CN111795765A - 一种预紧件服役应力的无损监测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预紧件服役应力的无损监测装置，其包括至少一个预紧件应力采集单元，所述预紧件应力采集单元包括超声体波传感器，可同时产生超声横波和超声纵波，其探头与被测预紧件一端面紧密贴合；超声体波采集仪，与所述超声体波传感器相连，并将所述超声体波传感器产生的超声横波和超声纵波转化为应力数据；其还包括与所述超声体波采集仪相连的监控分析系统，接收所述超声体波采集仪转化的应力数据并分析，以及根据应力分析结果做出监测措施。还公开了用该装置监测预紧件应力的方法，对应力过低、过高或异常情况下的不同服役状态下的被检预紧件采取不同监控措施，以免有危险发生，导致损财害命的发生。

Description

一种预紧件服役应力的无损监测装置和方法

技术领域

本发明属于应力监测技术领域，特别是指一种预紧件服役应力的无损监测装置和方法。

背景技术

螺栓作为工业现场中常用的连接件，普遍应用在航空航天、船舶轮机、桥梁建设、化工设备、新能源等领域的关键设备的连接处。其中，螺栓轴向应力作为影响螺栓性能、寿命以及使用状态的重要因素，愈发受到重视。由于栓体结构的特殊性以及轴向加载后螺纹部分的形变，给螺栓轴向应力测量带来了非常大的不确定性以及测量难度，近几十年来国内外都在积极地探索解决这一问题的办法。

顶盖、蜗壳及锥管等，均是水电站水轮机的关键部件，其结构和功能的完整性直接响机组的安全运行。而螺栓作为这些部分的核心连接部件，使顶盖能够完成装载活动导叶，以及水封形成流道的功能。如果这些位置的螺栓发生松动、失效甚至断裂等故障，会引起重大事故，如水流淹没厂房，甚至人员伤亡。

目前，工业现场常用扭矩扳手或测量螺栓伸长量来间接判断螺栓轴向紧固应力值大小，但由于螺杆滑动摩擦副摩擦力的影响，真正能够使螺栓产生轴向应力的扭矩不到扭矩扳手面板数值的20％，扭矩扳手显示的拧紧数值与实际螺栓的受力状态差异很大，通过对中电十四所的1000多组雷达T/R组件水嘴螺纹口的拧紧应力状态监测分析可知，30％多处于松弛状态而导致30％的水嘴螺纹孔有泄漏隐患、30％多处于拧的过紧状态而导致30％的水嘴螺纹有开裂的隐患，只有30％左右处于良好的拧紧状态。国内外对螺栓轴向应力无损监测开展了脉冲回波反射法、渡越时间法、相位法等技术的研究，但是这些方法由于无法获得已安装螺栓或埋深地脚螺栓的长度而无法有效获取螺栓的服役轴向应力状态。因此，螺栓紧固力和服役应力的现场原位无损监测和连续监测成为工业领域的一个技术难题。

文献检索发现，专利申请号为CN201810124284.3的专利公开了一种基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度监测方法及系统，采用压电超声晶片作为超声激励源粘贴于螺栓头部，利用超声波单波飞行时间差随应力值变化规律，实现螺栓预紧力的实时监测。该方法使用单一形式的超声波，将应力仅与螺栓长度变化对应的声时变化量建立联系，忽略了应力对超声声速的影响，监测结果存在明显的误差。

专利申请号为CN201810365953.6的专利公开了一种在役螺栓轴力的监测方法、监测系统及监测装置，综合考虑螺栓的材料常数对螺栓轴力的影响，以及螺母受力区长度和螺母受力区内轴正应力因子对螺栓轴力的影响，利用超声波渡越时间—轴力模型，有效地测量在役螺栓的轴力大小。但该方法中，超声波激发装置和接收装置相对设置在待测在役螺栓的两侧，对耦合状态和激发接收装置的同轴度要求较高，而且，工程现场上使用的螺栓大部分是一端露在外面、另一端在盲孔里或穿过式，现场无法安装监测和监测探头，实践工程难以应用推广，应用价值较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种预紧件服役应力的无损监测装置和方法，用于对在役预紧件的应力进行原位无损监测，预防事故发生，减少损失。

