CN110307922B - 一种在役测量刚性吊架载荷的方法 - Google Patents

一种在役测量刚性吊架载荷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及管道支吊架技术领域，具体涉及一种在役测量刚性吊架载荷的方法，包括如下步骤：将刚性吊架的吊杆简化为两端简支的梁，假设吊杆承受的轴向拉力为T0，在吊杆的中点处施加横向剪力F，在T0和F的共同作用下吊杆发生弯曲变形，将变形后吊杆的绕曲线方程用w(x)表示，得到吊杆上任意点的绕度，得到对应于吊杆中点处的绕度
Figure DDA0002016378650000011
量化轴向拉力T0对吊杆弯曲变形的影响，推导处相应的影响因子，通过测量横向剪力F及其作用点处的绕度
Figure DDA0002016378650000012
反向推导得到吊杆的轴向拉力T0，T0即为所需测量的刚性吊架的载荷，本发明的方法简单易操作，具有足够高的测量精度，可以实现在役测量，且测量过程不会对管道造成影响。

Description

一种在役测量刚性吊架载荷的方法
技术领域
本发明涉及管道支吊架技术领域，具体涉及一种在役测量刚性吊架载荷的方法。
背景技术
汽水管道广泛运用于工业和电力行业中，其自身以及内部介质等重量均由支吊架承载。支吊架按其功能可以分为承载管道重量、限制管道位移以及控制管道振动三大类。而承载管道重量的支吊架又可以根据其形式分为变力弹簧吊架、恒力弹簧吊架、刚性吊架、固定支架、滑动支架等，其中的刚性吊架运用最为广泛。变力弹簧吊架和恒力弹簧吊架均设有供应商根据弹簧变刚度标示的载荷刻度，可以根据载荷刻度直接读出荷载大小。而刚性吊架由吊杆和简单的连接件构成，载荷作用时，吊杆的变形量极其微小，因此无法通过变形标示出载荷值。刚性吊架自管道安装以来就无法精准确定其具体承载的载荷，完全凭安装师傅的感觉收紧到一定程度。这使得管道的实际运行状态与其设计状态之间存在无法估量的偏差，严重影响管道及设备的安全运行及使用寿命。
现有用于粗略测量刚性吊架载荷的方法有两种，一是通过收紧螺母所需的力矩来大致推断刚性吊杆的载荷。在安装刚性吊架时，当吊杆已经承载之后，使转动螺母所需的力矩与螺母和吊杆螺纹之间因摩擦而产生的力矩相互平衡，从而可以推导出转动螺母的力矩与吊杆所承载的载荷之间的关系。二是安装之前在刚性吊杆上粘贴应变片，安装之后通过测量吊杆的应变来反推吊杆的载荷。吊杆承载时，吊杆的长度会因为受拉伸长，通过量化吊杆伸长量与所承载的载荷之间的关系，即可通过测量吊杆的伸长量得到吊杆所承载的载荷。
由于刚性吊架的吊杆螺纹以及螺母的加工精度有限，螺母与吊杆螺纹之间的摩擦系数很难界定，通过转动螺母所需的力矩来估计刚性吊架载荷的方法可信度极低。并且在运行一段时间之后，吊杆与螺母的螺纹往往会有不同程度的腐蚀，使得接触表面状态发生变化，导致其摩擦系数更加难以界定。采用该方法在线测量时，还需要收紧或放松螺母，这会导致吊杆载荷的变化，对管道不利。
采用应变测量刚性吊架载荷的方法由于需要测量载荷变化前后吊杆的变形量之差，因此应变片需要在安装之前贴上才能有效测量吊杆安装之后的载荷。而应变片的工作寿命有限，损坏之后若需继续测量吊杆载荷，则需将吊杆卸载之后贴上重新安装应变片，这对管道很不利且工作量大。
发明内容
本发明提供一种在役测量刚性吊架载荷的方法，可以在安装、调试及运行阶段无损地对刚性吊架载荷进行测量，测量简便且精确。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种在役测量刚性吊架载荷的方法，包括如下步骤：
(1)将刚性吊架的吊杆简化为两端简支的梁，假设吊杆承受的轴向拉力为T0，在吊杆的中点处施加横向剪力F，在T0和F的共同作用下吊杆发生弯曲变形，将变形后吊杆的绕曲线方程用w(x)表示，得到吊杆上任意点的绕度为：
Figure BDA0002016378630000021
上述式(1.1)中：
Figure BDA0002016378630000022
E为吊杆的弹性模量；
I为对应于弯曲变形方向的截面惯性矩；
L为吊杆的长度；
(2)对应于吊杆中点处的绕度
Figure BDA0002016378630000023
为：
Figure BDA0002016378630000024
上述式(1.2)中：
Figure BDA0002016378630000025
式(1.2)中的因子
Figure BDA0002016378630000031
表示只有横向剪力F作用时吊杆中间位置
Figure BDA0002016378630000032
处的绕度，因子
Figure BDA0002016378630000033
表示轴向拉力T0对吊杆弯曲变形的影响；
(3)定义
