吊架载荷的监测方法

技术领域

本发明具体涉及一种吊杆载荷的监测方法，实现在吊架全寿命周期内载荷的监测。

背景技术

支吊架的作用是承受管道设备的重力、承受偶然的冲击载荷和控制管道在工作状态下的位移和振动。按工作性能可划分为刚性支吊架和弹簧支吊架。随着管道设备运行时间的累积，支吊架状态会出现变化。一旦支吊架部分或全部丧失其功能，承载和约束条件将发生变化，位移和应力分布将偏离设计状态，管道设备应力峰值增高，局部可能超过材料的许用应力，加快高温管道设备高应力蠕变损伤，缩短管道设备应有的使用寿命。

吊杆载荷传统的测量方法一般是在吊杆上贴上应变片，然后对吊杆进行卸载，测出应变，根据吊杆应变计算出载荷。目前就算用应变计替代应变片，只是提高了粘贴应变片这部分工作的效率，但整体工作效率依然不高。

贴应变片或者应变计方法精度很高，也是其他大多数方法的比较基准。但这种方法至少需要以下三个要素：一是需要在吊杆上贴应变片，工序复杂；二是需要一台应变测试仪，比较昂贵；三是需要对吊架进行卸载，非常费时，且在一些实际情况下,不允许或不可能进行加卸载，这种方法就无法实施。如果需要长期监测，应变片一般不能长时间工作，特别好的应变传感器工作时间也不能达到5年，而且还要考虑室外环境的影响，长期工作后，应变片或传感器的精度就会明显下降。所以亟需一种在吊架全寿期工作范围内，实时反应其载荷数值，且不需要卸载，测量精度高的方法。

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吊架载荷的监测方法，该方法能够在吊架全寿命周期工作范围内实时反应吊杆的载荷数值，且无需进行吊架的加卸载。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种吊架载荷的监测方法，包括如下步骤：

标定：在第一温度下，且在吊杆和标杆均无载荷的情况下，在吊杆上刻出第一刻痕和第二刻痕，在标杆上刻出第一标线和第二标线，第一刻痕和第二刻痕之间的原始距离与第一标线和第二标线之间的原始距离相同；

测量：测量时，在第二温度下，将所述标杆与待测吊杆贴合，所述标杆上设置有刻度，通过第一刻痕和第二刻痕对应的刻度得到所述待测吊杆的伸长量；

计算：根据所述待测吊杆的伸长量计算得到待测吊杆上的载荷。

第一温度和第二温度可以相同、可以不同，只要保证在标定时，吊杆和标杆位于同一环境温度下，以及在测量时，吊杆和标杆位于同一环境温度下即可。

根据本发明的一些优选实施方面，步骤3)中根据如下公式计算待测吊杆上的载荷：

T＝ES*|Δl

其中：T为待测吊杆的荷载；

E为待测吊杆的材料弹性模量；

S为待测吊杆的截面积；

Δl

Δl

L

根据本发明的一些优选实施方面，所述标杆和吊杆的材质相同。

根据本发明的一些优选实施方面，所述标杆上刻度的分度值为1～20μm。

根据本发明的一些优选实施方面，所述标杆上第一标线和第二标线之间的原始距离为1cm的整数倍，优选为1m。

根据本发明的一些优选实施方面，所述刻痕和标线的宽度误差小于或等于1μm；所述标线的宽度为小于或等于1μm。宽度精度大于1μm，代表的是精度在数值上更小，如0.5μm，但是精度更高。

根据本发明的一些优选实施方面，所述刻痕和标线分别环形设置在所述吊杆或标杆的外周上。

根据本发明的一些优选实施方面，所述标杆上设置有与吊杆相匹配的弧形，所述弧形内开设有凹槽，所述凹槽内设置有磁性材料，所述磁性材料用于将所述标杆吸附在吊杆上。

根据本发明的一些优选实施方面，所述第一刻痕和第二刻痕之间的距离为所述第一刻痕的上边缘线与第二刻痕的上边缘线之间的距离或所述第一刻痕的下边缘线与第二刻痕的下边缘线之间的距离；所述第一标线和第二标线之间的原始距离为无载荷下，所述第一标线的上边缘线与第二标线的上边缘线之间的距离或所述第一标线的下边缘线与第二标线的下边缘线之间的距离。

由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的吊架载荷的监测方法，消除了温度对标定和测量的影响，一次标定，在吊杆的全生命周期范围内都可测量；测量简单、方便、快速，无需加卸载，且测量成本低。

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为本发明实施例中吊架载荷的监测方法标定的示意图；

图2为本发明实施例中吊架载荷的监测方法测量的示意图；

图中，吊杆-1，标杆-2，刻痕-3，标线-4，刻度线-5。

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。

参见附图1-2，本实施例的吊架载荷的监测方法，具体包括如下步骤：

1、常规吊架的吊杆伸长量的估算

刚性吊杆一般采用低碳钢材料制作，其弹性模量为201GPa，一般取200GPa，不同行业中，由于安全系数的选择不同，材料许用应力标准也就不同。以电力行业为例，最新的行业公认的支吊架技术指导规范为《D-ZD2010发电厂汽水管道设计手册》，里面记载了吊杆材料的许用应力值，并给出了不同规格的吊杆许用载荷，如下表1所示，同时可根据应力应变公式(胡克定律)计算出所列出的规格吊杆的最大应变和拉应力范围。

表1吊杆应力应变计算表

从上表1可以得知，一般吊杆的应力最大为几十兆帕，每米伸长量为最大400μm附近。设计时一般会考虑吊杆规格选取的优化，若某吊点的载荷小，就会选择规格小一点的吊杆，因此，吊杆伸长量一般在上表所述的范围附近，不会太小也不会太大。

