WO2013044455A1 - 高温结构变形放大测量引伸计 - Google Patents

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涂善东
贾九红
胡潇寅
轩福贞
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    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/60—Investigating resistance of materials, e.g. refractory materials, to rapid heat changes

Definitions

  • the invention relates to the field of measurement technology, and more particularly to the technical field of structural and material deformation measurement, in particular to an extensometer for measuring deformation deformation of a high temperature structure, which can perform real-time local deformation of materials and structures at high temperatures. Online measurement.
  • Two mounting holes are respectively formed at two ends of the amplifying mechanism, so that the deformation amplifying mechanism is mounted on the connecting member, the arch of the arch bridge structure is downward, and the midpoint of the deformation amplifying mechanism is an output end, and the sensor bracket is mounted
  • the sensor is perpendicular to the deformation amplifying mechanism, and the sensor is connected to the test terminal.
  • the two connecting members are mounted on the same straight line, and the straight line is parallel with the straight line of the top ends of the two extending rods to ensure that the deformation of the test piece is equally transmitted to the deformation amplifying mechanism on the connecting member.
  • the angle between the connecting member and the mounting block can be adjusted within a range of more than 0 degrees and less than or equal to 90 degrees to meet the mounting of the test piece on different surface shapes such as a plane or a curved surface.
  • the installation position of the deformation amplifying mechanism in the fixing groove is adjusted to meet the needs of different measuring spans.
  • the deformation of the surface of the member to be measured is transmitted by the extension rod, and is mechanically amplified by the deformation amplifying mechanism to be measured by the sensor.
  • the flexible hinge used in the deformation amplifying mechanism may be a geometric configuration such as a circular shape, an elliptical shape, a chamfered straight beam type, a parabolic type, and a hyperbolic type.
  • the senor may be an LVDT displacement sensor, may be a displacement sensor, may be an eddy current sensor, or may be a laser displacement sensor or the like.
  • the fixing block 19 can be used to weld it to the surface of the test piece; when working in a laboratory environment, it can be used very much.
  • the light high temperature resistant flexible ceramic fiber rope 21 fixes the extensometer to the sample (measured part).
  • the invention is applicable to structures with different surface shapes, can meet the requirements of different spans, and is small in size, light in weight, and capable of Adapt to various working conditions and have a wide range of applications;
  • the present invention introduces a deformation amplifying mechanism composed of a flexible hinge, which has the characteristics of no friction, no lubrication, compact structure, no maintenance, and almost no assembly.
  • the invention introduces a deformation amplifying mechanism, and mechanically amplifies and measures the deformation, thereby greatly improving the resolution and reliability of the extensometer;
  • the extension rod is made of a material with a small thermal conductivity to isolate the sensor from the high temperature environment, which greatly improves the working environment of the sensing component and prolongs the operation. High-temperature structural deformation enlarges and measures the service life of the extensometer, and has high practical application value.
  • Figure 1 is a schematic view of the present invention.
  • Figure 2 shows the installation of the mounting block and the connector.
  • FIG. 1 4 connector, 5a mounting block I, 5b mounting block II, 10 mounting screws, 11 extension rod mounting surface, 12 mounting holes, 13a fixing holes, 13b fixing holes, 14 fixing slots.
  • Fig. 3 is a schematic view showing the installation of the sensor holder 3.
  • Fig. 4 is a schematic view showing the structure of the deformation amplifying mechanism 6 of the present invention.
  • FIG. 4 16 mounting holes, 17 flexible hinges, 18 outputs.
  • Fig. 5 is a structural view of the structure of the deformation amplifying mechanism of the present invention.
  • Fig. 6 is a schematic view showing the mounting of the fixing block 19.
  • FIG. 6 10 mounting screws, 19a fixing block I, 19b fixing block II.
  • Figure ⁇ is a schematic view of the present invention which is fixed to the test piece 21 by a ceramic fiber rope.
  • Fig. 9 is a schematic view showing the comparison between the measurement results of the present invention and the high temperature strain gauge 23.
  • Figure 10 is a schematic view showing the installation of Experiment 2 of the present invention.
  • the fixed block 19 is made of high temperature resistant material, and its thermal expansion coefficient is similar to that of the material used for the test piece, so as to avoid the extensometer falling off during long-term work.
