CN113984256B - 管道吊架载荷的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管道吊架载荷的测量方法，所述吊架包括吊杆，所述测量方法包括如下步骤：建立超声横波在吊杆内部的传播速度与吊杆应力和温度之间的关系表达式；测量吊杆的温度和直径；在吊杆同一径向方向的两侧安装换能器，测量并记录超声横波在该径向方向上渡越吊杆的声时；根据所述声时计算得到超声横波在吊杆中的传播速度；根据吊杆的温度和超声横波在吊杆中的传播速度，通过所述关系表达式，得到吊杆的轴向应力；根据吊杆的轴向应力和直径，计算得到吊杆的轴向力，即为吊架载荷。本发明的管道吊架载荷的测量方法，为一种基于超声横波测量实现管道吊架载荷的无损测量方法，在不拆卸和调整吊架的情况下随时测量吊架的实际承载载荷。
Description
技术领域
本发明涉及吊架载荷监测技术领域，具体涉及一种基于超声波声弹性理论的管道吊架载荷的测量方法以及基于该测量方法的测量装置。
背景技术
电力和化工行业设备主要通过管道系统传输介质以实现功能，而支吊架作为管道系统的支承系统被广泛运用于电力及化工行业。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，其中承载管道重量是管道支吊架的主要功能。根据形式不同，承载管道重量的支吊架又可以分为变力弹簧吊架、恒力弹簧吊架、刚性吊架、固定支架、滑动支架等。
根据设计，每个支吊架在不同工况下均应该承受特定的载荷。但在实际运行过程中，由于设计缺陷、制造误差、安装不当以及支吊架性能下降等各种因素，很容易导致管道支吊架的实际承载载荷偏离其设计载荷。严重情况下将导致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，这将严重影响管道系统及设备的安全运行及使用寿命。所以需要管道吊架载荷的载荷进行测量。
目前可用于测量管道吊架载荷的方法主要“力矩法”、“应变电测法”以及“基于纵横弯曲理论的吊架载荷测量方法”三种。
其中，“力矩法”通过测量收紧螺母所需力矩来大致推断吊架载荷。在安装和调整吊架时，当吊杆已经承载之后，转动螺母所需的力矩与螺母和螺杆之间因摩擦而产生的力矩相互平衡，从而可以通过测量旋转力矩的方法推导出吊杆所承载的载荷。该方法由于摩擦系数受多种难以量化的因素影响且各种应用环境连接螺纹具有不同程度的腐蚀，很难准确给出吊架载荷与转动力矩之间的定量关系，目前已基本被淘汰。
“应变电测法”是在安装之前或对已投运的支吊架进行拆卸之后在吊杆上粘贴应变片，再转回收紧承载之后通过测量吊杆的应变来推导吊架的载荷。吊杆承载时，吊杆的长度会因为受轴向拉力而伸长，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。该方法即应变电测技术在吊架载荷测量上的应用，是目前测量吊架载荷的主流方法，测量精度高。但是该方法存在如下几个缺点：一是需要对吊架进行卸载，现场操作风险高且可能对设备造成损坏。二是应变片不适合长期使用，化工及电力行业管道系统设计寿命数十年，而应变片只有几天到几个月的使用寿命，每次测量都需要重复拆装吊架。三是拆卸再回装吊架之后，无法完全恢复到拆卸之前的状态，吊架载荷测量结果是拆卸之后至装回之间的载荷变化量。
目前，能实现在不拆卸的情况下测量吊架载荷的方法主要有“基于纵横弯曲理论的吊架载荷测量方法”。该方法将吊架的吊杆视为梁结构，通过在吊杆中部施加横向力使吊杆在承受轴向拉伸的同时产生横向的弯曲变形，通过测量横向力和吊杆弯曲变形绕度，结合吊杆材料参数、几何尺寸以及边界条件即可推导出吊杆轴向实际承载载荷。该方法实现了在不拆卸吊架的情况下对吊架载荷进行无损测量，但该方法不适用于长细比较小的吊架，同时吊杆之间的连接件抗弯性能以及吊杆端部的边界条件很难确定准确，测量精度波动较大。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和达到上述目的，本发明的目的是提供一种基于超声波声弹性理论的管道吊架载荷的测量方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种管道吊架载荷的测量方法，所述吊架包括吊杆，所述测量方法包括如下步骤：