Figure BDA0002016378630000034
α为轴向拉力T0影响吊杆弯曲变形的影响因子，通过测量横向剪力F及其作用点处的绕度
Figure BDA0002016378630000035
反向推导得到吊杆的轴向拉力T0，T0即为所需测量的刚性吊架的载荷。
进一步的，通过查阅设计文件或进行现场实测得到吊杆的长度L。
进一步的，吊杆的截面惯性矩
Figure BDA0002016378630000036
其中，D为吊杆横截面的直径。
进一步的，步骤(3)中推导得到轴向拉力T0的方法具体包括如下步骤：
(S1)将刚性吊架吊杆的材料参数E、几何参数I和L代入影响因子α的表达式绘制出T0随α变化的曲线；
(S2)在吊杆中点位置施加垂直于吊杆的横向剪力F使吊杆发生弯曲变形，记录横向剪力F以及作用点处的绕度
Figure BDA0002016378630000037
(S3)将
Figure BDA0002016378630000038
和F代入式(1.1)得到影响因子α的数值；
(S4)通过步骤(S3)得到的α值并将其对应在步骤(S1)绘制的曲线中，得到吊杆的轴向拉力T0；
进一步的，步骤(S2)中，控制施加的横向剪力F进而控制弯曲变形程度，使
Figure BDA0002016378630000039
进一步的，在施加横向剪力F的过程中取一系列的T0值进行测量，通过拟合得到当F＝0时轴向拉力T0的值。
采用以上技术方案后，本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明的方法基于梁的纵横弯曲理论设计，测量过程中通过量化轴向拉力对吊杆弯曲变形的影响，推导出相应的影响因子，简单易操作，解决了刚性吊架载荷无法获取的问题。由于采用本发明的方法进行测量时需要的绕度很小，端部约束位置的转角也非常小，因此不会因为端部约束类型、摩擦等引起大的误差，可保证测量精度。在整个刚性吊架的使用过程中，吊杆的物理参数、几何参数几乎不会发生多大变化，不存在无法界定的参数，因而可在安装时也可以在运行过程中对吊杆载荷进行测量，测量过程不会对管道造成不良影响。
附图说明
附图1为本发明中刚性吊架的结构示意图；
附图2为本发明的吊杆在横向剪力和轴向拉力共同作用下发生变形的结构示意图。
其中，
100、刚性吊架；
1、吊杆；2、连接件；3、管夹；4、销轴；5、吊耳。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
参见附图1为刚性吊架100的结构示意图，刚性吊架100主要由吊杆1、连接件2、管夹3、螺母、垫片、销轴4等组装而成。吊杆1的上端通过垫片及螺母与生根钢结构连接或通过销轴4与吊耳5连接。垫片为半球形垫片，可保证吊杆1能小角度自由转动。吊杆1的下端通过销轴4与管夹3连接，管夹3用以支托管道。上述连接方式可保证刚性吊架100正常运行时只承受轴向拉力而不承受任何方向的弯矩作用。
为测量上述刚性吊架100的载荷，本发明的方法包括如下步骤：
(1)参见附图2所示，将刚性吊架100的吊杆1简化为两端简支的梁，假设吊杆1承受的轴向拉力为T0，在吊杆1的中点处施加横向剪力F，在T0和F的共同作用下吊杆1发生弯曲变形，将变形后吊杆1的绕曲线方程用w(x)表示，得到吊杆1上任意点的绕度为：
Figure BDA0002016378630000051
上述式(1.1)中：
Figure BDA0002016378630000052
E为吊杆1的弹性模量；
I为对应于弯曲变形方向的截面惯性矩；
L为吊杆1的长度，L可通过查阅设计文件或进行现场实测得到L。
优选的，吊杆1的截面为圆形，吊杆1的截面惯性矩
Figure BDA0002016378630000053
其中，D为吊杆1横截面的直径。
(2)对应于吊杆1中点处的绕度
Figure BDA0002016378630000054
为：
Figure BDA0002016378630000055
上述式(1.2)中：
Figure BDA0002016378630000056
式(1.2)中的因子
Figure BDA0002016378630000057
表示只有横向剪力F作用时吊杆1中间位置
Figure BDA0002016378630000058
处的绕度，因子
Figure BDA0002016378630000059
表示轴向拉力T0对吊杆1弯曲变形的影响。
(3)定义
Figure BDA00020163786300000510
α为轴向拉力T0影响吊杆1弯曲变形的影响因子，α与吊杆1材料的力学性能、几何尺寸以及吊杆1所承受的轴向拉力T0有关，通过测量横向剪力F及其作用点处的绕度
Figure BDA00020163786300000511
