CN110967405A - 一种杆件载荷性能无损测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种杆件载荷性能无损测试装置，包括超声测试模块和智能分析与输出模块。超声测试模块用于向杆件中加载超声波，利用超声波的声弹性原理而得到杆件的应力，进而得到杆件的实际载荷数据。智能输出与分析模块与超声测试模块相连接，用于获得杆件的实际载荷数据并进行显示、在杆件的实际载荷数据异常时报警。本发明利用声弹性原理，能够方便、快捷、高效地对杆件进行无损测试，以获得杆件的载荷，其安全性较高，适用范围广，测试精度高。

Description

一种杆件载荷性能无损测试装置
技术领域
本发明属于杆件载荷测试技术领域，具体涉及一种杆件载荷性能无损测试装置。
背景技术
管道支吊架一般可以分为如附图2所示的变力弹簧支吊架2(类似于普通弹簧，越压缩，荷载越大)、如附图3所示的恒力弹簧支吊架3(随着弹簧压缩或回弹，恒力弹簧支吊架提供的荷载保持不变)、如附图1所示的各种约束的刚性吊架1(限制各向的位移，如刚性拉杆等)，其中变力弹簧支吊架与恒力弹簧支吊架统称为弹性吊架。管道支吊架的主要功能是承载管道的重量、控制管道的热位移和限制管道的振动，其中主要部件为杆件。管道支吊架的荷载是否符合设计要求，直接关系到高温高压管道的应力状态、管系能否安全运行，因此需要对管道支吊架的载荷，即其杆件的载荷进行测试，消除存在的安全隐患。
目前获知管道支吊架荷载性能的无损测试方法主要有弹性支吊架刻度铭牌直接读取法、现场应变测试法(应变法)、现场振动频率测试法(振动频率法)、X射线法等。
1、铭牌读取法
目前管道支吊架安装时，安装单位仅仅将支吊架安装完毕后，再解除临时固定装置，即完成安装。对于变力弹簧吊架，依据弹簧刻度牌来推测弹簧荷载，误差极大；对于恒力弹簧吊架，由于只有位移指针，没有荷载指示牌，无法得知实际荷载；对于各向约束等刚性部件，没有荷载指示，无法得知实际荷载。因此支吊架安装完毕后，吊架的实际荷载是根据经验进行推测，无法准确获知其实际荷载。
2、应变法
应变法需要对测试部件，一般为支吊架的拉杆上安装应变片或应变计，并连接相应电路等设备，配合手拉葫芦等对支吊架进行载荷加载和卸载。通过测量被测物体的变形来换算成杆件荷载。由于应力应变测量技术只能够测量两个状态的变化量，因此为实测吊架荷载，但由于需要一定的辅助设备对支吊架进行加卸载，该方法一般在力学实验室应用较多，而在大荷载和现场测试时，加卸载极为不便，测试工作量及配合工作量巨大，而且效率较低，无法大面积实施。
而且，采用应力应变测量技术进行吊架荷载测试需要复杂的辅助工器具进行加卸载。现场常采用多个手拉葫芦辅助的方法。即一个手拉葫芦固定管道(防止试验时发生意外，造成管道冲击)，另外一个或两个手拉葫芦根据实际情况固定在支吊架上，进行支吊架加载与卸载。由于手拉葫芦不可避免与拉杆相碰，因此对测试结果不可避免的产生不利影响。
3、振动频率法
由振动的动力学理论可知，拉杆应力变化将引起拉杆固有频率的变化。理论上通过测量拉杆的固有频率(如敲击法)来计算拉杆应力，进而得出拉杆的荷载。但在实际应用时，振动频率法需要测试拉杆在工作状态下的自振频率，但支吊架拉杆的头尾结构较多、拉杆中间存在连接件或花篮螺丝，振动频率受约束形式等其他因素影响较大，测试精度较差，现较少使用。
4、X射线法
