CN113390607A - 一种管束结构流致振动的非接触位移测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管束结构流致振动的非接触位移测试方法，本方法合理地选择管束结构管支撑处作为测点，然后在测点设置相应的可以实现非接触式测量的位移传感器，通过位移传感器准确测得测点在液体冲刷环境下的切向和法向位移，通过分析得到的位移数据，根据相关理论公式计算管的体积磨损率，进行管的磨损量及预期寿命的预测，同时为管束结构的微动磨损试验提供数据输入。本发明是一种易实施，测量精度高，可靠性高的非接触式位移测量方法。

Description

一种管束结构流致振动的非接触位移测试方法
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非接触位移测试方法。
背景技术
管束结构通常应用场所为管壳式换热器，即管内外不同温度流体的换热，一般来说流速越快，换热效率越高，但流速过高可能产生流致振动，影响安全性能，换热器分为管程和壳程，属于压力容器。在化工能源，发电领域应用广泛，一般包括管板、壳体、管束、折流板、封头等部件，管束结构作为管侧，在外面加上外壳密封成压力容器。
因为管束结构在流体的激励下会诱发振动，此时管与管支撑板处也会发生切向和法向的相对移动，虽然两者之间相对位移很小，但长期的流致振动作用和两者材料力学性能的差异性，有可能会发生管束磨损破坏现场，从而导致严重后果。因此有必要给出管束结构的服役年限，确保在使用寿命范围内不会出现管磨破现象。
当前采用的解决方法，是通过试验测量得到管支撑处的相对位移量，然后以此开展管的微动磨损试验或进行相关理论模型计算，从而得到使用寿命数据。
然而，针对管支撑处位移量的测量，目前本领域内尚未形成统一标准。但是，本领域技术人员都知晓在流体冲刷这种恶劣测试环境下，进行流致振动的管束结构位移测量是相当困难的，因为需要考虑长期最大测试流速下位移传感器的稳定性能，所以必须从测试成本和测试精度两个方面去考虑，但是并没有可依据参考。
综合考虑以上因素，因此需要提出可行性高、可实现水下测量、精度高的非接触式位移测量方法，具备同时测量管束结构管支撑处切向和法向位移的能力。
发明内容
本发明提供的一种管束结构流致振动的非接触位移测试方法，能够实现流体冲刷环境下管束结构管支撑处切向和法向位移的非接触式测量，不仅易实施，而且测量精度高，可靠性高，为微动磨损试验领域提供了先进可靠的位移测量方法。
本发明的技术方案如下：
一种管束结构流致振动的非接触位移测试方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，考虑管束结构形式，在试验件上选取预期位移较大的测试管的支撑板处作为测点，通常情况下流速较大或管跨距较长的跨中位置为位移较大的区域；其中，所述测点至少包括入口流速大的支撑板处和跨距长的跨中位置的支撑板处；
步骤二，在选择作为测点的测试管外壁安装位移传感器，信号连接线分别从非测试管内引出并与位移传感器连接；
步骤三，在管束结构的端部，从非测试管引出的传感器的各信号连接线均通过接插件密封连接至信号采集系统，配合测试验证信号传输是否正常；
步骤四，封闭管束结构后，持续加水压一段时间，检查接插件密封效果，并测试加水压后的位移传感器信号；
步骤五，当接插件密封效果达到预期效果，且水压测试正常后，将试验件置于测试台架上，连入水循环系统，并测试不同流速工况下，作为测点的各支撑板处的位移，每次采集时间至少2min，每种工况的重复次数至少5次；其中，流速工况大小与试验要求的流速有关，一般按照额定流速为100％计算，有20％，40％。60％，80％，100％，120％等等多种工况；
步骤六，测试完成后，分析得到位移数据，根据相关理论公式计算管的体积磨损率，可以得到测试管的服役期限，同时为管束结构的微动磨损试验提供数据输入；其中，位移数据包括不同流速冲刷下测试管位置的X和Y向位移、导出采集时间内的时域信号值、处理成有效值或均方根值等，作为后续计算的输入数据。
所述相关理论公式如下：
