CN112229717A - 一种用于压力管道的载荷测量方法 - Google Patents

一种用于压力管道的载荷测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于压力管道的载荷测量方法，应变片R1、R2、R3、R4全桥组桥，用于测量压力管道水平向的弯矩；应变片R5、R6、R7、R8全桥组桥，用于测量压力管道竖直向的弯矩；应变片R9、R10、R11、R12全桥组桥，用于测量压力管道扭矩；应变片R13、R14、R15、R16全桥组桥，用于测量压力管道轴力；应变片R17、R18半桥组桥，用于测量压力管道竖直方向的剪力；应变片R19、R20半桥组桥，用于测量压力管道水平方向的剪力；各组桥应变片均为对称布置。本套载荷测量的理论基于现有的应变测量技术，通过应变片的合理布置，以及测量桥路的巧妙组合，将在轴力、剪力、弯矩、扭矩载荷共同作用复杂应力分布状态下的管道载荷分别单独测量换算而来。

Description

一种用于压力管道的载荷测量方法
技术领域
本发明涉及压力管道，具体属于工程领域中一种测量压力管道载荷的方法。
背景技术
压力管道是利用一定压力，用于输送气体或液体的管状设备，由于其输送的流体具有毒性、燃爆性和腐蚀性，且又有高温、高压、低温等特殊操作条件，使其具有相当大的危险性。工业应用中压力管道数量多，管道***大，布置复杂，运行过程受生产过程波动影响，运行条件变化多，如热胀冷缩、交变载荷、温度压力波动等。压力管道状态的好坏直接影响管道***的安全性。然而由于压力管道运行条件复杂多变，压力管道的状态也会发生变化。
准确地获取压力管道载荷对压力管道***设计、在线监测和可靠性评估等至关重要，成为工程领域亟待解决的问题。然而，由于测点不可达、多源激励以及流固耦合效应等，很多实际压力管道***的载荷难以甚至无法通过传感器直接测得。
为了解决上述问题，本发明基于当前理论界的各种载荷测量理论，结合自身的理论推导，研发了一整套压力管道在机械载荷、压力载荷和温度载荷下的载荷测量技术。所述的一种用于压力管道的载荷测量方法不仅可用于压力管道，还可应用于其他壁厚均匀的筒状结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以分别测量压力、机械载荷和热膨胀引起的轴力、剪力、弯矩和扭矩共同作用下的压力管道载荷的方法。具有性价比高、技术先进可靠、兼容性好的特点，可广泛应用。
一种用于压力管道的载荷测量方法，步骤如下，
步骤1，布置应变片贴片：
应变片R1、R2、R3、R4全桥组桥，用于测量压力管道水平向的弯矩；应变片R5、R6、R7、R8全桥组桥，用于测量压力管道竖直向的弯矩；应变片R9、R10、R11、R12全桥组桥，用于测量压力管道扭矩；应变片R13、R14、R15、R16全桥组桥，用于测量压力管道轴力；应变片R17、R18半桥组桥，用于测量压力管道竖直方向的剪力；应变片R19、R20半桥组桥，用于测量压力管道水平方向的剪力；各组桥应变片均为对称布置；
步骤2，测量载荷：
测量机械载荷
机械载荷的轴力的应变片13、14、15、16全桥组桥,并按下列公式换算得到轴力的测量值：
Figure BDA0002711838980000021
其中：∈仪应变仪读数
E 管道材料的弹性模量
Area 管道金属截面的面积
μ 管道测量的泊松比
机械载荷的剪力的应变片17、18半桥组桥，用以测量竖直方向的剪力；应变片19、20半桥组桥，用以测量水平方向的剪力，并按下列公式换算得到剪力的测量值：
Figure BDA0002711838980000022
其中：Z 管道截面抗弯模量
机械载荷的弯矩的应变片1、2、3、4全桥组桥，用以测量竖直方向的弯矩；应变片5、6、7、8全桥组桥，用以测量水平方向的弯矩，并按下列公式换算得到弯矩的测量值：
Figure BDA0002711838980000023
机械载荷的扭矩的应变片9、10、11、12全桥组桥，并按下列公式换算得到弯矩的测量值：
Figure BDA0002711838980000024
其中：WN 管道截面抗扭模量
测量压力载荷
管道轴力的测量，由于桥路为非对称布置，需对轴向载荷的转换公式进行修正，修正后的轴力换算公式如下：
Figure BDA0002711838980000025
其中：Di 管道外直径
Do 管道内直径
测量温度载荷
机械应变即为载荷换算所需应变；应变片无须做修正，即可测出热膨胀载荷。
本发明公开的一种管道载荷测量方法，可用于任何工程领域的压力管道的载荷测量，也可用于测量壁厚均匀的筒状结构。按照本发明所描述的应变片贴片方式和电桥组桥对管道或筒状结构的应变进行测量，并按照本发明所描述的换算方式进行换算后，即可分别测得复杂载荷作用下的结构的各个载荷分量。