本发明一种预紧件服役应力的无损监测装置，其包括至少一个预紧件应力采集单元，所述预紧件应力采集单元包括

超声体波传感器，可同时产生超声横波和超声纵波，其探头与被测预紧件一端面紧密贴合；

超声体波采集仪，与所述超声体波传感器相连，并将所述超声体波传感器产生的超声横波和超声纵波转化为应力数据；

其还包括与所述超声体波采集仪相连的监控分析系统，接收所述超声体波采集仪转化的应力数据并分析，以及根据应力分析结果做出监测措施。

由上，由超声体波传感器在被检预紧件内激发纵波和横波，超声体波采集仪采集超声体波传感器激发的纵、横波，并传给监控分析系统进行应力分析，将监测到的应力与拧紧力或被检预紧件材料的屈服强度比较，对应力过低、过高或异常情况下的不同服役状态下的被检预紧件采取不同监控措施，以免有危险发生，导致损财害命的发生。

较佳的，所述应力监控分析系统包括用于存储分析所述应力数据的计算机、以及显示所述应力分析结果的工业显示器。

较佳的，所述应力监控分析系统设置在远端；

还包括设置在监测本地的与所述超声体波采集仪和所述计算机相连的交换机、以及与所述交换机相连的服务器，所述交换机将所述超声体波采集仪转化的所述应力数据传给所述服务器储存，所述服务器实时通过所述交换机将其储存的所述应力数据传给远端的所述应力监控分析系统。

由上，当监控分析系统设置在远端时，服务器通过交换机将监测到的被检预紧件内的应力数据由本地传到远端的监控分析系统里进行应力分析并将分析结果在工业显示器上显示。

较佳的，所述应力监控分析系统设置在远端；

所述超声体波采集仪采集的所述应力数据通过云服务传递给所述应力监控分析系统。

较佳的，所述超声体波传感器包括超声横波传感器和超声纵波传感器。

较佳的，所述超声体波采集仪包括接收所述超声横、纵波的超声收发卡和将所述超声横、纵波转换成应力数据的工控机、以及与所述工控机相连的温度模块和与所述温度模块相连的温度传感器，所述温度模块根据所述温度传感器感应到的温度对应力进行补偿调控。

一种根据以上所述的无损监测装置监测预紧螺栓服役应力的方法，其包括：

第一步，通过拉伸试验获得被检预紧件的横波系数和纵波系数，并将其分别输入工控机的专用软件里；

第二步，对被检预紧件的待测端部去漆处理；

第三步，将超声体波换能器的探头与所述被检预紧件的待测端部紧密贴合，所述预紧件服役应力的无损监测装置连接好后，开始监测所述被检预紧件内部的应力；

第四步，监控分析系统分析应力后根据应力分析结果做出不同监测措施。

由上，根据以上步骤，对不同服役状态的被检预紧件比如螺栓进行应力监测，并对监测到的应力进行分析，根据分析结果对于不同服役状态的螺栓采取不同的预警措施。

较佳的，第四步中根据应力分析结果做出不同监管措施的方法是：

1)拧紧中、拧紧后的被检预紧件出现应力过高、过低或异常突变时进行标记，并重点巡查；

2)在役被检预紧件出现应力过高、过低或异常突变时进行报警提示，并立即采取补救措施。

较佳的，所述服役应力过低是指低于拧紧力标准或低于被检预紧件材料1/3屈服强度以下，所述服役应力过高是指远大于拧紧力标准或大于被检预紧件材料2/3屈服强度以上。

由上，监控分析系统对接收到的监测时间内的应力数据与拧紧力和1/3螺栓材料屈服强度比较，低于拧紧力或低于1/3螺栓材料屈服强度的

本发明提出了一种用于水电站预紧件服役应力的远程实时在线原位的多通道无损监测与监测和评估方法。该方法不仅可以使用超声体波原理实现对单根水电站预紧件轴向服役应力的在单端进行放置体波探头监测，同时配合多通道模块也可实现同时对多根水电站预紧件轴向服役应力的原位无损监测，加之网络和组网模块还可以对水电站预紧件轴向服役应力的远程在线无损监测功能，进而将预紧件服役期任意时刻的轴向应力值实时显示，并对其当前的工作状态进行评估反馈，异常的工作状态(服役应力过高或过低或异常突变等)给予报警提示。因此，该方法适用于水轮发电机组关键部件(包括顶盖、蜗壳及锥管等)处多根预紧件(连接螺栓)轴向服役应力的无损监测与监测，进而为有效评估水电站安全运行状态提供了有力指标。