Figure BDA0003066579100000021
WN为磨损功率(W)；m为单位长度质量(kg/m)；L为跨距(m)；f为固有频率(Hz)；Yrms为振动引起的位移(m)；ζ为模态阻尼；u为摩擦系数。
所述位移传感器通过支架安装固定于测试管的外壁上，安装固定后，进行防水密封。
所述位移传感器可以采用电涡流位移传感器，通过电涡流位移传感器的安装，能利用电涡流位移传感器直接非接触测量得到支撑处的位移。
进一步的，在每个测点处均安装两个电涡流位移传感器。
进一步的，每个测点的两个电涡流位移传感器的轴线相互垂直，且两个电涡流位移传感器的轴线均须与测试管的轴线相交。
进一步的，可以将两个电涡流位移传感器布置于测试管的同一截面上。
通过上述结构的布置和安装，每个测点的位移通过两个电涡流位移传感器，即可非接触同时测量切向和法向的位移量。
步骤五中，所述水压测试正常是指试验件安装完成后，在管束结构形成的压力容器内部加水压(水压大小与压力容器设计需求的压力有关)，如设计要求压力容器需承受最大工作压力0.5MPa，则需以其最大工作压力的1.5倍作为试验压力，持续加水压10min，压力不下降或压力容器表面不泄露即为通过水压测试。
所述步骤六中，在分析得到的位移数据中，在稳定工况下，通过电涡流位移传感器采集到的位移最大值为输出值。这里需注意的是，测试过程中需等流量控制稳定后再进行采集信号工作，信号分析过程中也应注意排除明显外界干扰的无效信号，选取稳定的信号进行分析。
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，均适合本方法的位移测量。一般情况下，利用管束结构中的某一根管放置信号连接线即可，如果是单管测试也可利用自身管道引线，因为水环境下密闭容器中试验，外置导线或另外加非测试结构容易影响试验流场分布，从而影响试验结果。
本发明的有益效果如下：
本发明能够实现在流体冲刷环境下，管束结构支撑处的切向和法向位移的非接触式测量，根据测量分析得到某个测试管与支撑板处产生的位移计算管的体积磨损率，从而可以有效预测管的使用寿命，为管束结构的微动磨损试验提供切向和法向输入位移，确保管在使用寿命范围内正常工作，不会出现管磨破现象。本发明测量精度高，实施难度低，可靠性高，能为微动磨损试验领域提高相应的先进性。
附图说明
图1是本发明的测试流程示意图。
图2是本发明的测点选择示意图。
图3是本发明中电涡流位移传感器的安装方式示意图。
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非接触位移测试方法，具体包括以下步骤：
步骤一，考虑管束结构形式，在试验件上选取预期位移较大的测试管的支撑板处作为测点，通常情况下流速较大或管跨距较长的跨中位置为位移较大的区域；其中，如图2所示，选择入口流速大和跨距长的跨中位置作为测点。
步骤二，在选择作为测点的测试管外壁安装位移传感器，信号连接线分别从非测试管内引出并与位移传感器连接。
步骤三，在管束结构的端部，从非测试管引出的传感器的各信号连接线均通过接插件密封连接至信号采集系统，配合测试验证信号传输是否正常。
步骤四，封闭管束结构后，持续加水压一段时间，检查接插件密封效果，并测试加水压后的位移传感器信号。
步骤五，当接插件密封效果达到预期效果，且水压测试正常后，将试验件置于测试台架上，连入水循环系统，并测试不同流速工况下，作为测点的各支撑板处的位移，每次采集时间至少2min，每种流速工况的重复次数至少5次。
步骤六，测试完成后，分析得到位移数据，根据相关理论公式计算管的体积磨损率，可以得到测试管的服役期限，同时为管束结构的微动磨损试验提供数据输入。
所述步骤六中，在分析得到的位移数据中，在稳定工况下，通过电涡流位移传感器采集到的位移最大值为输出值。这里需注意的是，测试过程中需等流量控制稳定后再进行采集信号工作，信号分析过程中也应注意排除明显外界干扰的无效信号(例如：位移水平明显偏高的信号、信号一直不稳定波动或者信号一直稳定无变化等情况，均需要考虑水下密封的失效或者传感器在安装，试验件运输过程存在损伤等情况)，选取稳定的信号进行分析。
