應(yīng)用背景

薩某水電站2號機組因超負荷運行，導(dǎo)致水輪機頂蓋的錨定螺栓被拉斷。斷裂后，機組轉(zhuǎn)動部件及頂蓋在巨大水壓下向上拋出，破壞廠房結(jié)構(gòu)，引發(fā)水淹廠房的連鎖災(zāi)害，造成75人死亡、13人受傷，多臺機組完全損毀。

山西某風電場43#塔筒從中、下段法蘭連接處折斷倒塌，主機隨同塔筒上段和中段朝著主導(dǎo)風向北偏西60度方向，法蘭盤脖頸距端部12mm處撕裂近三分之二（連接螺栓83孔），三分之一螺栓斷裂（42個），中塔筒下法蘭約三分之一撕裂隨中塔筒倒下。

預(yù)緊力（或軸力）是螺栓連接設(shè)計和使用的唯一指標，超過 80%的螺栓失效是由于初始緊固螺栓預(yù)緊力不足導(dǎo)致。

主因1：疲勞斷裂

螺栓由于扭矩法考慮不足造成預(yù)緊力不足，在交變應(yīng)力下使螺栓產(chǎn)生疲勞裂紋，最終擴展發(fā)生了斷裂。斷裂位置多位于螺栓與螺母螺紋接觸的第一齒應(yīng)力較集中處。葉片螺栓居多。

主因2：螺栓受剪后疲勞斷裂

預(yù)緊力不足導(dǎo)致被連接件連接件在運行中產(chǎn)生滑移和錯位，碰磨和剪切螺栓，螺桿表面損傷形成裂紋源引起疲勞斷裂。葉片螺栓居多。

主因3：過載斷裂

主要源于裝配時預(yù)緊力過小或失效，從而導(dǎo)致一部分螺栓承受過大載荷，當載荷大于螺栓的抗拉強度時，螺栓發(fā)生斷裂。常見于塔筒螺栓。

產(chǎn)品價值

直接測量螺栓受力情況及預(yù)緊力衰減的變化情況：通過超聲縱波測量螺栓按當前設(shè)計工藝安裝完成后，不同分布螺栓安裝后的受力（預(yù)緊力）情況，和一段時間內(nèi)螺栓受力（預(yù)緊力衰減）的變化情況。

驗證、確定緊固工藝：通過超聲縱波測量試驗?zāi)軌蚩煽?、完整的得出安裝之后的螺栓軸力及軸力的損失量。保裝配質(zhì)量，并對關(guān)鍵部位螺栓實現(xiàn)周期性的軸力測量。 

有助于提高機械連接的安全性和可靠性，避免因螺栓松動或斷裂導(dǎo)致的設(shè)備故障或安全事故。

技術(shù)原理

螺栓預(yù)緊力在線監(jiān)測系統(tǒng)是根據(jù)聲彈性理論，通過測量超聲波在螺栓等緊固件中傳輸時間的變化，計算出螺栓應(yīng)力、軸力、伸長量等數(shù)值。結(jié)合數(shù)字、可視化報表組合的形式展示各個監(jiān)測設(shè)備的最新監(jiān)測數(shù)據(jù)，給出報警信息。

解決方案

系統(tǒng)組成-總體架構(gòu)

超聲波螺栓檢測原理

螺栓在自由狀態(tài)下，螺栓內(nèi)部不存在預(yù)緊力，而螺栓在緊固狀態(tài)下，由于預(yù)緊力的作用，螺栓將發(fā)生形變，因此此時螺栓的變形量為ΔL，螺栓監(jiān)測系統(tǒng)依據(jù)ΔL與預(yù)緊力F之間的數(shù)學關(guān)系，計算得到預(yù)緊力F，該數(shù)學關(guān)系如下：

其中，F(xiàn)為螺栓的預(yù)緊力；E為螺栓材質(zhì)的彈性模量；S為螺栓截面積；ΔL 為螺栓的變形量；L為螺栓副的裝夾長度。

螺栓監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)射和接收超聲波脈沖電信號、測量并計算發(fā)射和回波電信號之間時間差。螺栓在自由狀態(tài)下，發(fā)射和接收電信號之間的時間差為T0，螺栓在緊固狀態(tài)下，螺栓發(fā)射和接收電信號之間的時間差為T1，由此依據(jù)電信號收發(fā)時間差與螺栓的變形量的關(guān)系，得到螺栓的變形量：

公式中v為機械縱波在螺栓內(nèi)的傳播速度。圖1為超聲波螺栓軸力測量示意圖，圖2 超聲波螺栓軸力測試原理框圖。

方案優(yōu)勢

通過超聲波換能器能直接測量螺栓所承受的軸向應(yīng)力，測量誤差小，該方法具有更高的測量精度。螺栓的應(yīng)力函數(shù)一旦建立就可以實時地在線監(jiān)測螺栓的應(yīng)力狀態(tài)?？梢詸z測在役螺栓，判斷螺栓的松緊狀態(tài)。

應(yīng)用場景

頂蓋螺栓探頭安裝

機組拐臂螺栓

案例展示

升船機翻版閘關(guān)鍵螺栓預(yù)緊力監(jiān)測

機組拐臂螺栓預(yù)緊力監(jiān)測