CN113375899B - 一种管束结构流致振动的应力应变测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管束结构流致振动应力应变测试方法，主要通过在测试管外壁粘贴应变片，连接引线走测试管内，从管束端部出线，在应变片和导线连接处进行密封，在导向引出段通过接插件密封连接至采集信号系统，通过普通应变片即可实现在流体冲刷环境下，管束结构应力应变的测量，同时具备测量管束结构周向和弯曲应变的能力。本发明采用先进胶封工艺保护传统应变片和管外导线免受长期流体冲刷和水压影响，具备短期或长期管束结构流致振动应力应变测试能力，能为管束结构分析提供重要参考数据。本发明针对性强，能明显降低测试成本，提高信号传输质量，是一种低成本、高可靠性的管束结构流致振动应力应变测试方法。

Description

一种管束结构流致振动的应力应变测试方法
技术领域
本发明属于管束结构流致振动测试领域，具体涉及一种管束结构流致振动的应力应变测试方法。
背景技术
管束结构通常应用场所为管壳式换热器，一般来说管内外流速快，设备换热效率越高，但流速过高可能引发管束结构出现流致振动现象，影响结构安全。
目前管束结构的测试有很多种类，单针对流致振动则包括很多方面，特别针对管束结构流致振动应力应变的测试，首先在行业内，未形成相应的技术规范，其次，关于管束结构流致振动应力应变的测试，存在诸多难点，如：管束结构测试所需应变片数目繁多，若采用大量昂贵防水型应变片，则达不到测试成本要求，而传统的应变片又无法承受长期水压和流体冲刷环境，测量可靠性差，无法保证测量数据的准确性；另一方面，应变片位于封闭压力容器内，其信号线与外部采集系统连接的密封问题也是一大难题。
所以，鉴于上述技术难点，应该设计一种能长期使用，可靠性高，能有效测得相应数据的方法。
发明内容
本发明提供的一种管束结构流致振动的应力应变测试方法，通过在管外粘贴应变片连接并密封，管束端部出线，接插件连接至采集信号系统的总体方案，可有效解决普通应变片无法在流体冲刷环境下测试信号的难题，降低测试成本，提高信号传输质量，是一种低成本、高可靠的管束结构流致振动应力应变测试方法。
本发明的技术方案如下：
一种管束结构流致振动的应力应变测试方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，根据管束结构形式，在试验件上确定应力应变测量点的位置和数目，其中，测量点主要选择位于管束结构的跨中位置处和流体冲刷速度较大的区域处，即应力应变水平较高的危险位置；
步骤二，在选为测量点的测试管外壁依次粘贴应变片，并在测试管的粘贴点附近打孔，将连接应变片的导线置入测试管内，再采用胶封工艺封装测试管外裸露的应变片和导线；对于多管并排管束结构，由于管数量多，一般不会全贴，一般选取若干层数的管粘贴应变片，总体上粘贴位置的选取根据前期有限元分析仿真结果和预计应力水平高位置决定；
步骤三，各应变片连接的导线分别从测试管的两端封头引出，并在外部的压力容器出入口通过接插件密封连接到外部信号采集系统，然后测试应变信号的传输是否正常，通过及时测试可保证外部压力容器封闭前各应变测量点的信号传输正常；
步骤四，管束结构进行整体封闭后，加水压测试，持续加压一定时间后检查接插件处的密封情况，确保密封正常（即水压试验，一般以最大工作压力的1.5倍开展水压试验，水压保持十分钟不下降即密封正常），否则应重新调整并重复步骤三中接插件的安装，再进行加水压后测试应变片信号，最后统计有效测量点的个数；
步骤五，加水压正常后，将试验件连入外部水循坏系统，所述信号采集系统连接正常后，开始进行不同流速工况下管束结构流致振动应力应变测试试验；其中，稳定工况的单次采集信号时长至少2min，每个工况的采集次数至少3次；
步骤六，测试完成后，统计分析应力应变结果，为后续管束结构的应力和疲劳分析提供数据输入。
所述步骤二中，应变片与导线的连接方式为半桥连接或全桥连接，尽量避免单片应变片直接连入电路，保证应变测试信号的可靠性，并且根据需要可在同一位置布置多个应变片，用于同时测量管束结构的周向应变和弯曲方向的应变。
