楊思齊,樊建春,張來(lái)斌,王彥然,李盼盼
(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 安全與海洋工程學(xué)院 北京 102249)
壓裂管匯、采氣樹(shù)及防噴器等地面高壓設(shè)備在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境下可能承受幾十甚至上百兆帕壓力[1]。高壓設(shè)備殼體強(qiáng)度較高且密封性較為可靠,但是法蘭連接處密封性相對(duì)薄弱,高壓金屬密封多采用大螺栓作為承壓構(gòu)件,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)法蘭受到內(nèi)壓作用時(shí),螺栓由于金屬密封圈彈性變形量變化,其所受應(yīng)力發(fā)生改變。所以可由螺栓所受應(yīng)力判斷金屬密封的密封狀態(tài)[2-4]。法蘭盤上單個(gè)螺栓受力過(guò)大或過(guò)小都可能導(dǎo)致密封圈密封失效。
近年來(lái)國(guó)內(nèi)已發(fā)生多起高壓設(shè)備連接法蘭金屬密封失效而引發(fā)的毒物泄漏和火災(zāi)事故。根據(jù)煉油行業(yè)近十年來(lái)的燃燒爆炸事故調(diào)查顯示災(zāi)難性事故70%以上是由于泄漏造成的[5]。
對(duì)于螺栓應(yīng)力檢測(cè),常見(jiàn)的方法有超聲波檢測(cè)、常規(guī)應(yīng)變計(jì)法和專用螺栓應(yīng)變計(jì)法等。其檢測(cè)原理及局限分別為:
1)超聲波檢測(cè)使用的是脈沖反射法,該法是將超聲波探頭用耦合劑放在螺栓的一端,探頭首先產(chǎn)生1個(gè)聲脈沖穿過(guò)螺栓整個(gè)長(zhǎng)度,在另一側(cè)被反射回超聲波探頭,測(cè)量聲脈沖信號(hào)的傳播時(shí)間,進(jìn)而可計(jì)算螺栓伸長(zhǎng)量、載荷及軸向應(yīng)力[6-7]。賈雪[8]利用縱波法標(biāo)定了不同規(guī)格螺栓應(yīng)力與聲時(shí)差的關(guān)系;Salim Chaki等[9]提出了橫縱波聯(lián)合法,可以在無(wú)需松開(kāi)螺栓的情況下進(jìn)行測(cè)量。但是超聲波檢測(cè)法易受溫度、噪聲、震動(dòng)等環(huán)境工況影響,不適合在役螺栓的實(shí)時(shí)檢測(cè)[10]。
2)常規(guī)應(yīng)變計(jì)法檢測(cè)是指將應(yīng)變片貼在被檢螺栓上,使其隨螺栓應(yīng)變一起伸縮,這樣里面的金屬箔材就隨著應(yīng)變伸長(zhǎng)或縮短,其電阻會(huì)隨之變化,進(jìn)而通過(guò)測(cè)量電阻的變化而對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)定。朱東升[11]開(kāi)發(fā)了1種基于預(yù)應(yīng)力的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng);Bickford[12]對(duì)不同測(cè)點(diǎn)安裝應(yīng)變計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓彎曲及扭轉(zhuǎn)的測(cè)量。但是,常規(guī)應(yīng)變計(jì)法一般需要對(duì)局部進(jìn)行開(kāi)槽或打孔處理,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度下降,測(cè)量可靠度不高。
3)專用螺栓應(yīng)變計(jì)法在待測(cè)螺栓的頭部中心打孔,埋入專用螺栓應(yīng)變計(jì),隨后進(jìn)行封膠固化[13]。雖然測(cè)量精度高,但適用于科學(xué)研究與力學(xué)檢測(cè),工程中使用不利于生產(chǎn)的持續(xù)運(yùn)行,不利于整體裝置的穩(wěn)定性,并且工程成本較高。