实施例2
在实施例1的基础上，所述位移传感器可以采用电涡流位移传感器，通过电涡流位移传感器的安装，能利用电涡流位移传感器直接非接触测量得到支撑处的位移。
所述电涡流位移传感器通过安装支架固定于测试管的外壁上，安装固定后进行防水密封。
实施例3
在实施例2的基础上，在每个测点处均安装两个电涡流位移传感器。
其中，每个测点的两个电涡流位移传感器的轴线相互垂直，且两个电涡流位移传感器的轴线均须与测试管的轴线相交。
进一步的，可以将两个电涡流位移传感器布置于测试管的同一截面上，如图3所示，传感器安装阶段区分不同传感器的标记，W表示电涡流。图3中的信号连接线经过穿线孔引出与传感器连接，也通过接插件密封处理。
通过上述结构的布置和安装，每个测点的位移通过两个电涡流位移传感器，即可非接触同时测量切向和法向的位移量。
本发明采用电涡位移流传感器实现非接触式测量管支撑板处位移，根据某个流速下管束结构流致振动试验管与支撑板处产生的位移计算管的体积磨损率，预测管的使用寿命，为管的微动磨损试验提供切向和法向输入位移，确保管在使用寿命范围内正常工作，不会出现管磨破现象。

Claims (8)

1.一种管束结构流致振动的非接触位移测试方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，考虑管束结构形式，在试验件上选取预期位移较大的测试管的支撑板处作为测点，通常情况下流速较大或管跨距较长的跨中位置为位移较大的区域；其中，所述测点至少包括入口流速大的支撑板处和跨距长的跨中位置的支撑板处；
步骤二，在选择作为测点的测试管外壁安装位移传感器，信号连接线分别从非测试管内引出并与位移传感器连接；
步骤三，在管束结构的端部，从非测试管引出的传感器的各信号连接线均通过接插件密封连接至信号采集系统，配合测试验证信号传输是否正常；
步骤四，封闭管束结构后，持续加水压一段时间，检查接插件密封效果，并测试加水压后的位移传感器信号；
步骤五，当接插件密封效果达到预期效果，且水压测试正常后，将试验件置于测试台架上，连入水循环系统，并测试不同流速工况下，作为测点的各支撑板处的位移，每次采集时间至少2min，每种工况的重复次数至少5次；
步骤六，测试完成后，分析得到位移数据，根据相关理论公式计算管的体积磨损率，得到测试管的服役期限，同时为管束结构的微动磨损试验提供数据输入。
2.根据权利要求1所述的一种管束结构流致振动的非接触位移测试方法，其特征在于：所述位移传感器通过安装支架固定于测试管的外壁上，安装固定后进行防水密封。
3.根据权利要求1所述的一种管束结构流致振动的非接触位移测试方法，其特征在于：所述位移传感器采用电涡流位移传感器，利用电涡流位移传感器直接非接触测量得到支撑处的位移。
4.根据权利要求3所述的一种管束结构流致振动的非接触位移测试方法，其特征在于：在每个测点处均安装两个电涡流位移传感器。
5.根据权利要求4所述的一种管束结构流致振动的非接触位移测试方法，其特征在于：每个测点的两个电涡流位移传感器的轴线相互垂直，且两个电涡流位移传感器的轴线均须与测试管的轴线相交。
6.根据权利要求4或5所述的一种管束结构流致振动的非接触位移测试方法，其特征在于：所述两个电涡流位移传感器布置于测试管的同一截面上。
7.根据权利要求1所述的一种管束结构流致振动的非接触位移测试方法，其特征在于：步骤六中，在分析得到的位移数据中，在稳定工况下通过电涡流位移传感器采集到的位移最大值为输出值；其中，位移数据至少包括不同流速冲刷下测试管位置的X和Y向位移、导出采集时间内的时域信号值、处理成有效值或均方根值。
8.根据权利要求1所述的一种管束结构流致振动的非接触位移测试方法，其特征在于：步骤六中，所述相关理论公式为：
Figure FDA0003066579090000021
其中，WN为磨损功率(W)；m为单位长度质量(kg/m)；L为跨距(m)；f为固有频率(Hz)；Yrms为振动引起的位移(m)；ζ为模态阻尼；u为摩擦系数。
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