力磁效应下螺栓拉伸过程中磁信号检测试验*

杨思齐，樊建春，张来斌，王彦然，李盼盼

(中国石油大学(北京) 安全与海洋工程学院 北京 102249)

0 引言

压裂管汇、采气树及防喷器等地面高压设备在复杂的作业环境下可能承受几十甚至上百兆帕压力[1]。高压设备壳体强度较高且密封性较为可靠，但是法兰连接处密封性相对薄弱，高压金属密封多采用大螺栓作为承压构件，其结构如图1所示。当法兰受到内压作用时，螺栓由于金属密封圈弹性变形量变化，其所受应力发生改变。所以可由螺栓所受应力判断金属密封的密封状态[2-4]。法兰盘上单个螺栓受力过大或过小都可能导致密封圈密封失效。

近年来国内已发生多起高压设备连接法兰金属密封失效而引发的毒物泄漏和火灾事故。根据炼油行业近十年来的燃烧爆炸事故调查显示灾难性事故70%以上是由于泄漏造成的[5]。

对于螺栓应力检测，常见的方法有超声波检测、常规应变计法和专用螺栓应变计法等。其检测原理及局限分别为：

1)超声波检测使用的是脉冲反射法，该法是将超声波探头用耦合剂放在螺栓的一端，探头首先产生1个声脉冲穿过螺栓整个长度，在另一侧被反射回超声波探头，测量声脉冲信号的传播时间，进而可计算螺栓伸长量、载荷及轴向应力[6-7]。贾雪[8]利用纵波法标定了不同规格螺栓应力与声时差的关系；Salim Chaki等[9]提出了横纵波联合法，可以在无需松开螺栓的情况下进行测量。但是超声波检测法易受温度、噪声、震动等环境工况影响，不适合在役螺栓的实时检测[10]。

2)常规应变计法检测是指将应变片贴在被检螺栓上，使其随螺栓应变一起伸缩，这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短，其电阻会随之变化，进而通过测量电阻的变化而对应变进行测定。朱东升[11]开发了1种基于预应力的无线监测系统；Bickford[12]对不同测点安装应变计，实现对螺栓弯曲及扭转的测量。但是，常规应变计法一般需要对局部进行开槽或打孔处理，导致结构刚度下降，测量可靠度不高。

3)专用螺栓应变计法在待测螺栓的头部中心打孔，埋入专用螺栓应变计，随后进行封胶固化[13]。虽然测量精度高，但适用于科学研究与力学检测，工程中使用不利于生产的持续运行，不利于整体装置的稳定性，并且工程成本较高。

螺栓轴向应力检测有助于对法兰金属密封性进行监控。但是上述的常规方法对螺栓应力检测存在不少局限。本文基于力磁耦合效应，在室内对螺栓试样进行静载拉伸试验，结合有限元模拟分析，利用1种新的无损检测方法对螺栓拉伸过程中的应力变化进行检测，并探究了不同因素对磁信号反馈螺栓轴向应力变化的影响。

1 力磁耦合效应

关于力磁耦合， 最先由Villari发现了磁致伸缩逆效应[14]，即压磁效应，认为铁磁体在承受力或发生形变时，其内部磁畴会重新排列而导致磁化状态产生变化。漏磁场(Hp，单位A/m)与应力改变量(Δσ)间的关系公式首先由动力诊断公司研究人员提出[15]：

(1)

式中：λH为磁弹性效应不可逆分量，是受机械应力、外磁场强度和温度综合影响的函数；μ0=4π×10-7，为真空磁导率。

金属的磁信号因为对应力状态敏感，有一定及时反应的潜力，因此具有重要的研究价值[16-17]。笔者提出基于力磁效应，对螺栓在不同试验条件下拉伸过程中的磁信号反馈应力变化情况进行试验研究。

