一种球形管板应力测量实验装置及测量方法

技术领域

本发明涉及应力测量技术领域，尤其涉及一种球形管板应力测量实验装置及测量方法。

背景技术

管板是构成列管式换热器、反应器的重要部件之一，起到连接换热管束、分隔管壳程空间的作用，作为设备内的重要承压部件，了解管板的应力情况并保证其结构强度是保障设备安全所需考虑的关键问题之一。

球形管板是一种应用于径向流反应器中的新型管板，在适应径向流反应器内部结构要求的同时，具有布管数量多、应力情况好的优点。目前，研究者正在开展关于球形管板应力分析的理论方法研究，尚没有成熟的球形管板应力分析理论方法，工程上采用有限元数值模拟方法校核管板结构强度，但数值模拟时其力学模型经过了一定的简化，使得数值模拟方法及模拟结果的准确性尚需验证。通过实验直接测量球形管板应力，是验证数值模拟和理论计算方法及结果可靠性的有效办法。

目前管板应力测量的实验方法主要有两种，第一种为电测法，这种方法是指直接将电阻应变片布置在管板的待测位置，应变片经过密封绝缘处理后通过导线与电阻应变仪相连，被测管板受到载荷后发生变形，电阻应变片中的电阻丝随之变形，引起电阻变化，通过电阻应变仪，即可读得管板被测区域应变数值，进而通过广义胡克定律求得应力。第二种方法为光弹性法，这种方法是指采用具有双折射性能的透明塑料，制成与被测管板结构几何形状相似的模型，模拟实际管板的受载情况，将受载后的塑料管板模型置于偏振光场中，获得干涉条纹图。根据光弹性原理和干涉条纹图可以计算出塑料管板模型上对应位置应力的大小和方向，再根据制作模型时确定的相似准则即可换算出原型管板上对应位置的应力情况。两者相比，电测法简单便捷，成本低廉，但需要在被测设备原型中进行测量，通常设备原型都具有较大尺寸，且内部结构复杂，拆卸、安装设备、布置应变片的过程繁琐，这极大的限制了该方法的应用。而光弹性法依据相似理论，通过另外制作原型结构的相似模型进行分析，避免了对设备原型的需求，更具优势。但光弹性模型只能一次性使用，不能满足多次重复实验的需求。因此，对于球形管板的应力测量，可以结合两者的优势，研发出一种通用的应力测量实验装置，以便为其应力的理论计算和数值模拟提供实验依据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术之不足，本发明提供一种球形管板应力测量实验装置及测量方法,基于相似理论设置，能够通过实验便捷、准确的测量球形管板的真实应力情况。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种球形管板应力测量实验装置，包括球形管板模型、装置本体、外部管路和储液罐；所述的装置本体包括基座、外筒体、上封头、应变仪，所述的外筒体固定在基座上表面，上封头则固定在外筒体顶部，所述的球形管板模型则设置在基座、外筒体和上封头构成的腔室内，并将该腔室分隔为管程空间和壳程空间，其中球形管板模型内为管程空间、球形管板模型与外筒体之间为壳程空间；所述的应变仪与应变片组通过导线连接；所述的球形管板模型包括上管板、下管板、换热管、支撑管和应变片组，所述的下管板固定在基座上表面，上管板固定在上封头下表面，所述的换热管和支撑管则连接在上管板与下管板之间，所述的下管板对应换热管和支撑管的连接位置形成布管圆，所述的应变片组包括若干应变花，所述的应变花分别设置在下管板的内表面和外表面的布管圆之间；所述的外部管路包括管程加压管路、壳程加压管路和排液管路，所述的储液罐与管程空间通过管程加压管路连接，所述的储液罐与壳程空间通过壳程加压管路连接，所述的管程加压管路和壳程加压管路上还接出有排液管路，该排液管路前端分别与管程加压管路和壳程加压管路连接、后端与储液罐连通。

优选的，应变测量采用内补偿法，所述的下管板外表面每层布管圆之间贴有外表面应变花，下管板内表面每层布管圆之间贴有内表面应变花。所述的下管板对应布管圆外，且顺延外表面应变花贴有外表面补偿应变花；所述的下管板对应布管圆外，且顺延内表面应变花贴有内表面补偿应变花。内外表面补偿应变花均只粘贴一端，在压力作用下可以自由伸缩，以测量应变花由于压力效应产生的附加变形。

优选的，所述的管程加压管路沿储液罐至管程空间的管路上依次设有手动试压泵和止回阀；所述的壳程加压管路沿储液罐至壳程空间的管路上依次设有手动试压泵和止回阀；所述的管程加压管路对应止回阀后端的管路上接出有排液阀、所述的壳程加压管路对应止回阀后端的管路上也接出有排液阀，上述排液阀则与排液管路连通。