  • the extensometer can be attached to the specimen using a lightweight, high temperature resistant flexible ceramic fiber rope 22.
  • the mounting block 5 is first mounted on the flat end of the extension rod 7, and the connecting member 4 is mounted on the second mounting block 5b as shown in Fig. 2.
  • the deformation amplifying mechanism 6 and the sensor holder 3 are mounted on the connecting member 4, the sensor 1 is mounted on the sensor holder 3, and the convex portion of the deformation amplifying mechanism 6 is downward, as shown in Fig. 3.
  • the extensometer is fixed to the test piece by the fixing block 19 (Fig. 6) or the ceramic fiber rope 22 (Fig. 7).
  • the two mounting ends are respectively provided with two mounting holes 16, and the output end 18 is connected to the two mounting ends by two flexible hinges 17 connecting the two square cylinders. Stepped symmetrical square cylinder. Use points eight and C to indicate the hinges at the ends of the original state, and ⁇ to indicate the output, as shown in Figure 5.
  • the flexible hinge 17 in the deformation amplifying mechanism 6 is deformed, the flexible hinge 17 at both ends of the deformation amplifying mechanism 6 is moved to the points A', C, and the output end 18 is moved to the point B'.
  • the output displacement ⁇ of the output terminal 18 is higher than the loading ⁇ in the horizontal direction, and the ratio ⁇ /2 ⁇ of the output terminal 18 is the magnification of the deformation amplifying mechanism 6.
  • the magnification of the anamorphic enlargement mechanism 6 is a constant and does not change with the deformation of the input amount.
  • the output value of the deformation amplifying mechanism 6 is transmitted to the sensor 1.
  • the process conditions for simulating the main steam line of a petrochemical plant are tested using the present invention.
  • the main parameters of the main steam pipeline to be tested are: The material is 10CrMo910, the pressure is lOMPa, the temperature is 540 °C, the specification is ⁇ 273 X 28mm, and the thickness of the insulation layer is 100mm.
  • the length of the extension rod 7 used in the test was 150 mm.
  • a pair of fixing blocks 19 (represented as 19a and 19b, respectively) are used, and the fixing block 19 is fixed to the surface of the test piece by spot welding.
  • a high-temperature strain gauge 23 (KHCM-10-120-G15-11C2M) is installed in the middle of the two sets of fixed blocks 19 as shown in Fig. 8.
  • the measurement data of the strain gauges and the extensometer are The measured data is compared.
  • the invention and the strain gauge are respectively connected to the data collection module and the computer, and the initial position is cleared in the data collection system, and the preparation is ready.
  • the invention clearly monitors the deformation of the main steam elbow to be tested during pipeline operation. Comparing the data measured by the present invention and the strain gauge 23, it is found that the present invention can measure the deformation of the test piece by a factor of five and measure it without distortion. Comparing the measured data of the present invention by the magnification of 5 and comparing with the measured data of the strain gauge 23, it is found that the present invention has high precision, can reach ⁇ 0.2 ⁇ m, and the resolution reaches 0.2 ⁇ m, as shown in FIG. Thus, it can be proved that the extensometer can meet the requirements of on-line monitoring of the main steam pipeline.
  • the invented extensometer In order to verify the accuracy and reliability of the invented extensometer in the laboratory, it was installed on the creep test specimen of the electronic creep tester simultaneously with the INSTRON company's extension device 24, as shown in Figure 10. As shown, the measurement results of the existing extension device 24 are compared with the measurement results of the present invention.
  • the extensometer is bundled with the high temperature resistant ceramic fiber rope 22 on the sample to be tested.
  • the existing extension device 24 has a circular aperture 25 formed therein, and the conical tip of the extension rod 7 is inserted into the circular aperture 24.
  • the test piece 21 is a standard creep round bar sample, the material is ⁇ 92 steel, the experimental temperature is 600 ° C, and the thickness of the insulation layer is 100 mm.
  • the creep-test period is 3,600 hours.
  • the length of the extension rod 7 used in the present invention at the time of the test was 150 mm.