建立超声横波在吊杆内部的传播速度与吊杆应力和温度之间的关系表达式；测量吊杆的温度和直径；在吊杆同一径向方向的两侧安装换能器，测量并记录超声横波在该径向方向上渡越吊杆的声时；根据所述声时计算得到超声横波在吊杆中的传播速度；根据吊杆的温度和超声横波在吊杆中的传播速度，通过所述关系表达式，得到吊杆的轴向应力；根据吊杆的轴向应力和直径，计算得到吊杆的轴向力，即为吊架载荷。
根据本发明的一些优选实施方面，所述关系表达式的建立包括如下步骤：针对需要进行载荷测量的吊架，现场替换下多根吊杆用于该批次吊杆声弹性性能的标定；在实验室对超声横波穿越吊杆的速度与吊杆轴向应力以及温度之间的关系进行测量标定，建立起超声横波在吊杆内部的传播速度与吊杆应力和温度之间的关系对照表，根据所述关系对照表得到所述关系表达式。
根据本发明的一些优选实施方面，所述关系表达式如下式所示：
V133＝f(σ，T)
式中，V133为传播方向垂直于吊杆轴线但偏振方向平行于吊杆轴线的超声横波在吊杆内部的传播速度，σ为吊杆的轴向应力，T为吊杆的温度。
根据本发明的一些优选实施方面，所述标定时，应力和温度的标定范围需覆盖现场所有待测试吊架的吊杆应力和温度范围。
根据本发明的一些优选实施方面，在测量吊杆的温度和直径前需要对测量的吊杆进行处理，包括如下步骤：去除吊杆的防腐油漆和锈迹，并进行打磨，确保被测部位附近的吊杆全周向露出金属光泽，且表面光洁无污点和腐蚀凹坑；打磨完成后对被测部位进行清洗，去除表面的杂质和灰尘。
根据本发明的一些优选实施方面，测量吊杆的温度和直径至少包括如下步骤：选取同一横截面上至少两个径向方向，在吊杆对应径向方向上的点测温并取平均值；测量至少两个径向方向上的直径。
根据本发明的一些优选实施方面，声时的测量至少包括如下步骤：在吊杆对应第一径向的两侧安装换能器，测量并记录超声横波在第一径向方向上渡越吊杆的声时；按照相同的方法测量并记录超声横波在第二径向方向上渡越吊杆的声时。
根据本发明的一些优选实施方面，传播速度的计算至少包括如下步骤：根据对应径向上的直径以及声时，分别计算超声横波在第一径向上的传播速度以及在第二径向上的传播速度，取平均值后作为当前载荷下超声横波在吊杆中的传播速度。
根据本发明的一些优选实施方面，吊杆轴向力按照如下公式进行计算：
F＝σS＝σπ(d1+d2)2/16
式中，F为吊架当前的实际载荷，即吊杆轴向力；S为吊杆被测截面的横截面面积，d1和d2为吊杆的直径。
本发明还提供了一种对应上述的测量方法的管道吊架载荷的测量装置，所述吊架包括吊杆，所述测量装置包括设置在吊杆横截面的径向方向上的两个换能器，其中一个换能器连接到测试仪器的发射端用于发射超声波，剩余一个换能器连接到测试仪器的接收端用于接收超声波。
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：本发明的管道吊架载荷的测量方法，为一种基于超声横波测量实现管道吊架载荷的无损测量方法，在不拆卸和调整吊架的情况下随时测量吊架的实际承载载荷，实现吊架载荷的在役无损测量，降低现场测量技术人员的人身安全风险和设备损坏风险的同时提高测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中管道吊架的常见结构示意图；
图2为本发明优选实施例中利用超声横波测量吊杆载荷的测量装置示意图；
附图中，根部-1、功能件-2、吊杆-3、花篮螺栓-4、管部-5、换能器-6。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
管道吊架的常见结构示意图如图1所示，主要由根部1、管部5、功能件2以及连接件等部件构成。根部1即管道吊架生根的钢结构；管部5即吊架与管道连接的部件；功能件2即实现不同种类功能的装置，比如变力弹簧、恒力弹簧等；连接件即连接根部1、管部5即功能件的吊杆3、花篮螺栓4、连接螺母等。管道及附件的重量依次通过管部、连接件以及功能件等传递到根部钢结构上以实现管道系统的支承。
