中储存的数值，通过输入直径、厚度等调取，是理论圆弧中心至该弦长中心的理论值。测量环向错变量时，用高精度距离传感器对准待测焊接接头一边，读取距离值后上传至计算器，再用高精度距离传感器对准待测焊接接头另一边，读取距离值后上传至计算器，然后求得两次距离之差值就得出错变量。

三、总体框架

本焊接接头尺寸及筒体圆度检验仪，包括一个带有刻度尺的架体，架体中部为安装区、两端为伸缩区，伸缩区的设置使得该仪器可以满足不同规格筒体的测量。在架体中部的安装区设有高精度位移传感器，高精度位移传感器外接计算器和显示仪表。

四、电气构架的实现

仪器的架体主要是提供一个具有标准规定弦长的支承，具有一定的刚度和耐磨性即可，剩下的问题就是要实现如何来获取并显示数据。本仪器采用的是高精度位移传感器和数字显示仪。

高精度位移传感器是本仪器的核心构件。在实际应用中，高精度位移传感器有好多种，分为电感式高精度位移传感器，电容式高精度位移传感器，光电式高精度位移传感器。本仪器选用光电式高精度位移传感器。光电式传感器是基于光电效应的传感器，光电转换元件在受到可见光照射后即产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，且光电测量时不与被测对象直接接触，光束的质量又近似为零，在测量中不存在摩擦和对被测对象几乎不施加压力，再加上高精度，高可靠性和反应快等特点，因此在许多应用场合，光电式传感器比其他传感器有明显的优越性，使得光电传感器在检测和控制领域获得了广泛的应用[3]。

检测的数据由高精度位移传感器采集，并径计算器作出分析后，需通过显示终端显示出数据。显示终端可以选取更加智能的控制面板，附带数据的自动判断功能，以使检验人员更加直观地判断检测结果。

五、仪器操作举例

（一） 测量筒体圆度

测量前，先对仪器进行调零，选择圆度测量按钮，然后在计算器中输入所测筒体的内径大小，并根据所测筒体的内径大小调节架体伸缩区的长度，并将架体垂直于筒体轴线方向，在筒体上慢慢滑动，高精度位移传感器不断地测量距离，计算器读取高精度位移传感器测定的数值，计算出架体的中点距测量点的距离，并与在计算器中设定的数值进行比较，进而确定筒体的圆度是否符合要求。

（二）测量筒体内焊接接头环向棱角

测量前，先对仪器进行调零，选择棱角测量按钮，然后在计算器中输入所测筒体的内径大小，并根据所测筒体的内径大小调节架体伸缩区的长度，并将架体垂直于焊缝方向，高精度位移传感器的指示灯指向所测部位，并测量距离，计算器读取高精度位移传感器测定的数值，计算出架体的中点距测量点的距离，并与在计算器中设定的数值进行比较，即求得筒体在该部位焊接接头的环向棱角值。

截至上文，基于几何关系的焊接接头尺寸及筒体圆度检验仪的总体设计、构架设计、组件选型以及仪器操作使用已径全部完成。该检验仪器在理论上完成了焊接接头尺寸及筒体圆度的检验检测，能够实现本设计的目的。

六、总结

基于几何关系的焊接接头尺寸及筒体圆度检验仪具有较高的灵敏度，能够满足实际检测要求，检测效率高，操作简单，对保证焊接接头尺寸及筒体圆度的检验质量有着重要的意义，将为锅炉压力容器制造企业以及检验机构节省大量的人力、物力，符合设计创新的目的。