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Abstract

一种高温结构变形放大测量引伸计，其中引伸杆（7）的平面端装有安装块（5），引伸杆（7）的顶端紧连被测试件（8）表面，安装块（5）的里侧安装连接件（4），连接件（4）上安装变形放大机构（6）和传感器支架（3），传感器支架（3）上安装传感器（1）；两个连接件（4）安装在同一条直线上，并且该直线与两根引伸杆（7）的顶端所在的直线平行，以确保试件变形等量地传递给连接件（4）上的变形放大机构。本发明具有很高的线性度、分辨率以及精度，同时结构轻，体积小，安装方便。

Description

高温结构变形放大测量引伸计 技术领域
本发明涉及测量技术领域， 更具体地， 涉及结构与材料变形测量技术领域， 具体是指一 种高温结构变形放大测量的引伸计， 该引伸计可在高温下对材料与结构的局部变形进行实时 在线测量。
背景技术
随着能源与环境问题日益凸显， 高效与节能的理念开始引领过程工业装置的设计制造与 运行维护， 致使石油、 化工、 电力、 冶金等过程工业装置向着高温、 高压和大型化的趋势发 展。 这些行业使用的压力容器与管道往往长期处于高温环境， 不可避免地会发生高温下不可 恢复的变形， 引起材料的力学性能及物理性能的蜕变， 严重威胁到整个过程工业的安全性、 可靠性和经济目标的实现。 因此为了保证高温高压过程装备的安全性， 避免不必要的停车， 设备的安全监测引起了广泛的关注。 在高温、 高压环境下， 变形测量是保证结构安全最为直 接、 可靠的监测方法。 在实验室模拟的高温环境下， 试样局部变形的精确测量也是研究高温 材料变形与损伤规律的基础。
然而设计高精度、 高可靠性的变形传感装置是实现高温下长时间变形测量的关键。 针对 该问题国内外学者已经设计了一些传感装置， 如美国专利应变跟随器 US4936150、 中国专利 高频响应高温拉-扭疲劳引伸计 200410072189.2和腐蚀环境下的拉 -扭疲劳实验应变测试装置 200910054544.5等， 这些传感装置只能在实验室对标准的实验试件进行监测。 为满足工业的 应用需求， 新近设计的引伸式高温构件变形传感装置 200910045657.9, 该装置虽然能够对管 道局部变形进行有效的监测， 但是其精度在使用过程中还不能令人满意。 发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种兼具实验室和工程应用价值的高温变形放大测量 引伸计， 测量不同高温构件或试件的表面变形情况。 该引伸计重量轻， 稳定性好、 安装方便， 使用寿命长， 测量精度高。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种高温结构变形放大测量引伸计， 其特点是， 所述的高温结构变形放大测量引伸计由 一对引伸杆、 两组安装块、 两个连接件、 变形放大机构、 传感器及传感器支架组成， 所述的 引伸杆为一圆形棒， 一端为平面， 一端为锥形； 利用安装螺钉通过安装孔将安装块固定在引 伸杆的为平面的一端； 所述的安装块包括第一安装块和第二安装块， 第一安装块和第二安装 块相接触面的中部设有圆形的引伸杆安装面， 引伸杆安装面上分别开有四个安装孔， 第二安 装块一侧带有第一半圆形凸台， 第一半圆形凸台中部开有第一固定孔； 所述的连接件一端为 第二半圆形凸台， 在第二半圆形凸台内设有第二固定孔， 通过安装螺钉穿设第一固定孔和第 二固定孔固定连接件和第二安装块， 连接件另一端为长方体， 在长方体内开有两条固定槽， 在固定槽上安装变形放大机构和传感器支架； 所述的变形放大机构为一宽度不变的阶梯式对 称方形柱体， 在阶梯交接处和柱体的中部对称地开有四个柔性铰链， 这四个柔性铰链构成拱 桥形结构， 变形放大机构的两端各开有两个安装孔， 以便将变形放大机构安装在连接件上， 拱桥形结构的拱顶向下， 变形放大机构的中点为输出端， 所述的传感器支架上安装传感器， 传感器垂直于变形放大机构， 传感器与测试终端相连。