螺栓軸向應(yīng)力檢測(cè)有助于對(duì)法蘭金屬密封性進(jìn)行監(jiān)控。但是上述的常規(guī)方法對(duì)螺栓應(yīng)力檢測(cè)存在不少局限。本文基于力磁耦合效應(yīng),在室內(nèi)對(duì)螺栓試樣進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn),結(jié)合有限元模擬分析,利用1種新的無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)螺栓拉伸過(guò)程中的應(yīng)力變化進(jìn)行檢測(cè),并探究了不同因素對(duì)磁信號(hào)反饋螺栓軸向應(yīng)力變化的影響。
關(guān)于力磁耦合, 最先由Villari發(fā)現(xiàn)了磁致伸縮逆效應(yīng)[14],即壓磁效應(yīng),認(rèn)為鐵磁體在承受力或發(fā)生形變時(shí),其內(nèi)部磁疇會(huì)重新排列而導(dǎo)致磁化狀態(tài)產(chǎn)生變化。漏磁場(chǎng)(Hp,單位A/m)與應(yīng)力改變量(Δσ)間的關(guān)系公式首先由動(dòng)力診斷公司研究人員提出[15]:
(1)
式中:λH為磁彈性效應(yīng)不可逆分量,是受機(jī)械應(yīng)力、外磁場(chǎng)強(qiáng)度和溫度綜合影響的函數(shù);μ0=4π×10-7,為真空磁導(dǎo)率。
金屬的磁信號(hào)因?yàn)閷?duì)應(yīng)力狀態(tài)敏感,有一定及時(shí)反應(yīng)的潛力,因此具有重要的研究?jī)r(jià)值[16-17]。筆者提出基于力磁效應(yīng),對(duì)螺栓在不同試驗(yàn)條件下拉伸過(guò)程中的磁信號(hào)反饋應(yīng)力變化情況進(jìn)行試驗(yàn)研究。
本文基于力磁耦合效應(yīng),研究螺栓在拉伸過(guò)程中的應(yīng)力情況,主要探究以下內(nèi)容:
1)螺栓拉伸過(guò)程中,螺紋連接不同位置處螺栓的應(yīng)力情況;
2)在拉伸過(guò)程中,螺栓六角頭所受應(yīng)力情況;
3)試樣材料不同對(duì)磁信號(hào)反饋應(yīng)力變化情況的影響;
4)螺母材料的鐵磁性對(duì)磁信號(hào)的變化影響。
本試驗(yàn)采用自行研發(fā)的螺栓拉伸試驗(yàn)臺(tái)及隧道磁阻傳感器(TMR)在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)所用六角螺栓加載拉伸載荷,采用連續(xù)加載的方式,將螺栓和螺母擰緊后使用千斤頂從0 KN均勻階梯加載至90 KN,再均勻階梯卸載。據(jù)試驗(yàn)方案不同,將TMR傳感器分別緊貼于螺栓螺母面及螺栓六角頭面。將傳感器采集到的磁信號(hào)由DATAQ數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),然后傳到PC機(jī)上,其中螺栓拉伸試驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。
圖2 螺栓拉伸試驗(yàn)臺(tái)示意Fig.2 Schematic diagram of bolt tensile testing bench
整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)框圖如圖3所示。
圖3 檢測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of testing system
本試驗(yàn)使用3種不同材料的螺栓螺母,尺寸同為M24,①號(hào)試樣材料為42CrMo螺栓螺母;②號(hào)試樣材料為35CrMo螺栓螺母;③號(hào)試樣為螺栓材料為35CrMo,螺母材料為奧氏體不銹鋼。所用3種螺栓螺母試樣如圖4所示。
圖4 所用螺栓螺母試樣Fig.4 Specimens of bolt and nut
對(duì)應(yīng)于試驗(yàn)?zāi)康模驹囼?yàn)設(shè)計(jì)4種試驗(yàn)方案,具體方案布置如下:
為了探究螺栓在受到拉伸載荷時(shí),螺紋連接不同位置應(yīng)力集中情況,使用①號(hào)試樣,將TMR傳感器布置于螺母處,并分別將傳感器布置于螺母上部及螺母下部,即圖5中位置A,B。分別對(duì)試樣階梯加載及卸載3次。