本发明公开的一种管道载荷测量方法，可用于任何工程领域的压力管道的载荷测量，也可用于测量壁厚均匀的筒状结构。按照本发明所描述的应变片贴片方式和电桥组桥对管道或筒状结构的应变进行测量，并按照本发明所描述的换算方式进行换算后，即可分别测得复杂载荷作用下的结构的各个载荷分量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明应变片的贴片方式；
图2本发明轴力测量的组桥方式；
图3本发明剪力测量的组桥方式；
图4本发明弯矩测量的组桥方式；
图5本发明扭矩测量的组桥方式；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
具体实施例：
1机械载荷
机械载荷是管系中经常包含的载荷，较为常见的有阀门开关时产生的载荷，管系振动时产生的振动载荷等等。通常情况下，管系上的载荷为轴力、剪力、弯矩和扭矩共同作用，其应力分布状态是十分复杂的，直接测量其中任何一种载荷是无法实现的，可按照应变片贴片方式描述的电桥组桥方式，使其产生的应变相互抵消，最终仅保留单种载荷的应变，通过应变和载荷转换公式，将他们逐一分离测量换算出来。
1.1轴力
轴力的应变桥路为图1中应变片13、14、15、16所示的方式贴于压力管道上，应变片的组桥方式按图2中应变片R13、R14、R15、R16所示全桥组桥，轴力发生前应变仪读数清零，轴力发生后，记录应变仪读数∈仪，按照公式(1)换算得到轴力的测量值。
Figure BDA0002711838980000041
其中：∈仪应变仪读数
E 管道材料的弹性模量
Area 管道金属截面的面积
μ 管道测量的泊松比
1.2剪力
竖直方向剪力的应变桥路为图1中应变片17、18所示的方式贴于压力管道上，应变片的组桥方式按图3中应变片R17、R18所示半桥组桥，剪力发生前应变仪读数清零，剪力发生后，记录应变仪读数∈仪，按照公式(2)换算得到竖直方向剪力的测量值。
水平方向剪力的应变桥路为图1中应变片19、20所示的方式贴于压力管道上，应变片的组桥方式按图3中应变片R17、R18所示半桥组桥，剪力发生前应变仪读数清零，剪力发生后，记录应变仪读数∈仪，按照公式(2)换算得到竖直方向剪力的测量值。
Figure BDA0002711838980000042
其中：Z 管道截面抗弯模量
1.3弯矩
竖直方向弯矩的应变桥路为图1中应变片5、6、7、8所示的方式贴于压力管道上，应变片的组桥方式按图4中应变片R1、R2、R3、R4所示全桥组桥，弯矩发生前应变仪读数清零，弯矩发生后，记录应变仪读数∈仪，按照公式(3)换算得到竖直方向弯矩的测量值。
水平方向弯矩的应变桥路为图1中应变片1、2、3、4所示的方式贴于压力管道上，应变片的组桥方式按图4中应变片R1、R2、R3、R4所示全桥组桥，弯矩发生前应变仪读数清零，弯矩发生后，记录应变仪读数∈仪，按照公式(3)换算得到竖直方向弯矩的测量值。
Figure BDA0002711838980000051
1.4扭矩
扭矩的应变桥路为图1中应变片9、10、11、12所示的方式贴于压力管道上，应变片的组桥方式按图5中应变片R13、R14、R15、R16所示全桥组桥，扭矩发生前应变仪读数清零，轴力发生后，记录应变仪读数∈仪，按照公式(4)换算得到扭矩的测量值。
Figure BDA0002711838980000052
其中：WN 管道截面抗扭模量
2压力载荷
管道内压作用下的管道载荷的测量需要考虑如下因素：管道内压产生的环向拉伸，在轴向产生收缩变形；管道内压产生的径向压缩，也会在轴向产生膨胀变形，但由于贴片位置位于管道表面，管道内压在管道表面产生的径向压应力为0，其对轴向的变形可忽略不计。其他载荷(弯矩、扭矩、剪力)的桥路均为对称布置，每个应变片的压力附加应力相等，桥路自平衡，可自动过滤掉管道内压对桥路应变结果的影响；管道轴力的测量，由于桥路为非对称布置，需对轴向载荷的转换公式进行修正。同时考虑管道内压作用情况下的载荷，还需要知道管道内压力的变化情况。修正后的轴力换算公式如下：
Figure BDA0002711838980000053
其中：Di 管道外直径
Do 管道内直径
3温度载荷
管道热胀作用下的管道载荷的测量需要考虑如下因素：管道材料的热膨胀会导致管道在温度作用下，向各个方向热胀冷缩，管道的变形是热膨胀变形和热膨胀引起的管道载荷带来的变形共同作用的结果；通常没有热补偿功能的应变片的测量结果为单位长度的变形量，也就是热胀变形和热胀载荷引起的变形的和；经研究，热膨胀情况下的应变分为机械应变和热应变，其中热应变各向相同，等于热膨胀系数乘以温差，机械应变即为载荷换算所需应变；应变片测量结果为机械应变加热应变的和，但可通过桥路自身将热应变减除，因而无论应变片自身是否带温度补偿功能，无须做修正，即可测出热膨胀载荷。