X射线法是根据衍射线的角度、形状、强度变化来测定材料表层微小区域的应力。由于需要X射线，因此测试设备较大且昂贵，仅能测试表层应力，测试误差约为10MPa，精度不高。同时X射线带来的放射性安全问题也限制了现场应用，危险性较高，一般不采用。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够便捷、高效、安全地对杆件载荷进行无损测试的装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种杆件载荷性能无损测试装置，用于对杆件的载荷进行无损测试，所述杆件载荷性能无损测试装置包括：
超声测试模块，所述超声测试模块用于向所述杆件中加载超声波，利用所述超声波的声弹性原理而得到所述杆件的应力，进而得到所述杆件的实际载荷数据；
智能分析与输出模块，所述智能输出与分析模块与所述超声测试模块相连接，用于获得所述杆件的实际载荷数据并进行显示、在所述杆件的实际载荷数据异常时报警。
优选的，所述超声测试模块包括：
横纵波换能器，所述横纵波换能器用于向所述杆件中加载超声波，所述超声波包括超声波横波和/或超声波纵波；
接收器，所述接收器用于接收所述杆件内的超声波回波；
数据采集装置，所述数据采集装置分别与所述横纵波换能器、所述接收器相连接，用于基于所述横纵波换能器加载的超声波、所述接收器接收的超声波回波计算超声波在所述杆件中传播的渡越时间或声时差，进而依次得到所述杆件的应力、所述杆件的实际载荷数据。
优选的，所述数据采集装置依据所述超声波在所述杆件中传播的渡越时间或声时差计算所述超声波在所述杆件中的传播速度，进而依据所述超声波的声弹性原理计算所述杆件的应力；
或者
预先在所述数据采集装置中预存所述超声波在所述杆件中传播的渡越时间或声时差与所述杆件的应力之间的对应曲线，从而所述数据采集装置通过所述对应曲线获得所述杆件的应力。
优选的，所述智能分析与输出模块包括：
显示单元，所述显示单元用于显示所述杆件的实际载荷数据；
报警单元，所述报警单元用于判断所述杆件的实际载荷数据是否异常，并在所述杆件的实际载荷数据异常时报警。
优选的，所述智能分析与输出模块还包括：
存储单元，所述存储单元用于存储所述杆件的实际载荷数据。
优选的，所述智能分析与输出模块还包括：
故障类型判断单元，所述故障类型判断单元集成有测试异常数据的特征库，用于基于所述杆件的实际载荷数据，结合所述测试异常数据的特征库判断故障类型；
所述显示单元还用于显示故障类型。
所述智能分析与输出模块还包括：
数据传输单元，所述数据传输单元用于将所述杆件的实际载荷数据上传至计算机或远程服务中心。
所述数据传输单元包括：
数据接口，所述数据接口直连所述计算机，用于将所述杆件的实际载荷数据上传至所述计算机；
和/或
通信模块，所述通信模块连接所述远程服务中心，用于将所述杆件的实际载荷数据上传至所述远程服务中心。
优选的，所述通信模块为有线通信模块或无线通信模块。
优选的，所述横纵波换能器、所述接收器均连接在所述杆件的端部，所述数据采集装置通过数据线与所述横纵波换能器、所述接收器相连接。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明利用声弹性原理，能够方便、快捷、高效地对杆件进行无损测试，以获得杆件的载荷，其安全性较高，适用范围广，测试精度高。
附图说明
附图1为现有的刚性吊架的示意图。
附图2为现有的变力弹簧支吊架的示意图。
附图3为现有的恒力弹簧支吊架的示意图。
附图4为本发明的杆件载荷性能无损测试装置安装在支吊架上的示意图。
附图5为本发明的杆件载荷性能无损测试装置的放大示意图。
以上附图中：1、刚性吊架；2、变力弹簧支吊架；3、恒力弹簧支吊架；4、横纵波换能器；5、接收器；6、数据采集装置；7、智能分析与输出模块；8、杆件载荷性能无损测试装置；9、杆件。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：如附图4和附图5所示，一种杆件载荷性能无损测试装置8，包括超声测试模块和智能分析与输出模块7。