為探究螺栓在受到拉伸載荷時(shí)螺栓六角頭處所受應(yīng)力情況,使用①號(hào)試樣,將TMR傳感器布置于螺栓六角頭處,對(duì)試樣加載3次。
為探究材料對(duì)磁信號(hào)反饋應(yīng)力變化情況的影響,換用②號(hào)試樣,即材料為35CrMo的螺栓螺母,仍將TMR傳感器布置于螺母處位置A,對(duì)試樣連續(xù)階梯加載卸載3次。
為探究螺母材料的鐵磁性對(duì)檢測(cè)螺栓磁信號(hào)變化的影響,選擇③號(hào)試樣,即使用螺栓材料為35CrMo,螺母材料為奧氏體不銹鋼。仍將TMR傳感器布置于螺母處位置A,對(duì)試樣連續(xù)階梯加載卸載3次。
圖5 螺母處傳感器2個(gè)布設(shè)位置Fig.5 Two layout positions of sensors at nut
上述階梯加、卸載均以10 KN每次進(jìn)行,采樣頻率960 Hz,采樣時(shí)間1 s,連續(xù)試驗(yàn)3次,取平均值結(jié)果,保證試驗(yàn)重復(fù)性。
為更加直觀地顯示螺栓在拉伸過(guò)程中的應(yīng)力分布情況,針對(duì)上述試驗(yàn)進(jìn)行了ANSYS有限元仿真。以試驗(yàn)所用的M24螺栓為分析模型。施加50 KN拉伸載荷以模擬試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)螺栓施加的拉伸載荷,螺栓螺母之間采用frictional接觸。螺栓幾何模型及沿螺栓長(zhǎng)度分布的最大等效應(yīng)力如圖6所示,可以看出:在螺紋連接部分,螺母前2扣處應(yīng)力集中較大,而后幾扣處應(yīng)力逐漸降低,而六角頭處應(yīng)力較小。
圖6 拉伸載荷下螺栓沿程等效應(yīng)力分布Fig.6 Distribution of equivalent stress along bolt under tensile load
使用①號(hào)試樣,即材料為42CrMo螺栓螺母,將TMR傳感器分別貼于位置A,B處,從0 KN開(kāi)始階梯加載至90 KN,隨即階梯卸載到0 KN。連續(xù)加載卸載3次,圖7為傳感器分別布置在螺母上、下部處加載及卸載時(shí),磁信號(hào)量取3次平均值后的相對(duì)變化值曲線。
圖7 螺母不同位置處隨拉伸載荷磁信號(hào)對(duì)比Fig.7 Comparison of magnetic signals at different positions of nut under different tension loads
由圖7可以看出,將傳感器布置于螺母上部,即位置A處,磁信號(hào)值隨載荷增加而遞增,可以看出該位置,螺栓在拉伸載荷下磁化強(qiáng)度變化明顯,故所受應(yīng)力較大。相同載荷處,卸載過(guò)程的磁信號(hào)值略大于加載過(guò)程對(duì)應(yīng)值,能較好的反應(yīng)磁滯效應(yīng)。
將傳感器布置于位置B處時(shí),磁信號(hào)值較位置A處變化較小,說(shuō)明該處受到的應(yīng)力也較小。可推知當(dāng)螺栓受到拉伸載荷時(shí),螺母前幾扣的應(yīng)力集中程度明顯大于后幾扣。試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析中螺母處螺紋前2扣等效應(yīng)力大于后幾扣的結(jié)果較一致。
使用①號(hào)試樣,將傳感器布置于螺栓六角頭處。從0 KN開(kāi)始階梯加載到90 KN。圖8為3次拉伸過(guò)程中不同載荷下螺栓六角頭磁信號(hào)平均值。
圖8 不同拉伸載荷下螺栓六角頭處磁信號(hào)值Fig.8 Values of magnetic signals at hexagonal head of bolt under different tensile loads
由圖8可以明顯看出,將傳感器置于螺栓六角頭處,磁信號(hào)值變化很小,因此螺栓在拉伸載荷作用下螺栓六角頭處應(yīng)力集中不明顯。這與有限元分析中螺栓六角頭處應(yīng)力程度較低的結(jié)果吻合。