上述技术方案中， 两个连接件安装在同一条直线上， 并且该直线与两根引伸杆的顶端所 在直线平行， 以确保试件变形等量地传递给连接件上的变形放大机构。
上述技术方案中，连接件和安装块之间的夹角可在大于 0度且小于等于 90度的范围内调 整， 以满足在平面、 曲面等不同表面形状被测试件上的安装。
上述技术方案中， 通过调整变形放大机构在固定槽的安装位置， 以满足不同测量跨距的 需要。
上述技术方案中， 被测量部件表面的变形被引伸杆传递出， 经过变形放大机构机械放大 后由传感器进行测量。 变形放大机构中所用柔性铰链可以是圆型、 椭圆型、 倒角直梁型、 抛 物线型和双曲线型等几何构造。
上述技术方案中， 传感器可以是 LVDT位移传感器， 可以是位移传感器， 可以是电涡流 传感器， 可以是激光位移传感器等。
上述引伸计中， 当工作环境比较复杂， 并且需要长时间对高温结构进行测量时， 可以釆 用固定块 19将其焊接在被测试件表面； 当在实验室环境下工作时， 可以釆用很轻的耐高温柔 性陶瓷纤维绳 21将引伸计固定在试样（被测量部件）上。
本发明的优点在于：
1、本发明能够在高温环境下对各种结构的局部变形进行实时在线测量，被测元件的表面 温度可达 1200°C , 且测量精度高， 具有很高的线性度和分辨率， 测试结果准确、 可靠、 可重 复；
2、 本发明适用于表面形状不同的结构， 能满足不同跨距的要求， 且体积小， 重量轻， 能 适应各种工况， 应用范围广；
3、 本发明引入了由柔性铰链构成的变形放大机构， 具有无摩擦、 无需润滑、 结构紧凑、 无需维护、 几乎无需装配等特点。
4、 本发明引入了变形放大机构， 对变形进行机械式放大后测量， 大大提高了引伸计的分 辨率和可靠性；
5、 由于可在传感部件与被测元件之间填充保温材料， 引伸杆釆用导热系数较小的材料制 作， 使传感器与高温环境隔离， 极大地改善了传感部件的工作环境， 延长了高温结构变形放 大测量引伸计的使用寿命， 具有很高的实际应用价值。 附图说明
图 1为本发明示意图。
图 1中： 1 传感器， 2 夹子， 3 传感器支架， 4 连接件， 5 安装块， 6 变形放大机构, 7 引伸杆， 8 被测试件， 9 测试终端。
图 2为安装块和连接件的安装示意图。
图 2中： 4 连接件， 5a安装块 I, 5b 安装块 II , 10 安装螺钉， 11 引伸杆安装面， 12安装孔， 13a 固定孔， 13b 固定孔， 14 固定槽。
图 3为传感器支架 3的安装示意图。
图 3中： 1 传感器， 2 夹子， 3 传感器支架， 4 连接件， 5a安装块 I, 5b 安装块 II, 6 变形放大机构， 7 引伸杆， 15 安装螺栓。
图 4为本发明中变形放大机构 6的结构示意图。
图 4中： 16 安装孔， 17 柔性铰链， 18 输出端。
图 5为本发明中变形放大机构的结构筒化图。
图 6为固定块 19的安装示意图。
图 6中： 10 安装螺钉， 19a 固定块 I, 19b 固定块 II。
图 Ί为本发明用陶瓷纤维绳固定在被测试件 21上的示意图。
图 7中： 20传感器， 21 被测试件， 22 陶瓷纤维绳。
图 8为本发明实验 1的安装示意图。
图 9为本发明与高温应变片 23测量结果比较示意图。 图 10为本发明实验 2的安装示意图。
图 10中： 24 实验室已有引伸装置， 25 小孔。
图 11为本发明与实验室已有的引伸装置 24的测量结果比较示意图。 具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