为了在加载压力前排净装置内空气，所述的上封头对应管程空间和壳程空间分别接出有排空阀。为了实时观测装置内压力大小同时保证装置安全，所述的上封头还对应管程空间和壳程空间分别通过接出阀接出有压力安全装置，所述的压力安全装置为并联设置在接出阀阀后的压力表和安全阀。

一种球形管板应力测量方法，采用上述的一种球形管板应力测量实验装置，测量方法如下：

(1)、通过量纲分析确定球形管板模型与测量原型的相似准则，制得球形管板模型，将应变片组及应变仪通过导线连接，组装完成整个实验装置；

(2)、记录球形管板模型实际尺寸和应变片组的详细粘贴位置，记录应变仪上各读数点与实际应变片之间的对应关系；

(3)、根据所用应变片灵敏系数，调节应变仪灵敏系数与应变片灵敏系数相同；

(4)、逐点调节应变仪，使各测点应变读数接近零；

(5)、使用手动试压泵分别向管程空间及壳程空间内输送液体，当排空阀后管路流出液体时关闭对应排空阀，继续使用手动试压泵向管程空间及壳程空间内加载压力并观察压力表读数直到装置内压力达到目标压力为止；

(6)、通过应变仪记录各测点应变数值；

(7)、分别将管程空间与壳程空间加压到下一目标压力并记录各测点应变数值；

(8)、试验结束打开排液阀释放装置内压力并关闭应变仪电源。

本发明的有益效果是：本发明依据相似理论将反应器中大尺寸球形管板结构简化为小尺寸模型并置于实验装置中，避免了对设备原型的依赖，同时采用内补偿法对应变片由于压力效应引起的附加变形进行补偿，测量结果更加精确。

与通过光弹性法测量管板应力相比，本发明球形管板模型可以采用与原型结构相同材料制造，精简了量纲分析过程中的变量，避免了由于使用不同材料在相似计算时产生的误差，同时忽略了原型设备中非关键结构的影响，提升了模型制作的简易度。另外还可以对不同管壳程压力组合进行多次重复实验，提高了测量的准确度，也更具经济性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明所述基座侧视图。

图3是本发明球形管板模型下管板外表面应变片布置图。

图4是本发明球形管板模型下管板内表面应变片布置图。

图中1、应变仪 2、基座 2-1、加压管路接管 2-2、导线耐压接头 3、外筒体 4、球形管板模型 4-1、上管板 4-2、换热管 4-3、支撑管 4-4、下管板 4-5、应变片组 4-5-1、外表面应变花 4-5-2、外表面补偿应变花 4-5-3、内表面应变花 4-5-4、内表面补偿应变花 4-6、上管板筒体 4-7、下管板筒体 5、上封头 5-1、排空阀 5-2、压力表 5-3、安全阀 6、储液罐 7-1、手动试压泵 7-2、止回阀 7-3、管程加压管路 7-4、壳程加压管路 8、排液管路 8-1、排液阀

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。

如图1至图4所示的一种球形管板应力测量实验装置，包括球形管板模型4、装置本体、外部管路和储液罐6。其中球形管板模型4由反应器中需要测量应力的球形管板原型结构根据相似理论缩小制得。装置本体包括基座2、外筒体3、上封头5以及应变仪1。

基座2上设有用于连接外部加压管路的加压管路接管2-1，同时还设有用于安装外筒体3与球形管板模型4的螺孔，另外还设有能将应变片导线与应变仪1相连的耐压接头。外筒体3固定在基座2上表面，上封头5则固定在外筒体3顶部，球形管板模型4则设置在基座2、外筒体3和上封头5构成的腔室内，并将该腔室分隔为管程空间和壳程空间，其中球形管板模型4内为管程空间、球形管板模型4与外筒体3之间为壳程空间。

外部管路则包括加压管路和排液管路8。加压管路包括与管程空间相连的管程加压管路7-3和与壳程空间相连的壳程加压管路7-4。两个加压管路上分别设有手动试压泵7-1与止回阀7-2。加压管路起于储液罐6底部，终于装置本体的基座2。基座2上设有加压管路接管2-1和导线耐压接头2-2。排液管路8包括与管程加压管路7-3相连的管程排液管路8和与壳程加压管路7-4相连的壳程排液管路8，两个排液管路8与加压管路相连的节点分别位于对应加压管路的止回阀7-2之后，并在连接节点处设有排液阀8-1。管程排液管路8和与壳程加压管路7-4通过加压管路接管2-1接入装置。

为实时观测装置内压力大小同时保证装置安全，上封头5设有分别与管程空间和壳程空间相连的并联压力表5-2、安全阀5-3。同时为了在加载压力前排净装置内空气，上封头5另外还设有分别与管程空间和壳程空间相连的排空阀5-1。

