力磁效應下螺栓拉伸過程中磁信號檢測試驗*

楊思齊，樊建春，張來斌，王彥然，李盼盼

(中國石油大學(北京) 安全與海洋工程學院 北京 102249)

0 引言

壓裂管匯、采氣樹及防噴器等地面高壓設備在復雜的作業環境下可能承受幾十甚至上百兆帕壓力[1]。高壓設備殼體強度較高且密封性較為可靠，但是法蘭連接處密封性相對薄弱，高壓金屬密封多采用大螺栓作為承壓構件，其結構如圖1所示。當法蘭受到內壓作用時，螺栓由于金屬密封圈彈性變形量變化，其所受應力發生改變。所以可由螺栓所受應力判斷金屬密封的密封狀態[2-4]。法蘭盤上單個螺栓受力過大或過小都可能導致密封圈密封失效。

近年來國內已發生多起高壓設備連接法蘭金屬密封失效而引發的毒物泄漏和火災事故。根據煉油行業近十年來的燃燒爆炸事故調查顯示災難性事故70%以上是由于泄漏造成的[5]。

對于螺栓應力檢測，常見的方法有超聲波檢測、常規應變計法和專用螺栓應變計法等。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，探頭首先產生1個聲脈沖穿過螺栓整個長度，在另一側被反射回超聲波探頭，測量聲脈沖信號的傳播時間，進而可計算螺栓伸長量、載荷及軸向應力[6-7]。賈雪[8]利用縱波法標定了不同規格螺栓應力與聲時差的關系；Salim Chaki等[9]提出了橫縱波聯合法，可以在無需松開螺栓的情況下進行測量。但是超聲波檢測法易受溫度、噪聲、震動等環境工況影響，不適合在役螺栓的實時檢測[10]。

2)常規應變計法檢測是指將應變片貼在被檢螺栓上，使其隨螺栓應變一起伸縮，這樣里面的金屬箔材就隨著應變伸長或縮短，其電阻會隨之變化，進而通過測量電阻的變化而對應變進行測定。朱東升[11]開發了1種基于預應力的無線監測系統；Bickford[12]對不同測點安裝應變計，實現對螺栓彎曲及扭轉的測量。但是，常規應變計法一般需要對局部進行開槽或打孔處理，導致結構剛度下降，測量可靠度不高。

3)專用螺栓應變計法在待測螺栓的頭部中心打孔，埋入專用螺栓應變計，隨后進行封膠固化[13]。雖然測量精度高，但適用于科學研究與力學檢測，工程中使用不利于生產的持續運行，不利于整體裝置的穩定性，并且工程成本較高。

螺栓軸向應力檢測有助于對法蘭金屬密封性進行監控。但是上述的常規方法對螺栓應力檢測存在不少局限。本文基于力磁耦合效應，在室內對螺栓試樣進行靜載拉伸試驗，結合有限元模擬分析，利用1種新的無損檢測方法對螺栓拉伸過程中的應力變化進行檢測，并探究了不同因素對磁信號反饋螺栓軸向應力變化的影響。

1 力磁耦合效應

關于力磁耦合， 最先由Villari發現了磁致伸縮逆效應[14]，即壓磁效應，認為鐵磁體在承受力或發生形變時，其內部磁疇會重新排列而導致磁化狀態產生變化。漏磁場(Hp，單位A/m)與應力改變量(Δσ)間的關系公式首先由動力診斷公司研究人員提出[15]：

(1)

式中：λH為磁彈性效應不可逆分量，是受機械應力、外磁場強度和溫度綜合影響的函數；μ0=4π×10-7，為真空磁導率。

金屬的磁信號因為對應力狀態敏感，有一定及時反應的潛力，因此具有重要的研究價值[16-17]。筆者提出基于力磁效應，對螺栓在不同試驗條件下拉伸過程中的磁信號反饋應力變化情況進行試驗研究。

2 螺栓拉伸過程磁信號檢測試驗

2.1 試驗目的

本文基于力磁耦合效應，研究螺栓在拉伸過程中的應力情況，主要探究以下內容：

1)螺栓拉伸過程中，螺紋連接不同位置處螺栓的應力情況；

2)在拉伸過程中，螺栓六角頭所受應力情況；

3)試樣材料不同對磁信號反饋應力變化情況的影響；

4)螺母材料的鐵磁性對磁信號的變化影響。

2.2 檢測設備原理及構成

本試驗采用自行研發的螺栓拉伸試驗臺及隧道磁阻傳感器(TMR)在室內進行試驗，對試驗所用六角螺栓加載拉伸載荷，采用連續加載的方式，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。據試驗方案不同，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由DATAQ數據采集器轉化為電壓信號，然后傳到PC機上，其中螺栓拉伸試驗臺如圖2所示。

圖2 螺栓拉伸試驗臺示意Fig.2 Schematic diagram of bolt tensile testing bench

整個系統檢測框圖如圖3所示。

圖3 檢測系統框圖Fig.3 Block diagram of testing system

2.3 試樣尺寸及材料

本試驗使用3種不同材料的螺栓螺母，尺寸同為M24，①號試樣材料為42CrMo螺栓螺母；②號試樣材料為35CrMo螺栓螺母；③號試樣為螺栓材料為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 試驗方案設計