2、标定和测量

引起吊杆长度变化的因素有两个：温度和载荷。通过表1得知，每米吊杆，载荷导致的伸长量为200到400μm。

取低碳钢材料在常温下的热膨胀系数为12μm/m℃，即每摄氏度每米膨胀12μm，那么10℃就要膨胀120μm，这个量级相对于由于拉升所产生的影响是十分明显的，因此，通过本申请的方法进行吊杆上载荷的监测，必须要消除温度的影响。所以采用同一温度场标定、同一温度场测量。

同一温度场标定：是指在吊杆生产出来或不受拉压荷载的时候，分别在吊杆和另外一根专用于标定的标杆上，在同一个温度环境中，分别刻出两根间距相等的线，如图1所示。本实施例中设定两根线之间的距离为1m。标杆和吊杆的材质相同以保证结果的准确性。由于标杆和吊杆的截面均为圆形，所以将刻痕和标线为沿着标杆或吊杆的外周设置为环形。

本实施例中，为了方便区分，将吊杆上的线称为刻痕，标杆上的线称为标线。两个刻痕之间的距离与两个标线之间的原始距离相同。由于刻痕和标线是有宽度的，所以本申请中两个刻痕或两个标线之间的距离指的是刻痕或标线的上边缘线之间的距离，或者刻痕或标线的下边缘线之间的距离。如第一刻痕和第二刻痕之间的距离为第一刻痕的上边缘线与第二刻痕的上边缘线之间的距离或第一刻痕的下边缘线与第二刻痕的下边缘线之间的距离；第一标线和第二标线之间的距离为第一标线的上边缘线与第二标线的上边缘线之间的距离或第一标线的下边缘线与第二标线的下边缘线之间的距离。

通过本实施例中监测方法得到的结果，其准确度的关键在于：刻痕和标线宽度的精度，以及上下刻痕和上下标线之间距离的精度。若以1μm为精度目标，那么，将刻痕和标线的宽度设为1μm，上下刻痕和标线的间距精度定为1μm就可以达到要求。但是由于吊杆需要用在核电的某些特殊环境下，为了使刻痕明显，可以使用电镀法等手段增强刻痕的可观测性，或者可以将刻痕加粗，比如粗至1mm，但是刻痕宽度的精度依然为1μm。

标杆上具有刻度，以对加载有载荷的吊杆进行测量，如图2所示，本实施例中的标杆上刻度的分度值为5μm。

同一温度场测量：是指在吊杆受力情况下，将标杆紧靠待测吊杆，标杆上的标线和待测吊杆上的刻痕从肉眼上看尽量对齐。此时，吊杆上刻痕对应着标杆上标线附近的刻度，吊杆下刻痕对应着标杆下标线附近的刻度，由于测量时的待测吊杆和标杆与标定时的温度差相等，因此这时候温度的影响已消除，上下刻痕对应的刻度差值就是吊杆受拉力的伸长量，如图2所示。

由于吊杆的伸长量较小，可以使用便携式显微镜进行观测。显微镜将图像传至手持终端，手持终端通过图像上的刻度在图像像素点的坐标，计算吊杆的伸长量，进而计算出吊杆所受载荷。

在一些实施例中，可以将标杆上设置有与吊杆相匹配的弧形，弧形内开设有凹槽，凹槽内设置有磁性材料，磁性材料用于将标杆吸附在吊杆上以方便测量。

标定和测量时的环境温度可以相同也可以不同，只要保证在标定时，吊杆和标杆位于同一环境温度下，以及在测量时，吊杆和标杆位于同一环境温度下即可，以消除温度对标定和测量的影响。

3、测量结果与误差讨论

根据步骤2中标定和测量的结果，并依据如下公式，计算得到待测吊杆的载荷：

T＝ES|Δl

其中：T为待测吊杆的荷载；

E为待测吊杆的材料弹性模量；

S为待测吊杆的截面积；

Δl

Δl

L

上述方法以1μm的精度为基准，在吊杆上下设置刻痕、在标杆上下设置标线，针对两道刻痕、两根标线之间的距离标定这四处存在发生误差的可能性，取最不利的情况，误差为4μm。根据低碳钢弹性模量为200GPa来计算，误差为ΔT＝E×4×10

以下，以一根公称尺寸为NS12的普通Q235B材质吊杆对本申请的监测方法进行说明。吊杆上标线的刻痕上边缘对应标尺上标线刻度为+255，吊杆下标线的刻痕上边缘对应标尺下标线刻度为+45，则可用下述公式计算吊杆所受到拉力，过程如下：

T＝ES|Δl

其中E＝200GPa，S＝0.012

|Δl

代入公式可得：T＝4748N

误差的计算：ΔT＝S×0.8MPa＝0.00011304m

误差率为ΔT/T＝2.1％

本发明的吊架载荷的监测方法：消除了温度对测量的影响，提出同一温度场标定、同一温度场测量的方法；不管用什么方法进行制备刻痕和标线，刻痕和标线本身的宽度不是关键，刻痕和标线宽度的精度才是重点，控制精度才能得到准确的结果；标杆上两个标线的距离，不管是1m还是其他距离，都是可以起同样的作用。

本发明的吊架载荷的监测方法：一次标定，终生可测；应变片只能一次一贴，且若将应变片长期粘贴在构件上，很快会失效；但是在低应力水平下，吊杆不会发生塑性变形，本申请的方法结果始终真实可信；测量方便：非专业用户可自己直接测量，无需专业人员，但传统应变片测量方法做不到这一点；测量效率高：由于测量方便，一般半小时至少可测一个吊点，但传统应变片需要卸载、加载，同时可能还要拆保温，一天可能只测一个吊点。

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。