换热管4-2和支撑管4-3则连接在上管板4-1与下管板4-4之间，下管板4-4对应换热管4-2和支撑管4-3的连接位置形成布管圆。应变测量采用内补偿法，在球形管板模型4下管板4-4内外表面每层布管圆之间贴有可以测量两向应变的应变花。即下管板4-4外表面每层布管圆之间贴有外表面应变花4-5-1，下管板4-4内表面每层布管圆之间贴有内表面应变花4-5-3。另外内外表面还单独设有仅粘贴一端的补偿应变片，用于测量应变片由于压力效应产生的附加变形。即下管板4-4对应布管圆外，且顺延外表面应变花4-5-1贴有外表面补偿应变花4-5-2，下管板4-4对应布管圆外，且顺延内表面应变花4-5-3贴有内表面补偿应变花4-5-4。应变片组4-5连接导线，导线通过导线耐压接头2-2接出装置，并与应变仪1连接。

管程加压管路7-3沿储液罐6至管程空间的管路上依次设有手动试压泵7-1和止回阀7-2；壳程加压管路7-4沿储液罐6至壳程空间的管路上依次设有手动试压泵7-1和止回阀7-2；管程加压管路7-3对应止回阀7-2后端的管路上接出有排液阀8-1、壳程加压管路7-4对应止回阀7-2后端的管路上也接出有排液阀8-1，上述排液阀8-1则与排液管路8连通。储液罐6为非密封结构，相对于装置本体设于较低位置，打开排液阀8-1卸载装置内压力后再打开排空阀5-1，装置本体内液体会由于重力作用沿排液管路8流回储液罐6内。为了防止应变测量元件短路同时防止装置腐蚀，储液罐6内介质选用方棚油作为加压介质。

在组装装置的过程中，以某径向反应器中球形管板与向中心折弯的换热管4-2为待测的管板结构原型为例，原型上某点应力可以表示为：

式中σ表示该点应力；D表示管板外径；δ

按照量纲分析得出的相似准则缩小制成球形管板模型4后使用电测法对其应力进行测量，避免了对设备原型的依赖，简化了测量步骤以及实验成本的同时满足了多次重复实验的需求。同时，通过相似理论简化球形管板结构时忽略原型反应器上其余附件的影响，仅考虑与球形管板应力相关的部件包括上、下球形管板，换热管4-2、支撑管4-3以及与上、下管板4-4相连的部分筒体进行简化，提升了模型制作的简易度。

通过上式经过量纲分析之后即可确定球形管板模型4与原型之间的相似准则，再结合实验装置的装配要求即可制得本实施例中的球形管板模型4，包括上管板4-1、下管板4-4、换热管4-2、支撑管4-3、贴于下管板4-4内外表面的应变片组4-5以及上、下管板筒体4-7；应变片组4-5由多个设置在下管板4-4内外表面布管圆之间的外表面应变花4-5-1、外表面补偿应变花4-5-2、内表面应变花4-5-3、内表面补偿应变花4-5-4组成。

制得球形管板模型4后将其安装在基座2上，同时将布置在管板内外表面的应变片组4-5以及应变仪1通过导线与基座2上对应的耐压接头相连。球形管板模型4安装完成后将外筒体3安装在基座2上，上封头5安装在外筒体3上，同时与球形管板模型4的上管板筒体4-6相连。装置本体安装完成后将加压管路通过基座2上对应的接管与装置本体相连。

装置组装完成后通过如下测量方法测量管板应力：

(1)记录球形管板模型4实际尺寸以及应变片组4-5详细粘贴位置；

(2)记录应变仪1上各读数点与实际应变片之间的对应关系；

(3)根据所用应变片灵敏系数，调节应变仪1灵敏系数与应变片灵敏系数相同；

(4)逐点调节应变仪1，使各测点应变读数接近零；

(5)使用手动试压泵7-1分别向装置管程空间及壳程空间内输送液体，当排空阀5-1后管路流出液体时关闭对应排空阀5-1，继续使用手动试压泵7-1向装置内加载压力并观察压力表5-2读数直到装置内压力达到目标压力为止；

(6)通过应变仪1记录各测点外表面应变花4-5-1、内表面应变花4-5-3的应变数值以及外表面补偿应变花4-5-2、内表面补偿应变花4-5-4的应变数值；

(7)分别将管程空间与壳程空间加压到下一目标压力并记录各测点外表面应变花4-5-1、内表面应变花4-5-3的应变数值以及外表面补偿应变花4-5-2、内表面补偿应变花4-5-4的应变数值；

(8)试验结束打开排液阀8-1释放装置内压力并关闭应变仪1电源；

(9)将各测点应变减去相应的补偿应变得到各测点真实应变，由真实应变计算应力，再由相似准则确定设备原型上对应位置应力大小。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。