Claims (1)

1.一种用于压力管道的载荷测量方法，其特征在于，
步骤1，布置应变片贴片：
应变片R1、R2、R3、R4全桥组桥，用于测量压力管道水平向的弯矩；应变片R5、R6、R7、R8全桥组桥，用于测量压力管道竖直向的弯矩；应变片R9、R10、R11、R12全桥组桥，用于测量压力管道扭矩；应变片R13、R14、R15、R16全桥组桥，用于测量压力管道轴力；应变片R17、R18半桥组桥，用于测量压力管道竖直方向的剪力；应变片R19、R20半桥组桥，用于测量压力管道水平方向的剪力；各组桥应变片均为对称布置；
步骤2，测量载荷：
测量机械载荷
机械载荷的轴力的应变片13、14、15、16全桥组桥,并按下列公式换算得到轴力的测量值：
Figure FDA0002711838970000011
其中：∈仪应变仪读数
E管道材料的弹性模量
Area管道金属截面的面积
μ管道测量的泊松比
机械载荷的剪力的应变片17、18半桥组桥，用以测量竖直方向的剪力；应变片19、20半桥组桥，用以测量水平方向的剪力，并按下列公式换算得到剪力的测量值：
Figure FDA0002711838970000012
其中：Z管道截面抗弯模量
机械载荷的弯矩的应变片1、2、3、4全桥组桥，用以测量竖直方向的弯矩；应变片5、6、7、8全桥组桥，用以测量水平方向的弯矩，并按下列公式换算得到弯矩的测量值：
Figure FDA0002711838970000013
机械载荷的扭矩的应变片9、10、11、12全桥组桥，并按下列公式换算得到弯矩的测量值：
Figure FDA0002711838970000014
其中：WN管道截面抗扭模量
测量压力载荷
管道轴力的测量，由于桥路为非对称布置，需对轴向载荷的转换公式进行修正，修正后的轴力换算公式如下：
Figure FDA0002711838970000021
其中：Di管道外直径
Do管道内直径
测量温度载荷
机械应变即为载荷换算所需应变；应变片无须做修正，即可测出热膨胀载荷。
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