附图说明

图1为一种预紧件服役应力的无损监测装置连接示意图；

图2为超声体波换能器采集应力示意图；

图3为应力采集单元的连接示意图；

1超声体波换能器 2超声体波应力采集仪 3交换机 4服务器 5应力监控分析系统6

11超声纵波换能器 12超声横波换能器 13专用耦合剂

21RF射频开关 22超声收发卡 23工控机 24温度传感器 25温度模块

51计算机 52工业显示器。

具体实施方式

根据声弹性理论，无法监测Z轴方向残余应力的主要原因是轴向形变和厚度给应力系数测量与应力监测精度带来极大影响，如果消除掉形变和厚度带来的影响，就可以监测Z轴方向残余应力，徐春广等2017年3月发表在《声学学报》上的《残余应力的超声横纵波监测方法》里阐释了同时产生超声横波、纵波可以消除形变和厚度对应力监测带来的影响。所以可以利用超声横波传感器和超声纵波传感器组成的超声体波传感器来监测轴向残余应力。

本发明提出了一种预紧件服役应力的无损监测装置和方法，本实施例中预紧件为螺栓，该装置和方法利用超声体波传感器来监测拧紧中、拧紧后或服役中螺栓的轴向残余应力，特别用于监测和监测水电站水轮发电机组关键部件(包括顶盖、蜗壳及锥管等)处单根或多根连接螺栓的服役应力状态，可以远程实时在线原位的进行无损监测和监测预紧螺栓轴向服役应力的状态，进而有效评估水电站安全运行状态。

如图1所示，一种预紧螺栓服役应力的无损监测与监测装置包括多组并联的螺栓应力采集单元，每组螺栓应力采集单元均包括相连的监测螺栓内应力超声波信号的超声体波换能器1和将超声体波换能器1监测到的应力超声波信号转成应力数值的超声体波应力采集仪2；与多组并联的螺栓应力采集单元均相连的交换机3，其接收所有超声体波应力采集仪2采集的应力数据；与交换机3在本地相连的存储应力数据的服务器4，这样在离监测现场不远处就可以观看监测的螺栓的应力数据；在远程设置的通过网线与交换机3相连的应力监控分析系统5，交换机3将存储在服务器4里的应力数据传递给应力监控分析系统5进行应力数据处理和分析。

超声体波换能器1

如图2所示，超声体波换能器1包括能收发超声纵波的超声纵波换能器11和收发超声横波的超声横波换能器12，超声纵波换能器11和超声横波换能器12可并列设置为一体，也可分体独立设置；超声纵/横波换能器可同时或独立发射超声波；这两个换能器的超声产生方式包括压电超声、电磁超声、激光超声等。

监测和标定用的超声体波换能器(包括中心频率、声束截面积、温度特性等参数)保持一致，且使用专用耦合剂13所达到的耦合状态也相同。

监测时超声体波换能器1的探头接触面应与被监测螺栓端面良好贴合，必要时采用曲面楔块和辅助固定工装，探头接触面通常应小于被监测螺栓公称应力截面积。

监测时超声体波换能器1使用自发自收的方式，利用超声体波换能器1内的脉冲收发模块，控制超声体波换能器1在螺栓内部分别激励纵波和横波，并于螺栓另一端面反射后被探头自身接收，通过对界面回波的处理得到相应的应力值。

在需要横/纵波单一信号时、以及需要横、纵交替产生激励时通过超声体波换能器1内的通道切换模块实现，在同一时间内，螺栓内仅有横波或纵波单一形式的超声传播，对于横、纵波信号分别处理。