超声测试模块与待测的杆件9相连接，用于向杆件9中加载超声波，并利用超声波的声弹性原理而得到杆件9的应力，进而得到杆件9的实际载荷数据。
超声测试模块包括横纵波换能器4、接收器5和数据采集装置6。横纵波换能器4、接收器5均连接在杆件9的端部，且二者可以集成，数据采集装置6通过数据线分别与横纵波换能器4、接收器5相连接。横纵波换能器4用于向杆件9中加载超声波，所加载的超声波包括超声波横波和/或超声波纵波。接收器5用于接收杆件9内的超声波回波。而数据采集装置6用于基于横纵波换能器4加载的超声波、接收器5接收的超声波回波计算超声波在杆件9中传播的渡越时间或声时差，进而依次得到杆件9的应力、杆件9的实际载荷数据。通常，在已知杆件9长度时，利用横纵波换能器4加载超声波横波或超声波纵波，数据采集装置6依据超声波在杆件9中传播的渡越时间来得到杆件9的应力。若未知杆件9长度，则利用横纵波换能器4加载超声波横波和超声波纵波，数据采集装置6依据两种超声波的声时差来得到杆件9的应力。
数据采集装置6装载相应软件，可以通过以下方式之一来获得杆件9的应力：
方式一：数据采集装置6依据超声波在杆件9中传播的渡越时间或声时差计算超声波在杆件9中的传播速度，进而依据超声波的声弹性原理计算杆件9的应力。
声弹性原理为，在各项同性材料中，超声波波速随应力状态变化而改变的现象。当纵波在固体中传播时，其波速与应力关系为：
Figure BDA0002293245060000051
其中，υ为实际状态下超声纵波波速，ρ0为被测物体的密度，λ、μ为材料的二阶弹性常数，l、m为材料的三阶弹性常数，σ为应力。
由此，通过精确测量超声波的声时或声时差，以及杆件9长度，就可以计算出杆件9的轴向应力，从而得到杆件9的实际荷载。
方式二：预先在数据采集装置6中预存超声波在杆件9中传播的渡越时间或声时差与杆件9的应力之间的对应曲线，从而数据采集装置6通过对应曲线获得杆件9的应力。上述曲线实际也是基于声弹性原理得到。
测量杆件9时，测试时间很短，温度变化引起的长度变化可以忽略不计。
智能输出与分析模块与超声测试模块相连接，主要用于获得杆件9的实际载荷数据并进行显示、在杆件9的实际载荷数据异常时报警。因此，智能分析与输出模块7主要包括显示单元和报警单元。显示单元用于显示杆件9的实际载荷数据。报警单元用于判断杆件9的实际载荷数据是否异常，并在杆件9的实际载荷数据异常时报警(如声光报警)，以指导现场测试。
智能分析与输出模块7还可以包括其他功能，如存储功能、故障判断功能、数据传输功能等。因此本实施例中，智能分析与输出模块7还包括存储单元、故障类型判断单元、数据传输单元。存储单元用于存储杆件9的实际载荷数据。故障类型判断单元集成有测试异常数据的特征库，用于基于杆件9的实际载荷数据，结合测试异常数据的特征库判断故障类型。此时，显示单元还用于显示故障类型。数据传输单元用于将杆件9的实际载荷数据上传至计算机或远程服务中心。例如，数据传输单元包括数据接口和/或通信模块。数据接口直连计算机，用于将杆件9的实际载荷数据上传至计算机，供计算机进行进一步的数据处理。通信模块连接远程服务中心，用于将杆件9的实际载荷数据上传至远程服务中心。通信模块为有线通信模块或无线通信模块。
上述方案中，还可以采用多个超声测试模块组网，对多个杆件9进行同步载荷测试，根据测试结果，结合应力分析模型，对结构进行应力评估。
上述杆件载荷性能无损测试装置8可用于对杆件9的载荷进行无损测试，其具有以下优点：
1、测试结果与理论值相比，误差在3％以内，满足工程应用要求；
2、可快速、准确、便捷的测量杆件9实际荷载，直接指导生产现场；