2 螺栓拉伸过程磁信号检测试验

2.1 试验目的

本文基于力磁耦合效应，研究螺栓在拉伸过程中的应力情况，主要探究以下内容：

1)螺栓拉伸过程中，螺纹连接不同位置处螺栓的应力情况；

2)在拉伸过程中，螺栓六角头所受应力情况；

3)试样材料不同对磁信号反馈应力变化情况的影响；

4)螺母材料的铁磁性对磁信号的变化影响。

2.2 检测设备原理及构成

本试验采用自行研发的螺栓拉伸试验台及隧道磁阻传感器(TMR)在室内进行试验，对试验所用六角螺栓加载拉伸载荷，采用连续加载的方式，将螺栓和螺母拧紧后使用千斤顶从0 KN均匀阶梯加载至90 KN，再均匀阶梯卸载。据试验方案不同，将TMR传感器分别紧贴于螺栓螺母面及螺栓六角头面。将传感器采集到的磁信号由DATAQ数据采集器转化为电压信号，然后传到PC机上，其中螺栓拉伸试验台如图2所示。

图2 螺栓拉伸试验台示意Fig.2 Schematic diagram of bolt tensile testing bench

整个系统检测框图如图3所示。

图3 检测系统框图Fig.3 Block diagram of testing system

2.3 试样尺寸及材料

本试验使用3种不同材料的螺栓螺母，尺寸同为M24，①号试样材料为42CrMo螺栓螺母；②号试样材料为35CrMo螺栓螺母；③号试样为螺栓材料为35CrMo，螺母材料为奥氏体不锈钢。所用3种螺栓螺母试样如图4所示。

图4 所用螺栓螺母试样Fig.4 Specimens of bolt and nut

2.4 试验方案设计

对应于试验目的，本试验设计4种试验方案，具体方案布置如下：

为了探究螺栓在受到拉伸载荷时，螺纹连接不同位置应力集中情况，使用①号试样，将TMR传感器布置于螺母处，并分别将传感器布置于螺母上部及螺母下部，即图5中位置A，B。分别对试样阶梯加载及卸载3次。

为探究螺栓在受到拉伸载荷时螺栓六角头处所受应力情况，使用①号试样，将TMR传感器布置于螺栓六角头处，对试样加载3次。

为探究材料对磁信号反馈应力变化情况的影响，换用②号试样，即材料为35CrMo的螺栓螺母，仍将TMR传感器布置于螺母处位置A，对试样连续阶梯加载卸载3次。

为探究螺母材料的铁磁性对检测螺栓磁信号变化的影响，选择③号试样，即使用螺栓材料为35CrMo，螺母材料为奥氏体不锈钢。仍将TMR传感器布置于螺母处位置A，对试样连续阶梯加载卸载3次。

图5 螺母处传感器2个布设位置Fig.5 Two layout positions of sensors at nut

上述阶梯加、卸载均以10 KN每次进行，采样频率960 Hz，采样时间1 s，连续试验3次，取平均值结果，保证试验重复性。

3 螺栓拉伸载荷有限元仿真

为更加直观地显示螺栓在拉伸过程中的应力分布情况，针对上述试验进行了ANSYS有限元仿真。以试验所用的M24螺栓为分析模型。施加50 KN拉伸载荷以模拟试验过程中对螺栓施加的拉伸载荷，螺栓螺母之间采用frictional接触。螺栓几何模型及沿螺栓长度分布的最大等效应力如图6所示，可以看出：在螺纹连接部分，螺母前2扣处应力集中较大，而后几扣处应力逐渐降低，而六角头处应力较小。

图6 拉伸载荷下螺栓沿程等效应力分布Fig.6 Distribution of equivalent stress along bolt under tensile load

4 试验结果及讨论

4.1 螺母不同位置处磁信号

使用①号试样，即材料为42CrMo螺栓螺母，将TMR传感器分别贴于位置A，B处，从0 KN开始阶梯加载至90 KN，随即阶梯卸载到0 KN。连续加载卸载3次，图7为传感器分别布置在螺母上、下部处加载及卸载时，磁信号量取3次平均值后的相对变化值曲线。

图7 螺母不同位置处随拉伸载荷磁信号对比Fig.7 Comparison of magnetic signals at different positions of nut under different tension loads

由图7可以看出，将传感器布置于螺母上部，即位置A处，磁信号值随载荷增加而递增，可以看出该位置，螺栓在拉伸载荷下磁化强度变化明显，故所受应力较大。相同载荷处，卸载过程的磁信号值略大于加载过程对应值，能较好的反应磁滞效应。