對應于試驗目的，本試驗設計4種試驗方案，具體方案布置如下：

為了探究螺栓在受到拉伸載荷時，螺紋連接不同位置應力集中情況，使用①號試樣，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。分別對試樣階梯加載及卸載3次。

為探究螺栓在受到拉伸載荷時螺栓六角頭處所受應力情況，使用①號試樣，將TMR傳感器布置于螺栓六角頭處，對試樣加載3次。

為探究材料對磁信號反饋應力變化情況的影響，換用②號試樣，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，對試樣連續階梯加載卸載3次。

為探究螺母材料的鐵磁性對檢測螺栓磁信號變化的影響，選擇③號試樣，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，對試樣連續階梯加載卸載3次。

圖5 螺母處傳感器2個布設位置Fig.5 Two layout positions of sensors at nut

上述階梯加、卸載均以10 KN每次進行，采樣頻率960 Hz，采樣時間1 s，連續試驗3次，取平均值結果，保證試驗重復性。

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力分布情況，針對上述試驗進行了ANSYS有限元仿真。以試驗所用的M24螺栓為分析模型。施加50 KN拉伸載荷以模擬試驗過程中對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力如圖6所示，可以看出：在螺紋連接部分，螺母前2扣處應力集中較大，而后幾扣處應力逐漸降低，而六角頭處應力較小。

圖6 拉伸載荷下螺栓沿程等效應力分布Fig.6 Distribution of equivalent stress along bolt under tensile load

4 試驗結果及討論

4.1 螺母不同位置處磁信號

使用①號試樣，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，磁信號量取3次平均值后的相對變化值曲線。

圖7 螺母不同位置處隨拉伸載荷磁信號對比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度變化明顯，故所受應力較大。相同載荷處，卸載過程的磁信號值略大于加載過程對應值，能較好的反應磁滯效應。

將傳感器布置于位置B處時，磁信號值較位置A處變化較小，說明該處受到的應力也較小。可推知當螺栓受到拉伸載荷時，螺母前幾扣的應力集中程度明顯大于后幾扣。試驗結果與有限元分析中螺母處螺紋前2扣等效應力大于后幾扣的結果較一致。

4.2 螺栓六角頭處磁信號

使用①號試樣，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平均值。

圖8 不同拉伸載荷下螺栓六角頭處磁信號值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，磁信號值變化很小，因此螺栓在拉伸載荷作用下螺栓六角頭處應力集中不明顯。這與有限元分析中螺栓六角頭處應力程度較低的結果吻合。

4.3 材料對磁信號值反饋應力變化情況的影響

更換螺栓螺母試樣材料，使用②號試樣，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，連續加載卸載3次。圖9為3次拉伸過程中加載卸載時磁信號平均值。

圖9 更換材料后加卸載磁信號值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號試樣不同，在拉伸過程中，螺栓螺母試樣磁信號值隨著拉伸載荷增加呈現下降的趨勢，可以看出，不同材料所受應力增大對磁信號變化均有促進作用。同時在卸載過程中，不同材料均能反映磁滯效應。

4.4 螺母材料鐵磁性對磁信號影響

螺栓在拉伸過程中，螺桿受到拉應力，螺母受到壓應力。換用試樣③，即更換了4.3節中所用的螺母，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，連續加載卸載3次。圖10為3次拉伸過程中加載卸載時磁信號平均值。

圖10 螺母無鐵磁性時加載卸載中磁信號值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，螺栓所受應力增大亦可對磁信號具有促進作用，并在卸載過程中同樣能反映出磁滯效應。

在螺栓拉伸過程中，螺桿所受拉應力和螺母所受壓應力共同對磁信號變化造成影響，去除螺母鐵磁性即去除掉螺母所受壓應力對磁信號變化影響。對比螺母有無鐵磁性時磁信號值反饋所受應力情況，將4.3與4.4節中磁信號值取相對變化量，結果如圖11所示。

圖11 螺母有無鐵磁性時磁信號值對比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，磁信號值隨載荷增大變化幅度較螺母具有鐵磁性時明顯降低。說明螺栓在拉伸過程中磁信號的改變主要是受螺母所受壓應力造成。

4 結論

1)螺栓軸向拉伸過程中，螺母位置前幾扣處應力集中程度遠大于后幾扣；螺栓六角頭處所受應力不明顯。

2)不同材料所受內壓增大，所受應力增大均能促進磁信號發生變化。但是不同材料反映規律相差較大，究其原因與材料磁極性有關，需要進一步進行研究。

3)螺栓在軸向拉伸過程中，螺栓磁信號變化主要受螺母所受壓應力影響。

4)由于螺母處磁場信號與應力關系呈現出較好的線性關系，因此利用該法對法蘭螺栓在承壓過程中進行軸向應力檢測，通過檢測各個螺栓受應力情況，如果存在法蘭盤上螺栓應力分布不均的情況，可以判斷為法蘭金屬密封性較差。