力磁效應(yīng)下螺栓拉伸過程中磁信號(hào)檢測試驗(yàn)*

楊思齊，樊建春，張來斌，王彥然，李盼盼

(中國石油大學(xué)(北京) 安全與海洋工程學(xué)院 北京 102249)

0 引言

壓裂管匯、采氣樹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)螺栓受力過大或過小都可能導(dǎo)致密封圈密封失效。

近年來國內(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，常見的方法有超聲波檢測、常規(guī)應(yīng)變計(jì)法和專用螺栓應(yīng)變計(jì)法等。其檢測原理及局限分別為：

1)超聲波檢測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)聲脈沖穿過螺栓整個(gè)長度，在另一側(cè)被反射回超聲波探頭，測量聲脈沖信號(hào)的傳播時(shí)間，進(jìn)而可計(jì)算螺栓伸長量、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，可以在無需松開螺栓的情況下進(jìn)行測量。但是超聲波檢測法易受溫度、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[10]。

2)常規(guī)應(yīng)變計(jì)法檢測是指將應(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)變伸長或縮短，其電阻會(huì)隨之變化，進(jìn)而通過測量電阻的變化而對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測定。朱東升[11]開發(fā)了1種基于預(yù)應(yīng)力的無線監(jiān)測系統(tǒng)；Bickford[12]對(duì)不同測點(diǎn)安裝應(yīng)變計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓彎曲及扭轉(zhuǎn)的測量。但是，常規(guī)應(yīng)變計(jì)法一般需要對(duì)局部進(jìn)行開槽或打孔處理，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度下降，測量可靠度不高。

3)專用螺栓應(yīng)變計(jì)法在待測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]。雖然測量精度高，但適用于科學(xué)研究與力學(xué)檢測，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種新的無損檢測方法對(duì)螺栓拉伸過程中的應(yīng)力變化進(jìn)行檢測，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。

1 力磁耦合效應(yīng)

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(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價(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)條件下拉伸過程中的磁信號(hào)反饋應(yīng)力變化情況進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 螺栓拉伸過程磁信號(hào)檢測試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本文基于力磁耦合效應(yīng)，研究螺栓在拉伸過程中的應(yīng)力情況，主要探究以下內(nèi)容：

1)螺栓拉伸過程中，螺紋連接不同位置處螺栓的應(yīng)力情況；

2)在拉伸過程中，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。

2.2 檢測設(shè)備原理及構(gòu)成

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)檢測框圖如圖3所示。

圖3 檢測系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of testing system

2.3 試樣尺寸及材料

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

2.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

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。

3 螺栓拉伸載荷有限元仿真

為更加直觀地顯示螺栓在拉伸過程中的應(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

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

4.1 螺母不同位置處磁信號(hào)

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，卸載過程的磁信號(hào)值略大于加載過程對(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，說明該處受到的應(yīng)力也較小?？赏浦?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。

4.2 螺栓六角頭處磁信號(hào)

使用①號(hào)試樣，將傳感器布置于螺栓六角頭處。從0 KN開始階梯加載到90 KN。圖8為3次拉伸過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。

4.3 材料對(duì)磁信號(hào)值反饋應(yīng)力變化情況的影響

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，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)在卸載過程中，不同材料均能反映磁滯效應(yīng)。

4.4 螺母材料鐵磁性對(duì)磁信號(hào)影響

螺栓在拉伸過程中，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，即螺母材料無鐵磁性，將傳感器布置于螺母上部位置A處。從0 KN開始階梯加載至90 KN，隨即階梯卸載到0 KN，連續(xù)加載卸載3次。圖10為3次拉伸過程中加載卸載時(shí)磁信號(hào)平均值。

圖10 螺母無鐵磁性時(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，并在卸載過程中同樣能反映出磁滯效應(yīng)。

在螺栓拉伸過程中，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。說明螺栓在拉伸過程中磁信號(hào)的改變主要是受螺母所受壓應(yīng)力造成。

4 結(jié)論

1)螺栓軸向拉伸過程中，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)法蘭螺栓在承壓過程中進(jìn)行軸向應(yīng)力檢測，通過檢測各個(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。