所述步骤二中，为获取应变准确数据，应保证胶封工艺在流体冲刷环境下的可靠性，否则必须采用防水型应变片和导线，同时胶封工艺应为成熟工艺，可长期承受一定水压和流体冲刷，正式应用前应考核该工艺的适用性，包括长期浸泡和水压测试等。为了保证能满足长期浸泡和水压测试等，较优选择防水性应变片和导线。采用普通应变片在水下环境测试对于密封的要求相当高，测试前后压力容器内常充满水，测试时还存在一定压力，如密封措施不经过验证或不成熟，采用普通型应变片风险较大，正式测试前应变片失效的可能性大，但是本方法中密封措施到位情况下普通型应变片也适用。
所述步骤三中，选取接插件时：一方面需要保证信号连接正常可靠，另一方面需要满足密封要求，保证管束结构处于封闭的压力容器内，方便之后流致振动应力应变测试试验正常开展。
步骤四中，在方案设计阶段有考虑应变测点的冗余，水下环境的恶劣性加上管内引线等工艺的复杂程度，应变片一般会考虑10%左右的失效。因此，如果有效测量点个数和粘贴的测量点个数不一致，也为正常状况。
步骤五中，所述各种不同流速工况包括额定工况和多种阶梯式流量工况。额定工况就是以设计最大流速作为100%额定工况，阶梯式流量工况及即需包括20%、40%、60%、80%、100%、120%等多种阶梯式变化的流量工况。
所述步骤五中，本发明适用于各种不同流速工况下管束结构流致振动应力应变的测量，可测试工况、密封工艺和外部水循环系统功率的相关性。在不同流速工况下，压力容器内部压力存在一定变化，可测试传感器和接插件密封工艺的有效性，具体表现为传感器的测试过程的失效，压力容器接插件部位是否漏水等，此外外部水循环系统功率可提供的最大流速工况与压力容器结构尺寸相关，即水循环系统功率与流速工况的相关，理论上水循环系统可提供的最大流速需达到管束结构最大设计流速工况。
步骤六中，所述分析应力应变结果主要包括采集的不同流速工况下的响应测点的时域信号，后处理包括雨留计数法统计应变结果，应变时域信号的均方根值，峰峰值统计应变值。
本方法适用于形式多样的管束结构形式多样。所述管束结构可以是多根并排的直管或弯管，也可以是单根直管或弯管。在进行管束结构流致振动应力应变测试时，需避免外界环境干扰，保持稳定工况下测试应变数据，该稳定工况的条件至少包括外部水循环系统的流速稳定性控制、周围设备振动控制、冲击干扰的控制等。
本发明的有益效果如下：
本发明采用管外胶封和管内出线的应变片安装方式，能承受长期水压和流体冲刷环境，因此可以采用普通应变片即可准确测量管束结构流致振动的应变信号，不仅大幅度降低了试验运行成本，并且可根据需要测量管的弯曲和环向两个方向 应变，同时接插件的采用既保证信号传输质量又满足测试环境在封闭容器内进行的需求。
本发明为管束结构流致振动测试领域提供了一种低成本、高可靠、可行性强的管束结构流致振动应力应变测试方法，可为管束结构应力分析和疲劳寿命预测提供重要参考数据。
附图说明
图1是本发明的测试流程示意图。
图2是本发明的典型测量点布点示意图。
图3是本发明中应变片管外安装方式示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1所示，一种管束结构流致振动的应力应变测试方法，具体包括如下步骤：
步骤一，根据管束结构形式，在试验件上确定应力应变测量点的位置和数目，其中，测量点主要选择位于管束结构的跨中位置处和流体冲刷速度较大的区域处，即应力应变水平较高的危险位置，如图2所示，为典型的布点示意图；
步骤二，如图3所示，在选为测量点的测试管外壁依次粘贴应变片，并在测试管的粘贴点附近打孔，将连接应变片的导线置入测试管内，再采用胶封工艺封装测试管外裸露的应变片和导线；
步骤三，各应变片连接的导线分别从测试管的两端封头引出，并在外部的压力容器出入口通过接插件密封连接到外部信号采集系统，然后测试应变信号的传输是否正常，通过及时测试可保证外部压力容器封闭前各应变测量点的信号传输正常；
步骤四，管束结构进行整体封闭后，加水压测试，持续加压一定时间后检查接插件处的密封情况，确保密封正常，否则应重新调整并重复步骤三中接插件的安装，再进行加水压后测试应变片信号，最后统计有效测量点的个数；