超声体波应力采集仪2

如图3所示，超声体波应力采集仪2包括依次电连的RF射频开关21、接收超声波的超声收发卡22和含监测软件的将超声波信号转换成应力数据并输出的工控机23；

由于温度的变化会极大地影响螺栓内超声横纵波的传播速度，进而影响应力监测值的准确性，因此需要增加补偿算法以排除温度对应力监测值的干扰。超声波应力采集仪2还包括两者相连的温度传感器24和温度模块25组成的温度模块，其中温度模块25与工控机23电连。温度传感器24将感应的温度传给温度模块25，温度模块25将感应到的温度模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传递至工控机中，在温度传感器24感应到的温度超过设定温度时工控机对超声体波换能器1在螺栓内产生的超声波信号转换成的应力值进行补偿，以消除温度过高或过低对螺栓内应力监测数据的影响。

监测前需要使用与被测螺栓同规格的零应力螺栓进行标定，即将超声体波换能器1的探头放在零应力螺栓上，超声波应力采集仪2读取零应力螺栓的应力值，即超声波应力采集仪2被初始化。零应力螺栓可以利用反复退火方法、振动时效法或高能声束控制法来制备。

交换机3、服务器4和监控分析系统5

交换机3接收所有超声体波应力采集仪2转换的应力数据，并传给与之相连的本地服务器4存储并显示，同时通过网络数据线将服务器4里的数据下载到监控分析系统5里进行处理并分析。

监控分析系统5设置在远程安全区，其包括计算机51、工业显示器52，交换机3把存在服务器4里的应力数据通过网络数据线下载到计算机51里保存，并通过计算机51里的分析系统对应力数据进行处理分析，然后将分析结果和应力大小显示在工业显示器52上。

根据螺栓的不同使用情况，通过对应力的分析采取两种处理办法：

1)对拧紧中、拧紧后的螺栓出现应力异常的进行标记和重点巡查；

对拧紧中、拧紧后的螺栓进行现场在位无损监测，以确保螺栓的拧紧力满足设计要求，达到理想的紧固状态，保证水电站的安全状态；对服役应力过低(低于拧紧力标准的或低于螺栓材料1/3屈服强度以下)和过高(远大于拧紧力标准的或大于螺栓材料2/3屈服强度以上)，要进行标记和重点巡查。

2)对在役螺栓应力状态进行动态监测与预警；

水电站正常运行过程中，在不拆卸螺栓的情况下，采用超声无损的方法对极端重要位置处或服役时间较长的紧固螺栓轴向服役应力进行动态监测，记录存储螺栓服役期间的应力变化，对重要的服役螺栓的服役应力状态，进行数据实时采集，并对异常工作状态(服役应力过高或过低或异常突变等)下给出报警提示，进而保证水电站的稳定完全运行。

该预紧螺栓服役应力的无损监测与监测装置可同时实现对单根或多根螺栓的原位无损应力监测和监测，比如对蜗壳门、锥管门、顶盖处的螺栓的应力监测和监测，通过超声体波换能器1分别对蜗壳门、锥管门、顶盖处的螺栓内的应力进行监测，然后通过采集仪2分别采集超声体波换能器1产生的超声波，并转换成应力数据通过交换机3分别传到本地服务器4里保存和传到远程的应力监控分析系统5里。应力监控分析系统将螺栓服役期任意时刻的轴向应力值实时显示，并对其当前的工作状态进行评估反馈，异常的工作状态(服役应力过高或过低或异常突变等)给予报警提示。

下面对该预紧螺栓服役应力的无损监测与监测装置的使用过程和方法进行详细说明：

监测前需要选用与被测螺栓材料一致的螺栓，通过拉伸试验，获得该材料螺栓对应的横波系数和纵波系数，并将测量的横波系数和纵波系数分别输入工控机23的专用软件里。

针对现场待监测的螺栓，首先需要对测量端面去漆处理，并尽可能保证其两端面之间的平行度在一定范围以内。

为保证其监测结果的可靠性，需要定期使用零应力螺栓进行校准。

在横、纵波系数都输入超声换能器以及螺栓测量端面去漆后，将超声体波换能器1的探头与待测螺栓端面接触后，该测量和监测装置连接好后，打开RF射频开关，超声体波应力采集仪2开始采集超声体波换能器在螺栓内产生的超声波(包括超声纵波和横波)，并转成应力值基于网络与组网的远程监测，利用因特网将确认无误的现场监测应力结果上传至服务器4中，并将服务器中的服役应力值实时下载到远程的计算机51中，对应力数据进行分析处理，通过对比监测结果与螺栓性能参数，实现对水电站螺栓任意时刻服役状态的准确评估。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