引伸杆 7釆用耐高温、低导热系数的陶瓷氧化锆材料。 夹子 2、传感器支架 3、 连接件 4、 安装块 5 均釆用轻质铝合金材料。 变形放大机构 6 釆用具有较小弹性模量和较高强度的 Α17075 » 当传感部件与被测元件之间填充保温材料时， 两根引伸杆 7的长度均大于保温材料 的厚度， 确保安装机构、 连接机构、 放大机构和传感器均在被测试件的保温层外部工作。 在 长时间对高温结构进行测量时， 需要应用到固定块 19。 固定块 19釆用耐高温材料， 其热涨 系数与被测试件所用材料的热涨系数相近， 避免长期工作中引伸计脱落。 在实验室环境下工 作时， 可以釆用 艮轻的耐高温柔性陶瓷纤维绳 22将引伸计固定在试样上。
安装时， 首先将安装块 5安装在引伸杆 7的平面端， 再将连接件 4安装在第二安装块 5b 上， 如附图 2所示。 接着将变形放大机构 6和传感器支架 3安装在连接件 4上， 传感器 1安 装在传感器支架 3上，并且变形放大机构 6的凸部向下，如附图 3所示。最后用固定块 19 (图 6 )或者陶瓷纤维绳 22 (图 7 )将引伸计固定在被测试件上。
所述引伸计的工作原理是： 当被测试件发生变形时被引伸杆 7引出， 转换成两个连接件 4之间水平距离的变化。 被引伸出的变形 ΔΧ传递给变形放大机构 6, 相当于给变形放大机构 6的两端施加水平方向的位移加载 ΔΧ。 变形放大机构 6的结构如图 4所示， 其由 4个柔性铰 链 17组成， 且具有一输出端 18 , 位于变形放大机构 6中间位置， 两端分别通过两柔性铰链 17连接两方形柱体， 两方形柱体再通过两柔性铰链 17连接两安装端， 两安装端各开有两个 安装孔 16, 且输出端 18通过两柔性铰链 17连接两方形柱体的结构突出于两安装端， 构成阶 梯式对称方形柱体。 分别用点八、 C表示原始状态两端的铰链， Β表示输出端， 如附图 5所 示。 在受到加载后， 变形放大机构 6中的柔性铰链 17发生变形， 变形放大机构 6两端的柔性 铰链 17移动到点 A'、 C , 输出端 18移动到 B'点。 输出端 18的输出位移 ΔΥ高于水平方向 的加载 ΔΧ,二者的比值 ΔΥ/2ΔΧ为变形放大机构 6的放大倍数。变形放大机构 6的放大倍数 为一常数， 不会随着输入量的变形而变化。 变形放大机构 6的输出值传递给传感器 1。
实施例 1
模拟某石化厂主蒸汽管道的工艺条件， 使用本发明进行试验。 对主蒸汽管道局部变形进 行在线测量， 被测主蒸汽管道主要参数为： 材料是 10CrMo910, 压力是 lOMPa, 温度 540°C , 规格是 Φ273 X 28mm, 保温层厚度 100mm。 试验中所使用的引伸杆 7长是 150mm。 为了使引 伸计能稳定地固定在被测管道表面， 釆用一对固定块 19 (分别表示为 19a和 19b ), 固定块 19通过点焊的方式固定在被测试件表面。
安装时拆除管道的保温层， 在安装处进行打磨、 清洗后将其固定在管道上。 按照具体实 施方法中的操作步骤进行安装。 为了考核引伸计的精确性，在两组固定块 19中间处安装一片 高温应变片 23 ( KHCM-10-120-G15-11C2M )如附图 8所示， 将应变片的测量数据与引伸计 的测量数据进行对比。 把本发明和应变片分别与数据釆集模块和电脑连接好， 在数据釆集系 统中对初始位置清零， 准备工作就绪。
高温结构变形放大测量引伸计在线监测为期半年。
实施结果：
本发明明显监测到了管道运行过程中被测主蒸汽弯管的变形。将本发明和应变片 23所测 量到的数据对比后发现， 本发明能将被测试件变形放大 5倍后测量， 且整个过程中没有失真。 将本发明所测得的数据除以放大倍数 5后与应变片 23所测得的数据对比后发现，本发明精度 高， 可以达到 ± 0.2μηι, 分辨率达到 0.2μηι, 如附图 9所示， 从而可以证明该引伸计能够满足 主蒸汽管道在线监测的要求。
实施例 2
为了验证所发明的引伸计在实验室中的精度以及可靠性，将其与实验室具有的 INSTRON 公司的引伸装置 24同时安装在电子蠕变试验机的蠕变试验试样上， 如附图 10所示， 将已有 引伸装置 24的测量结果与本发明的测量结果进行对比。 引伸计由耐高温陶瓷纤维绳 22捆绑 在被测试样上， 已有引伸装置 24的卡环处开有圆形小孔 25 , 引伸杆 7的圆锥形顶端插在圆 形小孔 24里。