步骤五，加水压正常后，将试验件连入外部水循坏系统，所述信号采集系统连接正常后，开始进行不同流速工况下管束结构流致振动应力应变测试试验；其中，稳定工况的单次采集信号时长至少2min，每个工况的采集次数至少3次；
步骤六，测试完成后，统计分析应力应变结果，为后续管束结构的应力和疲劳分析提供数据输入。
实施例2
在实施例1的基础上，所述应变片的连接方式应为半桥或全桥连接，尽量避免单片应变片直接连入电路，保证应变测试信号的可靠性，并且根据需要可在同一位置布置多个应变片同时测量管束周向和弯曲两个方向应变。
进一步的，为获取应变准确数据，应保证胶封工艺在流体冲刷环境下的可靠性，可以选择普通的应变片和导向。否则，必须采用防水型应变片和导线，结合成熟的封胶工艺，以确保能长期承受一定水压和流体冲刷。
不论，采用哪种材质和结构，都需要在正式应用前考核该工艺的适用性，包括长期浸泡和水压测试等。
实施例3
在实施例1或2的基础上，步骤三中选择接插件时，必须满足：1、保证信号连接正常可靠，2、满足密封要求，保证管束结构处于封闭压力容器内，方便之后流致振动应力应变测试试验正常开展。
综合上述系统的特征，本发明适用于各种不同流速工况下管束结构流致振动应力应变的测量，可测试工况与密封工艺和外部水循环系统功率相关。在进行 管束结构流致振动应力应变测试时，需避免外界环境干扰，保持稳定工况下测试应变数据，包括外部水循环系统流速稳定性控制、周围设备振动、冲击干扰等。

Claims (5)

1.一种管束结构流致振动的应力应变测试方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，根据管束结构形式，在试验件上确定应力应变测量点的位置和数目，其中，测量点主要选择位于管束结构的跨中位置处和流体冲刷速度较大的区域处，即应力应变水平较高的危险位置；
步骤二，在选为测量点的测试管外壁依次粘贴应变片，并在测试管的粘贴点附近打孔，将连接应变片的导线置入测试管内，再采用胶封工艺封装测试管外裸露的应变片和导线；
步骤三，各应变片连接的导线分别从测试管的两端封头引出，并在外部的压力容器出入口通过接插件密封连接到外部信号采集系统，然后测试应变信号的传输是否正常，通过及时测试可保证外部压力容器封闭前各应变测量点的信号传输正常；
步骤四，管束结构进行整体封闭后，加水压测试，持续加压一定时间后检查接插件处的密封情况，确保密封正常，否则应重新调整并重复步骤三中接插件的安装，再进行加水压后测试应变片信号，最后统计有效测量点的个数；
步骤五，加水压正常后，将试验件连入外部水循坏系统，所述信号采集系统连接正常后，开始进行不同流速工况下管束结构流致振动应力应变测试试验；其中，稳定工况的单次采集信号时长至少2min，每个工况的采集次数至少3次；
步骤六，测试完成后，统计分析应力应变结果，为后续管束结构的应力和疲劳分析提供数据输入；所述分析应力应变结果至少包括采集的不同流速工况下的响应测点的时域信号，后处理包括雨留计数法统计应变结果、应变时域信号的均方根值和峰峰值统计应变值。
2.根据权利要求1所述的种管束结构流致振动的应力应变测试方法，其特征在于：所述步骤二中，应变片与导线的连接方式为半桥连接或全桥连接。
3.根据权利要求2所述的种管束结构流致振动的应力应变测试方法，其特征在于：根据具体实际情况需要，可在同一位置布置多个应变片，用于同时测量管束结构的周向应变和弯曲方向的应变。
4.根据权利要求1所述的种管束结构流致振动的应力应变测试方法，其特征在于：所述步骤五中，所述各种不同流速工况包括额定工况和多种阶梯式流量工况。
5.根据权利要求1所述的种管束结构流致振动的应力应变测试方法，其特征在于：采用所述应力应变测试方法进行管束结构流致振动应力应变测试时，需保持稳定工况下进行，该稳定工况的条件至少包括外部水循环系统的流速稳定性控制、周围设备振动控制、冲击干扰的控制。
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