CN101158610A - 一种动态测量锅炉吊杆负荷的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态测量锅炉吊杆负荷的方法和装置。它解决了目前锅炉吊杆的检测手段中的局限性，影响测量精度，给生产带来隐患等问题，具有结构简单，使用方便，测量精度高等优点。其方法为：1)确定待测杆件；2)用磁力座将加速计探头在杆件上，并将探头与装置的其他部分连接；3)将测量杆件数及各杆件长度、直径和设计载荷送入计算机内的GLDG锅炉吊杆拉力动测及数据管理程序，送入测量杆件数及各杆件长度、直径和设计载荷；4)设定测量参数；5)用橡皮锤激振依次对各杆件进行测量，数据自动存盘；6)利用计算机软件根据边界条件，通过杆件固有频率与拉力关系方程，完成对锅炉吊杆负荷的动态测量。

Description

一种动态测量锅炉吊杆负荷的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种动态测量锅炉吊杆负荷的方法和装置，属于工程力学技术领域。

背景技术

在电站锅炉中汽水管道和炉顶吊架是火电厂中重要的部件，必修确保它的安全运行，为此，设计单位进行了精心设计，如正确的选用钢材，合理的布置管线及吊架，严格准确地进行应力计算。除此之外，还需安装单位进行正确的安装和调整，否则合理设计的支吊架也不能保证管道的安全运行；在运行过程中还要合理地启停及检修(包括支吊架的运行及调整)，才能防止设备过早的出现损坏；试验人员还需要定期对设备进行检验和调整，及时发现不安全隐患。而调整和检修的关键是正确测量出这些吊架的受力。

目前用于锅炉拉杆负荷测量的方法有应变片法、弦振式应变计法和刻痕法等三种方法。这三种方法都是通过测量应变计算吊杆拉力，其前提是要知道不受力时吊杆应变值，通过应变增量获得吊杆拉力值。应变片法由于电厂锅炉安装周期通常要一年，应变仪漂移量及粘贴应变片的时效限制，在吊杆负荷调整中基本上不采用这个方法。弦振式应变计法中的弦振式应变计在锅炉安装的一开始就要焊于吊杆上，以获得初始的弦拉力(相当于初应变)，在锅炉安装及使用中要一直安装在吊杆上才能测得吊杆拉力，从这种意义上，调整1根吊杆需要1个弦振式应变计，经济消耗大，若开始安装吊杆的初始弦拉力不知道，则测出的仅是拉力增量，并非真正的吊杆拉力值。刻痕法需要在安装前在吊杆上刻两条线，给出线的标距。当吊杆承受拉力时，刻线间距离变化，若能测出距离变化就能得到吊杆拉力值，但测量刻线间距离需要高精度的仪器，并且仪器的安装也很难保证精度。刻线是有一定宽度的，刻线间距离变化，即变形量又很小，也很难保证变形的测量精度。

发明内容

本发明的目的就是为了解决目前锅炉吊杆的检测手段中的局限性，影响测量精度，给生产带来隐患等问题，提供一种结构简单，使用方便，测量精度高等优点的动态测量锅炉吊杆负荷的方法和装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种动态测量锅炉吊杆负荷装置，它包括测量频率用加速计探头，该探头与调理仪连接，调理仪则与波形数据采集箱连接，波形采集箱与计算机连接。

一种采用动态测量锅炉吊杆负荷装置的动态测量锅炉吊杆负荷的方法，它的方法为，

1)确定待测杆件；

2)用磁力座将加速计探头在杆件上，并将探头与装置的其他部分连接；

3)将测量杆件数及各杆件长度、直径和设计载荷送入计算机内的GLDG锅炉吊杆拉力动测及数据管理程序，送入测量杆件数及各杆件长度、直径和设计载荷；

4)设定测量参数；

分析频率：500Hz、200Hz、100Hz

FFT长度：1024、2048、4096

数据块数：1、2、4、8

电压范围：±10000mV、±1000mV、±100mV

触发方式：自由运行，正、负触发

校正因子：mV/EU  EU：m/s²

在同一作业中，可分别对不同吊杆进行不同的测量参数设置。

5)用橡皮锤激振依次对各杆件进行测量，数据自动存盘；

6)利用计算机软件根据边界条件，通过杆件固有频率与拉力关系方程，完成对锅炉吊杆负荷的动态测量。

所述步骤6)中，在铰支_铰支边界条件下，其固有频率ω_nr与拉力T方程为

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nr}}=\frac{r^2{\mathrm{\π}}^2}{l^2}\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{\mathrm{\ρ}}}\sqrt{1+\frac{{\mathrm{Tl}}^2}{r^2{\mathrm{\π}}^2\mathrm{EI}}}$