另外除了利用交换机和服务器将监测到的应力数据传至远端的计算机中保存外还可以用云服务传至远端的计算机中。

该无损监测装置除了可以监测螺栓外，还可以监测其他服役中的有预紧力的轴向零件的应力状态。

Claims (9)

1.一种预紧件服役应力的无损监测装置，其包括至少一个预紧件应力采集单元，其特征在于，

所述预紧件应力采集单元包括

超声体波传感器(1)，可同时产生超声横波和超声纵波，其探头与被测预紧件一端面紧密贴合；

超声体波采集仪(2)，与所述超声体波传感器(1)相连，并将所述超声体波传感器(1)产生的超声横波和超声纵波转化为应力数据；

其还包括与所述超声体波采集仪(2)相连的应力监控分析系统(5)，接收所述超声体波采集仪(2)转化的应力数据并分析，以及根据应力分析结果做出监测措施。

2.根据权利要求1所述的无损监测装置，其特征在于，所述应力监控分析系统(5)包括用于存储分析所述应力数据的计算机(51)、以及显示所述应力分析结果的工业显示器(52)。

3.根据权利要求2所述的无损监测装置，其特征在于，所述应力监控分析系统(5)设置在远端；

还包括设置在监测本地的与所述超声体波采集仪(2)和所述计算机(51)相连的交换机(3)、以及与所述交换机(3)相连的服务器(4)，所述交换机(3)将所述超声体波采集仪(2)转化的所述应力数据传给所述服务器(4)储存，所述服务器(4)实时通过所述交换机(3)将其储存的所述应力数据传给远端的所述应力监控分析系统(5)。

4.根据权利要求2所述的无损监测装置，其特征在于，所述应力监控分析系统(5)设置在远端；

所述超声体波采集仪(2)采集的所述应力数据通过云服务传递给所述应力监控分析系统(5)。

5.根据权利要求1所述的无损监测装置，其特征在于，所述超声体波传感器(1)包括超声横波传感器(11)和超声纵波传感器(11)。

6.根据权利要求1所述的无损监测装置，其特征在于，所述超声体波采集仪(2)包括接收所述超声横、纵波的超声收发卡(22)和将所述超声横、纵波转换成应力数据的工控机(23)、以及与所述工控机(23)相连的温度模块(25)和与所述温度模块(25)相连的温度传感器(24)，所述温度模块(25)根据所述温度传感器(24)感应到的温度对应力进行补偿调控。

7.一种根据权利要求1至6任一所述的无损监测装置监测预紧件服役应力的方法，其特征在于，其包括：

第一步，通过拉伸试验获得被检预紧件的横波系数和纵波系数，并将其分别输入工控机(23)的专用软件里；

第二步，对被检预紧件的待测端部去漆处理；

第三步，将超声体波换能器(1)的探头与所述被检预紧件的待测端部紧密贴合，所述预紧件服役应力的无损监测装置连接好后，开始监测所述被检预紧件内部的应力；

第四步，监控分析系统(5)分析应力后根据应力分析结果做出不同监测措施。

8.根据权利要求7所述的监测预紧件服役应力的方法，其特征在于，第四步中根据应力分析结果做出不同监管措施的方法是：

1)拧紧中、拧紧后的被检预紧件出现应力过高、过低或异常突变时进行标记，并重点巡查；

2)在役被检预紧件出现应力过高、过低或异常突变时进行报警提示，并立即采取补救措施。

9.根据权利要求8所述的监测预紧件服役应力的方法，其特征在于，

所述服役应力过低是指低于拧紧力标准或低于被检预紧件材料的1/3屈服强度以下，所述服役应力过高是指远大于拧紧力标准或大于被检预紧件材料的2/3屈服强度以上。

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