各种类型的管道吊架均有相同的结构部件“吊杆3”，吊杆3两端与管部、连接件或根部通过螺纹连接，其受力状态属于单轴应力状态，其轴力即为吊架的实际承载载荷，也即本发明欲要测量的物理量。
根据声弹性效应，超声波在固体材料内部的传播速度不仅与材料有关，还与材料内部的应力状态有关，不同类型超声波的传播速度对不同方向应力的敏感程度也各不相同。相关研究表明，对应力最敏感的是沿应力方向传播的超声纵波，其次是垂直于应力方向但其偏振方向平行于应力方向的超声横波。根据声弹性理论，当超声纵波在各向同性、均匀且连续的弹性介质内沿应力方向传播时，其传播速度与应力之间的解析关系如式(1)所示。当超声横波在各向同性、均匀且连续的弹性介质内垂直于应力方向传播且其偏振方向平行于应力方向时，其传播速度与应力之间的解析关系如式(2)所示。
上式中，β0为材料密度，λ、μ为材料的二阶弹性常数，l、m、n为材料的三阶弹性常数，σ为应力，Vijk为超声波在材料内部的传播速度，其中i、j、k分别代表超声波的传播方向、偏振方向以及应力方向。从上述公式可以看出，超声波在材料内部的传播速度不仅与应力有关，还与材料密度以及材料的二阶、三阶弹性常数有关。在给定温度下，同种材料的密度、二阶弹性常数和三阶弹性常数均为常数。因此，通过上述分析可以得到，超声波在材料内部的传播速度只与构件内部应力有关，且两者之间成正相关关系。
管道吊架的吊杆3应力状态为单轴应力状态，应力方向沿吊杆3轴向，即可以采用超声纵波也可以采用超声横波对吊杆3载荷进行测量。当采用超声纵波进行测量时，超声纵波从吊杆3一端的端面进入吊杆3内部，沿轴力方向传播到另一端面后被另一换能器6接收或者由另一端面返回后再由同一换能器6接收，通过吊杆3受力前后超声波渡越吊杆3的时间变化结合声弹性理论即可推测出吊杆3轴向所承受的载荷。但采用超声纵波进行测量的方法中超声纵波需要穿过吊杆3的非受力段、受力段以及与其他部件通过螺纹连接的过渡段，在实施过程中，各段实际长度的测量比较困难，两端的螺纹也会导致横截面实际尺寸的估算存在偏差，这些因素都会对测量结果带来误差。为了避免上述问题，本发明采用超声横波设计吊杆3载荷测量装置并在吊杆3没有螺纹的受力段上进行测量，如图2所示。
换能器6设计上具有明确的方向性，确保其安装到吊杆3上后所发射的超声横波垂直进入吊杆3且其偏振方向与吊杆3轴线平行，超声横波横穿吊杆3且被对侧换能器6接收，通过吊杆3受力前后超声横波渡越吊杆3的时间变化量结合声弹性理论即可计算出吊杆3轴向的实际承载载荷，如图2所示。
实际测量过程中，由于材料的二阶弹性常数及三阶弹性常数均很难精确测量，且材料的二阶弹性常数和三阶弹性常数还会随着温度的变化而发生变化，因此通过解析法计算吊杆3的实际载荷是比较困难的。为了现场测量方便，本发明还包括对常用吊杆3的材质在实验室进行标定的步骤，以建立起超声横波在吊杆3内部的传播速度与吊杆3应力和温度之间的关系对照表，进而得到对应的函数关系表达式，如式(3)所示。
V133＝f(σ，T) (3)
式中，V133为传播方向垂直于吊杆3轴线但偏振方向平行于吊杆3轴线的超声横波在吊杆3内部的传播速度，σ为吊杆3轴向应力，T为吊杆3温度。标定时采用与现场测量完全相同的方式，将温度和应力引起吊杆3横截面尺寸变化对测量结果的影响也包含在标定结果中，只保留轴向应力和温度对超声波传播速度的影响。该关系对照表由有限个数据点构成，实际测量中的中间值点采用线性插值获得。
实施例1测量装置
基于上述原理，本实施例中提供了一种管道吊架载荷的测量装置，包括设置在吊杆3横截面的径向方向上的两个换能器6，其中一个换能器6连接到测试仪器的发射端用于发射超声波，剩余一个换能器6连接到测试仪器的接收端用于接收超声波，如图2所示。
下面结合实施例1的测量装置和实施例2的测量方法对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例2测量方法
本实施例的管道吊架载荷的测量方法，具体包括如下步骤：
(1)吊杆3的声弹性性能标定，建立关系表达式和关系对照表