或

$T={\mathrm{\ρl}}^2\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nr}}^2}{{\mathrm{\π}}^2{r}^2}-\frac{r^2{\mathrm{\π}}^2\mathrm{EI}}{l^2}$

其中，r为拉杆半径，l为拉杆长度，EI为ρ和T的拉杆横向弯曲自由振动微分方程 $\mathrm{EI}\frac{{\∂}^{4}y}{{\∂x}^4}+\mathrm{\ρ}\frac{{\∂}^{2}y}{{\∂t}^2}-T\frac{{\∂}^{2}y}{{\∂x}^2}=0$ ，ρ-线密度，kg/m。

本发明的方法是在建立求解纵向受力直杆弯曲振动微分方程精确解的基础上，充分利用电脑进行数值解的速度，可以处理固支_固支、固支_铰支、铰支_铰支和弹性边界四种边界条件。敲击受拉吊杆激发其横向弯曲振动，利用吊杆拉力与固有频率的精确关系和优化算法，通过测量固有频率计算吊杆拉力的方法。

本发明的有益效果是：

动测法一目了然地看到部件中各杆的受力分布及其与设计拉力的差异，提示我们应调哪些吊杆，使部件中各杆受力均衡。

用引伸仪(属刻痕法)测变形调吊杆拉力，测一根吊杆拉力值需半天时间，动态测一根吊杆最多3分钟，测量8根吊杆包括架设仪器、采集数据和分析、绘制拉力统计表和拉力统计图以及收拾仪器，最多1个半小时。动态频率法比静态引伸仪法提高工效16倍。因此，动态测试具有快速的优点。

从传感器安装，动态法用磁力座将加速度计安装于吊杆上，与吊杆直径大小无关，而将引伸仪安装在吊杆上，实现牢固安装有一定困难；从测试角度，动态法是状态测量，而引伸仪静态法是过程测量，要记录从完全放松到拧紧螺母(加载)过程中，吊杆在引伸仪标距内的变形量。因此，从传感器安装和测试角度，动态法比静态法具有简便的优点。

动态法在测量中，可以自检测量的有效性，发现问题即时修正，直到拿出满意的结果为止，并且动态法测量重复性好。而静态法在测完后才能判断测试的有效性，从这个意义上，动态法还具有精度高、重复性好的优点。

概括起来，动态法具有快速、简便、重复性和精度高的优点。

附图说明

图1为本发明装置结构框图；

图2为杆长2.03m直径30mm，拉力-精确固有频率曲线；

图3为再热器中间入口吊杆HR8调前频谱；

图4为再热器中间入口吊杆HR8调后频谱；

图5为再热器中间入口吊杆调前拉力统计表；

图6再热器中间入口吊杆调前拉力统计图；

图7再热器中间入口吊杆调后拉力统计表；

图8再热器中间入口吊杆调后(调一次)拉力统计图。

其中，1.加速计，2.调理仪，3.波形采集箱，4.计算机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明装置包括测量频率用加速计探头1，该探头与调理仪2连接，调理仪2则与波形采集箱3连接，波形采集箱3与计算机4连接。计算机4内安装有数据处理软件，它含有波形频率和拉杆拉力值之间数据库，通过频率拉力方程可计算测试拉杆的拉力。

本发明的测量方法为：

一种采用动态测量锅炉吊杆负荷装置的动态测量锅炉吊杆负荷的方法，它的方法为，

1)确定待测杆件；

2)用磁力座将加速计探头在杆件上，并将探头与装置的其他部分连接；

3)将测量杆件数及各杆件长度、直径和设计载荷送入计算机内的GLDG锅炉吊杆拉力动测及数据管理程序，送入测量杆件数及各杆件长度、直径和设计载荷；

4)设定测量参数；

分析频率：500Hz、200Hz、100Hz

FFT长度：1024、2048、4096

数据块数：1、2、4、8

电压范围：±10000mV、±1000mV、±100mV

触发方式：自由运行，正、负触发

校正因子：mV/EU  EU：m/s²

在同一作业中，可分别对不同吊杆进行不同的测量参数设置。

5)用橡皮锤激振依次对各杆件进行测量，数据自动存盘；

6)利用计算机软件根据边界条件，通过杆件固有频率与拉力关系方程，完成对锅炉吊杆负荷的动态测量。

所述步骤6)中，在铰支一铰支边界条件下，其固有频率ω_nr与拉力T方程为

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nr}}=\frac{r^2{\mathrm{\π}}^2}{l^2}\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{\mathrm{\ρ}}}\sqrt{1+\frac{{\mathrm{Tl}}^2}{r^2{\mathrm{\π}}^2\mathrm{EI}}}$