更換螺栓螺母試樣材料,使用②號(hào)試樣,將傳感器置于螺母上部,從0 KN開(kāi)始階梯加載至90 KN,隨即階梯卸載到0 KN,連續(xù)加載卸載3次。圖9為3次拉伸過(guò)程中加載卸載時(shí)磁信號(hào)平均值。
圖9 更換材料后加卸載磁信號(hào)值Fig.9 Values of magnetic signals during loading and unloading after replacing materia
由圖9可看出,更換螺栓螺母材料后,與①號(hào)試樣不同,在拉伸過(guò)程中,螺栓螺母試樣磁信號(hào)值隨著拉伸載荷增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),可以看出,不同材料所受應(yīng)力增大對(duì)磁信號(hào)變化均有促進(jìn)作用。同時(shí)在卸載過(guò)程中,不同材料均能反映磁滯效應(yīng)。
螺栓在拉伸過(guò)程中,螺桿受到拉應(yīng)力,螺母受到壓應(yīng)力。換用試樣③,即更換了4.3節(jié)中所用的螺母,換用到奧氏體不銹鋼材料,即螺母材料無(wú)鐵磁性,將傳感器布置于螺母上部位置A處。從0 KN開(kāi)始階梯加載至90 KN,隨即階梯卸載到0 KN,連續(xù)加載卸載3次。圖10為3次拉伸過(guò)程中加載卸載時(shí)磁信號(hào)平均值。
圖10 螺母無(wú)鐵磁性時(shí)加載卸載中磁信號(hào)值Fig.10 Values of magnetic signals during loading and unloading of nut without ferromagnetism
由圖10可看出,隨拉伸載荷增大,在去除螺母鐵磁性后,螺栓所受應(yīng)力增大亦可對(duì)磁信號(hào)具有促進(jìn)作用,并在卸載過(guò)程中同樣能反映出磁滯效應(yīng)。
在螺栓拉伸過(guò)程中,螺桿所受拉應(yīng)力和螺母所受壓應(yīng)力共同對(duì)磁信號(hào)變化造成影響,去除螺母鐵磁性即去除掉螺母所受壓應(yīng)力對(duì)磁信號(hào)變化影響。對(duì)比螺母有無(wú)鐵磁性時(shí)磁信號(hào)值反饋所受應(yīng)力情況,將4.3與4.4節(jié)中磁信號(hào)值取相對(duì)變化量,結(jié)果如圖11所示。
圖11 螺母有無(wú)鐵磁性時(shí)磁信號(hào)值對(duì)比Fig.11 Comparison of magnetic signals values of nut with and without ferromagnetism
由圖11可看出,在螺栓拉伸過(guò)程中,去除掉螺母鐵磁性后,磁信號(hào)值隨載荷增大變化幅度較螺母具有鐵磁性時(shí)明顯降低。說(shuō)明螺栓在拉伸過(guò)程中磁信號(hào)的改變主要是受螺母所受壓應(yīng)力造成。
1)螺栓軸向拉伸過(guò)程中,螺母位置前幾扣處應(yīng)力集中程度遠(yuǎn)大于后幾扣;螺栓六角頭處所受應(yīng)力不明顯。
2)不同材料所受內(nèi)壓增大,所受應(yīng)力增大均能促進(jìn)磁信號(hào)發(fā)生變化。但是不同材料反映規(guī)律相差較大,究其原因與材料磁極性有關(guān),需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。
3)螺栓在軸向拉伸過(guò)程中,螺栓磁信號(hào)變化主要受螺母所受壓應(yīng)力影響。
4)由于螺母處磁場(chǎng)信號(hào)與應(yīng)力關(guān)系呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系,因此利用該法對(duì)法蘭螺栓在承壓過(guò)程中進(jìn)行軸向應(yīng)力檢測(cè),通過(guò)檢測(cè)各個(gè)螺栓受應(yīng)力情況,如果存在法蘭盤上螺栓應(yīng)力分布不均的情況,可以判斷為法蘭金屬密封性較差。
中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)2019年5期