针对需要进行载荷测试的吊架，现场替换下3到5根吊杆3用于该批次吊杆3声弹性性能的标定。
在实验室对超声横波穿越吊杆3的速度与吊杆3轴向应力以及温度之间的关系进行测量标定，建立起如式(3)所描述的关系表达式和关系对照表。其中，应力和温度的标定范围需覆盖现场所有待测试吊架的吊杆3应力和温度范围。
(2)现场测量准备，吊杆3测量前的处理
现场测试之前，需对被测吊杆3进行处理，去除吊杆3的防腐油漆和锈迹，采用细砂纸进行反复打磨，确保测点附近约5cm长的吊杆3全周向露出金属光泽，表面光洁无污点和腐蚀凹坑等影响测量精度的缺陷。打磨完成后采用酒精棉对被测部位进行清洗，去除杂质和灰尘。在准备好的测点吊杆3周向上标示出0°、90°、180°以及270°等角度点。即本实施例中采用的是吊杆3同一个横截面上0°与180°以及90°与270°连线形成的两个垂直的径向方向，在其他的一些实施例中，也可以选择其他的径向方向和数量。
(3)吊杆3温度的测量
在步骤(2)中所述标示点0°、90°、180°以及270°处分别测量吊杆3温度并取平均值，记为T。
(4)测量被测杆件的横截面尺寸
根据步骤(2)中的标示，分别测量0°与180°以及90°与270°连线形成的径向上吊杆3的直径并分别记录为d1和d2。
(5)测量超声波渡越吊杆3的声时
分别在0°与180°标示点精确安装超声波换能器6，两个换能器6一个连接到测试仪器的发射端，另一个连接到测试仪器的接收端，测量并记录超声横波在该径向方向上渡越吊杆3的声时t1。按照相同的方法测量并记录90°与270°标示点之间超声横波在该方向上渡越吊杆3的声时t2。
(6)计算超声波在吊杆3中的传播速度
根据上述测量结果，分别计算超声横波在0°与180°之间传播的速度v1＝d1/t1以及在90°与270°之间传播的速度v2＝d2/t2。两者取平均值V＝(v1+v2)/2即为当前载荷下超声横波在吊杆3中的传播速度。
(7)查询标定得到的关系对照表确定轴向应力
根据第(3)步测量的吊杆3温度T和第(6)步计算得到的超声波传播速度V，查询第1步标定所建立的关系对照表，确定当前吊杆3的轴向应力σ。
(8)计算吊架载荷
根据吊杆3轴向应力σ，结合第(4)步测量的吊杆3直径，计算吊杆3的轴向力，即为该吊架当前的实际载荷F。计算公示如下：
F＝σS＝σπ(d1+d2)2/16
式中，F为吊架当前的实际载荷，即吊杆3轴向力；S为吊杆3被测截面的横截面面积，d1和d2为吊杆3的直径。
针对电力和化工等领域的管道系统，支吊架是其重要的组成部分，承担着支撑管道及其附件重量的重要功能。管道系统在设计时，根据管道系统的功能和运行安全，每种工况下每个支吊架需要承载多大载荷都已设计确定。但管道系统安装到现场后，由于各支吊架厂家生产的支吊架产品性能参差不齐、安装质量无法精确把控、再加上长期运行后支吊架性能下降等诸多原因，各支吊架的实际承载载荷很容易偏离设计计算结果，从而给管道系统带来不安全因素。目前能用于管道吊架载荷测量的方法主要有“力矩法”、“应变电测法”以及“基于纵横弯曲理论的吊架载荷测量方法”，但这几种方法均存在诸多不足，无法实现在不拆卸吊架的情况下对吊架实际承载载荷进行无损的精确测量。因此，本发明拟解决电力及化工行业管道系统支吊架实际承载载荷的在线无损测量问题。本发明采用超声波的声弹性原理，设计一种通过测量超声波渡越吊架吊杆的时间来间接计算吊架载荷的方法，该方法不需要拆卸和调整吊架且随时可以实施测量，避免现有测量技术的诸多风险和缺点。通过该方法可以在安装、调试及运行阶段无损地对管道吊架载荷进行测量，从而使我们能够更加全面地评估和控制管道系统的状态。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：采用超声横波测量实现管道吊架载荷的无损测量方法，实施测量过程中不需要拆卸吊架、不需要额外施加荷载；采用超声横波在吊杆受力段实施测量，避免了超声波穿越非受力段、过渡段以及螺纹导致应力变化等因素的影响；将应力和温度引起横截面尺寸变化对测量结果带来的影响包含到标定结果中，简化了应力和温度对超声波传播速度影响的关系；采用对常用吊杆材质建立超声波传播速度与轴向应力和温度之间的对照表，且可以将标定好的各种材料对照表集成到测试设备中，测量过程中直接调用，方便快捷；没有边界条件等难以确定但由对测量结果影响较大的量，确保了测量结果的精度；该方法随时可以测量，适用于任何形式的管道吊架且对吊杆长度没有特殊要求。