或

$T={\mathrm{\ρl}}^2\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nr}}^2}{{\mathrm{\π}}^2{r}^2}-\frac{r^2{\mathrm{\π}}^2\mathrm{EI}}{l^2}$

其中，r为拉杆半径，l为拉杆长度，EI为ρ和T的拉杆横向弯曲自由振动微分方程 $\mathrm{EI}\frac{{\∂}^{4}y}{{\∂x}^4}+\mathrm{\ρ}\frac{{\∂}^{2}y}{{\∂t}^2}-T\frac{{\∂}^{2}y}{{\∂x}^2}=0,$ ρ-线密度，kg/m。

本发明的测量原理为：

动测法的基础是两端受力的直杆在不同拉力作用下其横向振动固有频率按一定规律变化。其原理如下：

拉杆横向弯曲自由振动微分方程：

$\mathrm{EI}\frac{{\∂}^{4}y}{{\∂x}^4}+\mathrm{\ρ}\frac{{\∂}^{2}y}{{\∂t}^2}-T\frac{{\∂}^{2}y}{{\∂x}^2}=0---\left(1\right)$

式中：ρ-线密度，kg/m

在适当边界条件下对方程(1)求解可建立固有频率与拉力关系。

常见边界条件有铰支_铰支、固支_铰支、固支_固支。

方程(1)的解可表为：

y(x，f)＝AX(x)sin(ω_nt+α)，

式中X是振型函数，将其代入式(1)得振型函数X(x)满足的方程为

$\mathrm{EI}\frac{d^{4}X}{{\mathrm{dx}}^4}-T\frac{d^{2}X}{{\mathrm{dx}}^2}={\mathrm{\ρp}}^{2}X---\left(2\right)$

该方程特征根为

${\mathrm{\λ}}_1=\sqrt{-\frac{{\mathrm{\β}}^2}{2}+\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}^4}{4}+k^4},}$ ${\mathrm{\λ}}_2=\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}^2}{2}+\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}^4}{4}}+k^4}---\left(3\right)$

$\mathrm{\β}=\sqrt{\frac{T}{\mathrm{EI}}},$ $k^4={\mathrm{\ω}}_n^2\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{EI}}---\left(4\right)$

方程(2)的解为

X(x)＝Asinλ₁x+Bcosλ₁x+Csinhλ₂x+Dcoshλ₂x    (5)

式中：A、B、C和D为待定常数。在给定边界条件下，由待定系数不全为零的条件得到频率方程，通过求解频率方程建立固有频率与拉力之间的关系。

铰支_铰支频率方程

sinλ1l＝0或 ${\mathrm{\λ}}_1=\frac{\mathrm{r\π}}{l}(r=\mathrm{1,2,3},...)---\left(6\right)$

由式(3)、(4)和式(6)可解出固有频率ω_nr，与拉力T的关系：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nr}}=\frac{r^2{\mathrm{\π}}^2}{l^2}\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{\mathrm{\ρ}}}\sqrt{1+\frac{{\mathrm{Tl}}^2}{r^2{\mathrm{\π}}^2\mathrm{EI}}}---\left(7\right)$

或

$T={\mathrm{\ρl}}^2\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nr}}^2}{{\mathrm{\π}}^2{r}^2}-\frac{r^2{\mathrm{\π}}^2\mathrm{EI}}{l^2}---\left(8\right)$

本发明研究建立的算法的基础是对于铰支_铰支条件，由式(7)根据拉力T及拉杆直径、长度和材料直接可以算出各阶固有频率。大量锅炉吊杆很难满足两端铰支的条件。其它各种边界条件下，对于给定的T超越方程(9)和(10)的解计算困难。为解之，首先根据上述的频率方程在给定杆件长度、直径和边界条件下，编制软件计算出一定范围的拉力变化相对应的前四阶精确的固有频率曲线(图2)。这就完成由拉力求频率的问题。然后通过优化算法，根据精确固有频率与测量频率加权平均相对误差取最小为目标函数以确定由测量频率计算出拉力值。

以现场测试的拉杆数据为例：

杆号	直径mm	杆长m	1阶Hz	2阶Hz	3阶Hz	4阶Hz	拉力kN	测量误差％
									1	6	3.97	13.9219.92	32.9632.96	61.28	98.88	31.531.4	1.061.45
2	6	3.97	12.7012.70	31.9831.98	60.30	98.39	21.321.0	0.750.05
									3	6	3.97	12.7012.70	32.2332.23	61.01	99.12	22.421.0	1.260.05
4	4	2.97	18.5518.55	44.4344.43	80.08	126.71	20.920.1	1.921.15
									5	4	2.97	18.0718.07	42.7242.72	76.90	121.09	17.517.5	0.150.14
6	4	2.97	16.1116.11	37.8437.84	75.44	120.61	10.19.2	2.982.68

