应力环标定和使用中的快速加载装置

应力环标定和使用中的快速加载装置

包乐

（上海环御企业管理咨询有限公司上海市201206）

摘要：通过丝杆旋进的原理，设计了一种快速测定应力环变形量的试验装置。该装置可以在对应力环的标定和试验中极大提高现有精度，并提高工作效率。本文通过介绍该装置的原理，结构以及使用方法，对该装置进行了全面的说明，并在展望中提出了对该装置下一步改进的目标。

关键词：应力环；标定；加载装置；精度；效率

1.前言

石油与天然气是当今世界上使用最广泛的两大主要能源，而硫化物则是石油和天然气中存在最多的，同时也是最具腐蚀性的有害物质之一。石油与天然气在做管道运输和相关加工处理过程中，硫化物会严重影响油气传输设施的寿命，并产生泄露的危险，因此相关设施的维护需要耗费大量的资金。随着现代社会对石油和天然气的需求加大，对相关设施抗硫化物应力腐蚀开裂性能的要求也越来越高。所以在硫化物环境下进行材料的相关试验是研究材料的抗应力腐蚀开裂性能和开发新型材料的重要方法之一。而应力环作为相关试验的重要设备，关于其使用的研究与改进对相关的研究和试验都有很大的意义。

2.问题提出

包括宝钢在内的国内很多企业，在使用应力环进行长期加载试验时，依据的是中国国家标准《GBT4157-2006金属在硫化氢环境中抗特殊形式环境开裂实验室试验》。依据该标准进行试验时，要先将应力环固定，然后将硫化物试验容器安装在应力环当中，将被测式样放置于容器中并通过工装与应力环两端的夹套相连接。在应力环上部有一加载螺母，在试验时通过锁紧螺母对试样施加载荷（图1）。载荷的大小通过测量应力环的变形量得到。这种方法简单，经济，实用，因此在应力腐蚀的试验中得到了国内厂家的广泛采用。

图1应力环工作示意图

但是使用该方法的首要条件在于要得到施加的负载与应力环变形的关系，即得到应力环变形载荷曲线。但是在以往的操作中，无论是标定还是试验，一般都是技工使用游标卡尺来确认应力环的变形量。这种方法会受到操作人员的手法、经验的影响，而且应力环的变形量很小（在25kN时的变形量不到3mm），所以这种方法的试验精度不是很理想，导致对用户和企业都造成了很大的困扰。因此如何搭建一套高效的测量加载装置，能够使企业精确、方便、高效的使用应力环，是一个我们迫切需要解决的问题。

图2用力传感器对应力环进行标定图3应力环变形载荷曲线

3.解决方案

如前文所述，无论是在标定还是在测量加载的时候，传统的测量方式是使用游标卡尺来测量应力环的变形。该种方法的瓶颈在于加载精度受游标卡尺的精度所限（一般为0.02mm），且受到测量人员的影响较大。那么制作一个简易的可视加载装置就可以大大的提升标定和工作准确度和效率。本方案就是制作一个加载测量盘来对加载螺母进行加载并实时读出加载位移。通过标定得到的应力环变形载荷曲线，就可以相对精确的设定对应力环的加载力。

4.工作原理

本方案使用的原理与千分表的测量原理类似，通过螺纹旋进一周，位移变化一个螺距这一特点，使用一个标记了刻度的加载盘（旋转一周有一千个刻度）来旋进加载螺母，可以帮助操作人员得到极小量级的螺母旋进量，并以此得到精确的加载位移变化，从而配合应力环变形载荷曲线，精确的设定施加力的大小。

5.结构介绍

5.1测量加载盘直径50cm，厚度1cm，盘当中切有减重孔。盘边缘刻着1000刻度线，配合定位指针，可以清楚的看到该加载盘转动到的位置。盘中心加工出六方孔，以配合相应的加载螺母的外径。

图4加载测量盘与定位指针

5.2定位指针一端是磁铁，另一端是轻质塑料针，以方便进行安装。

6.使用方法

该加载盘的使用分为两部分，第一步要通过标定得出应力环变形载荷曲线，而后在实验的时候配合该曲线对被测式样进行加载。

6.1通过对应力环的标定，得到加载盘的转动位置与应力环加载力值的变形载荷曲线。

1）需要将力传感器安装到位，然后手动将加载螺帽拧紧，特别注意此时不可以使用工具拧紧，以保证应力环此时并未处于加载状态。

2）将传感器置零，然后将加载盘套装在加载螺母上，并安装定位指针。

3）匀速转动加载盘，根据试验要求记录下相关转动位置的力值。

4）根据记录到的数据绘制相应的应力环的关系曲线。

图5使用加载盘标定应力环的正视及侧视图

6.2在标定后使用加载盘在试验中来对应力环进行加载。

1）要将被测物放置到位，然后手动将加载螺帽拧紧，此时仍然不可以使用工具加载，确保起始应力为零。

2）将加载盘套装在加载螺母上，并安装定位指针。

3）匀速转动加载盘，将其转动到相应的载位置。

4）然后用记号笔进行位置标记，以便能够及时发现锁紧螺帽松开。

注意，若发现锁紧螺母已经松开须及时按照6.2的步骤重新加载。

7.特点说明

7.1通用性：在对应不同规格的应力环的时候，本加载盘设计的通用性非常好。因为虽然不同厂家生产的应力环规格不同，但是对本加载盘的挑战主要就是加载螺母的尺寸的区别，所以用户只需要自身设备的尺寸定制加载盘中心的加载六方孔的尺寸即可满足使用要求。

7.2使用精度：我们以厂家使用M10粗牙螺栓为加载螺栓为例。该螺栓的标准螺距为1.5mm。即该螺栓旋进一圈，位移变化1.5mm。因为加载盘上有一千个刻度，所以使用加载盘时的理论精度等级为1.5μm，该精度远高优于游标卡尺的20μm。

7.3效率提升：该加载盘可以实现边加载边读数，省去了用游标卡尺反复验证的时间，大大的提高效率。又因为该加载盘结构简单，操作方便，大大减少了人为的使用误差。

8.结论与展望

本文通过介绍一种针对应力环的可视加载装置，该装置通过简单的机械工装提高了原有设备的测试精度，缩短了工作时间，具有很大的经济价值。但是在标定过程中，由于该装置的数据需要人工读出，事实上与力值的输出并不是严格意义上的同步，因此该测试方法仍然会带来一定的标定偏差。期待以后可以在标定设备中引入位移传感器，使之与力传感器同步输出数据到采集设备上，而后用电脑自动绘制出应力环变形载荷曲线，从而更大限度的提高标定工作精度，减少标定工作的时间。

参考文献

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[2]GB/T4157-2006,金属在硫化氢环境中抗特殊形式环境开裂实验室试验[S].

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[7]硫化物应力腐蚀开裂试验应力环载荷的测量及标定[J].黄仲婴,袁鹏斌,陶廷记,李广斌.理化检验(物理分册).2010(03).

作者简介

包乐（1981-03），男，蒙古族，当前职务：项目经理，当前职称：工程师（中级），学历：本科。