被测试件 21是标准蠕变圆棒试样，材料为 Ρ92钢，实验温度 600°C ,保温层厚度 100 mm。 蠕变实-检期为 3600小时。
试验时本发明中所使用的引伸杆 7长是 150 mm。
实施结果：
将本发明变形放大引伸计所得的数据与已有引伸装置 24所测得的数据进行比较，发现本 发明能将被测试件变形放大 5倍后准确测量， 且整个过程中没有误动作和失真现象。 将本发 明所测得的数据除以放大倍数 5后与已有引伸装置 24所测得的数据对比图，如附图 11所示， 比较发现相对于实验室已有的引伸装置 24, 本发明具有较高的精度和较高的分辨率， 分别可 达到士 0.2μηι和 0.2μηι。
在此说明书中， 本发明已参照其特定的实施例作了描述。 但是， 很显然仍可以作出各种 修改和变换而不背离本发明的精神和范围。 因此， 说明书和附图应被认为是说明性的而非限 制性的。

Claims

权利要求
1、一种高温结构变形放大测量引伸计， 其特征在于， 所述的高温结构变形放大测量引伸 计由一对引伸杆（7)、 两组安装块（5)、 两个连接件（4)、 变形放大机构 （6)、 传感器（1) 及传感器支架（3)组成， 所述的引伸杆（7) 为一圆形棒， 一端为平面， 一端为锥形； 利用 安装螺钉（10)通过安装孔（12)将安装块（5) 固定在引伸杆（7) 的为平面的一端； 所述 的安装块（5) 包括第一安装块（5a)和第二安装块（5b), 第一安装块（5a)和第二安装块
(5b)相接触面的中部设有圆形的引伸杆安装面（ 11 ), 引伸杆安装面 （ 11 )上分别开有四个 安装孔（12), 第二安装块（5b)—侧带有第一半圆形凸台， 第一半圆形凸台中部开有第一固 定孔（13a); 所述的连接件（4)一端为第二半圆形凸台， 在第二半圆形凸台内设有第二固定 孔（ 13b), 通过安装螺钉（ 10)穿设第一固定孔（ 13a)和第二固定孔（ 13b) 固定连接件（4) 和第二安装块（5b), 连接件（4)另一端为长方体， 在长方体内开有两条固定槽（14), 在固 定槽（14)上安装变形放大机构 (6)和传感器支架（3); 所述的变形放大机构 (6) 为一宽 度不变的阶梯式对称方形柱体， 在阶梯交接处和柱体的中间部位对称地开有四个柔性铰链 ( 17), 这四个柔性铰链 (7)构成拱桥形结构， 变形放大机构 (6)的两端各开有两个安装孔 ( 16), 从而将变形放大机构 (6)安装在连接件（4)上， 拱桥形结构的拱顶向下， 变形放大 机构 (6) 的中点为输出端 （18), 所述的传感器支架（3)上安装传感器（1), 传感器（1) 垂直于变形放大机构 (6), 传感器（1) 与测试终端 （9)相连。
2、 如权利要求 1所述的高温结构变形放大测量引伸计， 其特征在于， 两个连接件（4) 安装在同一条直线上， 并且该直线与两根引伸杆（7)的顶端所在直线平行， 以确保试件变形 等量地传递给连接件上的变形放大机构 （6)。
3、 如权利要求 1所述的高温结构变形放大测量引伸计， 其特征在于， 连接件（4)和安 装块（5)之间的夹角在大于 0度且小于等于 90度的范围内调整， 以满足不同表面形状被测 试件上的安装。
4、 如权利要求 1所述的高温结构变形放大测量引伸计， 其特征在于， 通过调整变形放大 机构 （6)在固定槽（14) 的安装位置， 以满足不同测量跨距的需要。
5、 如权利要求 1所述的高温结构变形放大测量引伸计， 其特征在于， 被测量部件表面的 变形被引伸杆（7)传递出， 经过变形放大机构 (6)机械放大后由传感器（1)进行测量。
6、 如权利要求 4所述的高温结构变形放大测量引伸计， 其特征在于， 变形放大机构（6) 中所用柔性铰链（ 17)是圆型、 椭圆型、 倒角直梁型、 抛物线型或双曲线型。
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