本发明所用软件的GLDG程序是依据于直杆拉力与频率的理论关系式，并从测量频率计算吊杆拉力。从理论上，GLDG程序依据的拉力与频率关系是精确的解析解，但考虑测量频率的误差，把GLDG程序计算的吊杆拉力作为ANSYS的输入，应用有限元方法，在固支_固支边界条件下计算吊杆的固有频率，再将该计算值与测量的频率值作比较，若它们十分接近就可认定程序应用于吊杆拉力计算具有足够的精确度。从表中数据看到，有限元计算频率与测量频率极为接近，测试是有效的。

本发明的测试准则为：

(1)加速度计

加速度计用磁力座应牢固地安装于吊杆上，否则测量频谱峰值处会有分权现象，不易读出各阶固有频率。

加速度计安装位置应避开吊杆前四阶振型节点。对于两端固支_固支的吊杆，1阶振型无节点，2阶振型节点在杆中部，3阶振型节点分别在0.35和0.65杆长处，4阶振型节点分别位于0.28、0.5和0.72杆长处。现场的吊杆不易看到吊杆的全长，可采用试放加速度位置的方法进行试测频谱，使前四阶频率都出现。测到的是否是前四阶频率的一种简单判断方法就是视相邻阶的频差是逐渐增加的。

(2)敲击

敲击方向沿加速度计安装方向，即沿加速度计外壳轴线。敲击位置避开吊杆前四阶振型节点，在加速度计安装位置附近。

敲击力度要适中，切忌过大。通过放大倍率或程控放大设置，以力度小为宜。

对于带接头的吊杆，由於接头型号、自重、在不同平面的刚性和在吊杆上的位置都要影响固有频率数值。在相同拉力下，带接头的吊杆固有频率低于等长、等直径的无接头吊杆。但有限元计算和模型试验发现，沿接头最大刚性平面的弯曲振动固有频率更接近无接头吊杆的频率。因此，对于带接头的吊杆应沿接头最大刚性平面(面内)敲击，测得面内频率再加适当修正计算出带接头吊杆所承受的拉力。

(3)吊杆直径、长度和设计载荷在测试前应正确送入，并且现场核对，以便现场判断测试的有效性。

(4)场景观察和处理

观察待测吊杆是否穿过或靠着保温层、过楼板的吊杆是否接触楼板，若是应剥离保温层或不接触楼板。

图3-图8中，电厂炉顶再热器吊杆，对其中间一排带接头的吊杆(杆径64mm、杆长7.58m、接头位于杆中部)作了调整吊杆拉力的测量，验证了用动态测频法调整吊杆拉力的优点。

Claims (3)

1.一种动态测量锅炉吊杆负荷装置，其特征是：它包括测量频率用加速计探头，该探头与调理仪连接，调理仪则与波形采集箱连接，波形采集箱与计算机连接。

2.一种采用权利要求1所述动态测量锅炉吊杆负荷装置的动态测量锅炉吊杆负荷的方法，其特征是：它的方法为，

1)确定待测杆件；

2)用磁力座将加速计探头在杆件上，并将探头与装置的其他部分连接；

3)将测量杆件数及各杆件长度、直径和设计载荷送入计算机内的GLDG锅炉吊杆拉力动测及数据管理程序，送入测量杆件数及各杆件长度、直径和设计载荷；

4)设定测量参数；

5)用橡皮锤激振依次对各杆件进行测量，数据自动存盘；

6)利用计算机软件根据边界条件，通过杆件固有频率与拉力关系方程，完成对锅炉吊杆负荷的动态测量。

3.根据权利要求2所述的动态测量锅炉吊杆负荷的方法，其特征是：所述步骤6)中，在铰支_铰支边界条件下，其固有频率ω_nr与拉力T方程为

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nr}}=\frac{r^2{\mathrm{\π}}^2}{l^2}\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{\mathrm{\ρ}}}\sqrt{1+\frac{{\mathrm{Tl}}^2}{r^2{\mathrm{\π}}^2\mathrm{EI}}}$

或

$T={\mathrm{\ρl}}^2\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nr}}^2}{{\mathrm{\π}}^2{r}^2}-\frac{r^2{\mathrm{\π}}^2\mathrm{EI}}{l^2}$

其中，r为拉杆半径，l为拉杆长度，EI为ρ和T的拉杆横向弯曲自由振动微分方程 $\mathrm{EI}\frac{{\∂}^{4}y}{{\∂x}^4}+\mathrm{\ρ}\frac{{\∂}^{2}y}{{\∂t}^2}-T\frac{{\∂}^{2}y}{{\∂x}^2}=0$ ，ρ-线密度，kg/m。

Images