同时，基于本申请的测量原理，在准确界定受力段、非受力段和过度段后也可以采用超声纵波从吊杆端面实施测量，同样可以测得吊杆载荷；采用超声横波进行测量的过程中也可以通过对侧吊杆壁进行反射，由同一个换能器在一侧发、收超声波信号实施测量；本发明用使用的超声波没有限定特定的产生形式，比如压电超声、电磁超声等均可。
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 (7)
1.一种管道吊架载荷的测量方法，所述吊架包括吊杆，其特征在于：所述测量方法包括如下步骤：
建立超声横波在吊杆内部的传播速度与吊杆应力和温度之间的关系表达式；测量吊杆的温度和直径；在吊杆同一径向方向的两侧安装换能器，测量并记录超声横波在该径向方向上渡越吊杆的声时；根据所述声时计算得到超声横波在吊杆中的传播速度；根据吊杆的温度和超声横波在吊杆中的传播速度，通过所述关系表达式，得到吊杆的轴向应力；根据吊杆的轴向应力和直径，计算得到吊杆的轴向力，即为吊架载荷；
所述关系表达式的建立包括如下步骤：针对需要进行载荷测量的吊架，现场替换下多根吊杆用于该批次吊杆声弹性性能的标定；在实验室对超声横波穿越吊杆的速度与吊杆轴向应力以及温度之间的关系进行测量标定，建立起超声横波在吊杆内部的传播速度与吊杆应力和温度之间的关系对照表，根据所述关系对照表得到所述关系表达式；
所述标定时，应力和温度的标定范围需覆盖现场所有待测试吊架的吊杆应力和温度范围；
吊杆轴向力按照如下公式进行计算：
F＝σS＝σπ(d1+d2)2/16
式中，F为吊架当前的实际载荷，即吊杆轴向力；σ为吊杆的轴向应力，S为吊杆被测截面的横截面面积，d1和d2为吊杆的直径。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述关系表达式如下式所示：
V133＝f(σ，T)
式中，V133为传播方向垂直于吊杆轴线但偏振方向平行于吊杆轴线的超声横波在吊杆内部的传播速度，σ为吊杆的轴向应力，T为吊杆的温度。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：在测量吊杆的温度和直径前需要对测量的吊杆进行处理，包括如下步骤：去除吊杆的防腐油漆和锈迹，并进行打磨，确保被测部位附近的吊杆全周向露出金属光泽，且表面光洁无污点和腐蚀凹坑；打磨完成后对被测部位进行清洗，去除表面的杂质和灰尘。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：测量吊杆的温度和直径至少包括如下步骤：选取同一横截面上至少两个径向方向，在吊杆对应径向方向上的点测温并取平均值；测量至少两个径向方向上的直径。
5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：声时的测量至少包括如下步骤：在吊杆对应第一径向的两侧安装换能器，测量并记录超声横波在第一径向方向上渡越吊杆的声时；按照相同的方法测量并记录超声横波在第二径向方向上渡越吊杆的声时。
6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：传播速度的计算至少包括如下步骤：根据对应径向上的直径以及声时，分别计算超声横波在第一径向上的传播速度以及在第二径向上的传播速度，取平均值后作为当前载荷下超声横波在吊杆中的传播速度。
7.一种对应权利要求1-6任意一项所述的测量方法的管道吊架载荷的测量装置，所述吊架包括吊杆，其特征在于：所述测量装置包括设置在吊杆横截面的径向方向上的两个换能器，其中一个换能器连接到测试仪器的发射端用于发射超声波，剩余一个换能器连接到测试仪器的接收端用于接收超声波。
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