反向推导得到吊杆1的轴向拉力T0，T0即为所需测量的刚性吊架100的载荷。
具体包括如下步骤：
(S1)将刚性吊架100吊杆1的材料参数E、几何参数I和L代入影响因子α的表达式绘制出T0随α变化的曲线。
(S2)在吊杆1中点位置施加垂直于吊杆1的横向剪力F使吊杆1发生微小弯曲变形，通过控制施加的横向剪力F进而控制弯曲变形程度，使
Figure BDA0002016378630000061
记录横向剪力F以及作用点处的绕度
Figure BDA0002016378630000062
(S3)将
Figure BDA0002016378630000063
和F代入式(1.1)得到影响因子α的数值；
(S4)通过步骤(S3)得到的α值并将其对应在步骤(S1)绘制的曲线中，得到吊杆1的轴向拉力T0；
为提高测量精度，在施加横向剪力F的过程中取一系列的T0值进行测量，通过拟合得到当F＝0时轴向拉力T0的值。
本发明的式(1.1)给出了横向载荷作用在吊杆1中点时吊杆1任意位置处的绕度与轴向拉力及横向剪力的关系。测量点选择在x＝L/2的位置，可简化绕度公式，得到如(1.2)式的简化结果，使繁杂的计算变得简单化，且x＝L/2点的绕度最大，测量结果的误差也最小。
本发明的方法简单易操作，具有足够高的测量精度，不仅在管道安装调试阶段可以通过该方法精确测量刚性吊架100载荷，而且在管道在役运行过程中也可以随时测量刚性吊架100的工作载荷，且不会对管道造成不良影响。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种在役测量刚性吊架载荷的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将刚性吊架的吊杆简化为两端简支的梁，假设吊杆承受的轴向拉力为T0，在吊杆的中点处施加横向剪力F，在T0和F的共同作用下吊杆发生弯曲变形，将变形后吊杆的绕曲线方程用w(x)表示，得到吊杆上任意点的绕度为：
Figure FDA0002016378620000011
上述式(1.1)中：
Figure FDA0002016378620000012
E为吊杆的弹性模量；
I为对应于弯曲变形方向的截面惯性矩；
L为吊杆的长度；
(2)对应于吊杆中点处的绕度
Figure FDA0002016378620000013
为：
Figure FDA0002016378620000014
上述式(1.2)中：
Figure FDA0002016378620000015
式(1.2)中的因子
Figure FDA0002016378620000016
表示只有横向剪力F作用时吊杆中间位置
Figure FDA0002016378620000017
处的绕度，因子
Figure FDA0002016378620000018
表示轴向拉力T0对吊杆弯曲变形的影响；
(3)定义
Figure FDA0002016378620000019
α为轴向拉力T0影响吊杆弯曲变形的影响因子，通过测量横向剪力F及其作用点处的绕度
Figure FDA00020163786200000110
反向推导得到吊杆的轴向拉力T0，T0即为所需测量的刚性吊架的载荷。
2.根据权利要求1所述的一种在役测量刚性吊架载荷的方法，其特征在于：通过查阅设计文件或进行现场实测得到吊杆的长度L。
3.根据权利要求1所述的一种在役测量刚性吊架载荷的方法，其特征在于：吊杆的截面惯性矩
Figure FDA0002016378620000021
其中，D为吊杆横截面的直径。
4.根据权利要求1所述的一种在役测量刚性吊架载荷的方法，其特征在于，步骤(3)中推导得到轴向拉力T0的方法具体包括如下步骤：
(S1)将刚性吊架吊杆的材料参数E、几何参数I和L代入影响因子α的表达式绘制出T0随α变化的曲线；
(S2)在吊杆中点位置施加垂直于吊杆的横向剪力F使吊杆发生弯曲变形，记录横向剪力F以及作用点处的绕度
Figure FDA0002016378620000022
(S3)将
Figure FDA0002016378620000023
和F代入式(1.1)得到影响因子α的数值；
(S4)通过步骤(S3)得到的α值并将其对应在步骤(S1)绘制的曲线中，得到吊杆的轴向拉力T0；
5.根据权利要求4所述的一种在役测量刚性吊架载荷的方法，其特征在于：步骤(S2)中，控制施加的横向剪力F进而控制弯曲变形程度，使
Figure FDA0002016378620000024
6.根据权利要求4所述的一种在役测量刚性吊架载荷的方法，其特征在于：在施加横向剪力F的过程中取一系列的T0值进行测量，通过拟合得到当F＝0时轴向拉力T0的值。
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