将传感器布置于位置B处时，磁信号值较位置A处变化较小，说明该处受到的应力也较小。可推知当螺栓受到拉伸载荷时，螺母前几扣的应力集中程度明显大于后几扣。试验结果与有限元分析中螺母处螺纹前2扣等效应力大于后几扣的结果较一致。

4.2 螺栓六角头处磁信号

使用①号试样，将传感器布置于螺栓六角头处。从0 KN开始阶梯加载到90 KN。图8为3次拉伸过程中不同载荷下螺栓六角头磁信号平均值。

图8 不同拉伸载荷下螺栓六角头处磁信号值Fig.8 Values of magnetic signals at hexagonal head of bolt under different tensile loads

由图8可以明显看出，将传感器置于螺栓六角头处，磁信号值变化很小，因此螺栓在拉伸载荷作用下螺栓六角头处应力集中不明显。这与有限元分析中螺栓六角头处应力程度较低的结果吻合。

4.3 材料对磁信号值反馈应力变化情况的影响

更换螺栓螺母试样材料，使用②号试样，将传感器置于螺母上部，从0 KN开始阶梯加载至90 KN，随即阶梯卸载到0 KN，连续加载卸载3次。图9为3次拉伸过程中加载卸载时磁信号平均值。

图9 更换材料后加卸载磁信号值Fig.9 Values of magnetic signals during loading and unloading after replacing materia

由图9可看出，更换螺栓螺母材料后，与①号试样不同，在拉伸过程中，螺栓螺母试样磁信号值随着拉伸载荷增加呈现下降的趋势，可以看出，不同材料所受应力增大对磁信号变化均有促进作用。同时在卸载过程中，不同材料均能反映磁滞效应。

4.4 螺母材料铁磁性对磁信号影响

螺栓在拉伸过程中，螺杆受到拉应力，螺母受到压应力。换用试样③，即更换了4.3节中所用的螺母，换用到奥氏体不锈钢材料，即螺母材料无铁磁性，将传感器布置于螺母上部位置A处。从0 KN开始阶梯加载至90 KN，随即阶梯卸载到0 KN，连续加载卸载3次。图10为3次拉伸过程中加载卸载时磁信号平均值。

图10 螺母无铁磁性时加载卸载中磁信号值Fig.10 Values of magnetic signals during loading and unloading of nut without ferromagnetism

由图10可看出，随拉伸载荷增大，在去除螺母铁磁性后，螺栓所受应力增大亦可对磁信号具有促进作用，并在卸载过程中同样能反映出磁滞效应。

在螺栓拉伸过程中，螺杆所受拉应力和螺母所受压应力共同对磁信号变化造成影响，去除螺母铁磁性即去除掉螺母所受压应力对磁信号变化影响。对比螺母有无铁磁性时磁信号值反馈所受应力情况，将4.3与4.4节中磁信号值取相对变化量，结果如图11所示。

图11 螺母有无铁磁性时磁信号值对比Fig.11 Comparison of magnetic signals values of nut with and without ferromagnetism

由图11可看出，在螺栓拉伸过程中，去除掉螺母铁磁性后，磁信号值随载荷增大变化幅度较螺母具有铁磁性时明显降低。说明螺栓在拉伸过程中磁信号的改变主要是受螺母所受压应力造成。

4 结论

1)螺栓轴向拉伸过程中，螺母位置前几扣处应力集中程度远大于后几扣；螺栓六角头处所受应力不明显。

2)不同材料所受内压增大，所受应力增大均能促进磁信号发生变化。但是不同材料反映规律相差较大，究其原因与材料磁极性有关，需要进一步进行研究。

3)螺栓在轴向拉伸过程中，螺栓磁信号变化主要受螺母所受压应力影响。

4)由于螺母处磁场信号与应力关系呈现出较好的线性关系，因此利用该法对法兰螺栓在承压过程中进行轴向应力检测，通过检测各个螺栓受应力情况，如果存在法兰盘上螺栓应力分布不均的情况，可以判断为法兰金属密封性较差。