3、对杆件9(如支吊架)的安装、检测及调整过程进行了量化，为支吊架全寿期规范化管理提供了数据支持；
4、无放射性危害，无需对杆件9进行加卸载，安全性高；
5、测试过程简单、快捷，效率高。
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 (10)

1.一种杆件载荷性能无损测试装置，用于对杆件的载荷进行无损测试，其特征在于：所述杆件载荷性能无损测试装置包括：
超声测试模块，所述超声测试模块用于向所述杆件中加载超声波，利用所述超声波的声弹性原理而得到所述杆件的应力，进而得到所述杆件的实际载荷数据；
智能分析与输出模块，所述智能输出与分析模块与所述超声测试模块相连接，用于获得所述杆件的实际载荷数据并进行显示、在所述杆件的实际载荷数据异常时报警。
2.根据权利要求1所述的一种杆件载荷性能无损测试装置，其特征在于：所述超声测试模块包括：
横纵波换能器，所述横纵波换能器用于向所述杆件中加载超声波，所述超声波包括超声波横波和/或超声波纵波；
接收器，所述接收器用于接收所述杆件内的超声波回波；
数据采集装置，所述数据采集装置分别与所述横纵波换能器、所述接收器相连接，用于基于所述横纵波换能器加载的超声波、所述接收器接收的超声波回波计算超声波在所述杆件中传播的渡越时间或声时差，进而依次得到所述杆件的应力、所述杆件的实际载荷数据。
3.根据权利要求2所述的一种杆件载荷性能无损测试装置，其特征在于：所述数据采集装置依据所述超声波在所述杆件中传播的渡越时间或声时差计算所述超声波在所述杆件中的传播速度，进而依据所述超声波的声弹性原理计算所述杆件的应力；
或者
预先在所述数据采集装置中预存所述超声波在所述杆件中传播的渡越时间或声时差与所述杆件的应力之间的对应曲线，从而所述数据采集装置通过所述对应曲线获得所述杆件的应力。
4.根据权利要求1所述的一种杆件载荷性能无损测试装置，其特征在于：所述智能分析与输出模块包括：
显示单元，所述显示单元用于显示所述杆件的实际载荷数据；
报警单元，所述报警单元用于判断所述杆件的实际载荷数据是否异常，并在所述杆件的实际载荷数据异常时报警。
5.根据权利要求4所述的一种杆件载荷性能无损测试装置，其特征在于：所述智能分析与输出模块还包括：
存储单元，所述存储单元用于存储所述杆件的实际载荷数据。
6.根据权利要求4所述的一种杆件载荷性能无损测试装置，其特征在于：所述智能分析与输出模块还包括：
故障类型判断单元，所述故障类型判断单元集成有测试异常数据的特征库，用于基于所述杆件的实际载荷数据，结合所述测试异常数据的特征库判断故障类型；
所述显示单元还用于显示故障类型。
7.根据权利要求4所述的一种杆件载荷性能无损测试装置，其特征在于：所述智能分析与输出模块还包括：
数据传输单元，所述数据传输单元用于将所述杆件的实际载荷数据上传至计算机或远程服务中心。
8.根据权利要求7所述的一种杆件载荷性能无损测试装置，其特征在于：所述数据传输单元包括：
数据接口，所述数据接口直连所述计算机，用于将所述杆件的实际载荷数据上传至所述计算机；
和/或
通信模块，所述通信模块连接所述远程服务中心，用于将所述杆件的实际载荷数据上传至所述远程服务中心。
9.根据权利要求8所述的一种杆件载荷性能无损测试装置，其特征在于：所述通信模块为有线通信模块或无线通信模块。
10.根据权利要求2所述的一种杆件载荷性能无损测试装置，其特征在于：所述横纵波换能器、所述接收器均连接在所述杆件的端部，所述数据采集装置通过数据线与所述横纵波换能器、所述接收器相连接。
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