CN112179556B - 一种聚变堆螺栓组预紧检测装置及其预紧力检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于聚变堆大直径高强螺栓组的高精度预紧技术领域，具体涉及一种聚变堆螺栓组预紧检测装置及其预紧力检测方法，包括：重力支撑器、液压拉伸器和预紧力测试工具；所述重力支撑器2的两端分别设置有液压拉伸器和预紧力测试工具。本发明用于解决现有技术中螺栓预紧力误差及测量精度无法控制在2％以内的技术问题。

Description

一种聚变堆螺栓组预紧检测装置及其预紧力检测方法
技术领域
本发明属于聚变堆大直径高强螺栓组的高精度预紧技术领域，具体涉及一种聚变堆螺栓组预紧检测装置及其预紧力检测方法。
背景技术
ITER托卡马克装置中大量存在着螺栓预紧装置。以ITER重力支撑为例，采用数组718合金螺栓组将316LN不锈钢板、316LN垫块预紧装配而成，单颗螺栓的预紧力最高达480吨，约合螺栓屈服强度的72％。
ITER托卡马克装置运行过程中该支撑需承受10000吨的超导磁体自重、数百吨的电磁力和以及ITER超导磁体在冷却时候的数百吨的热应力等极端复杂工况。过高的预紧力会造成螺栓中微裂纹的产生，进而使螺栓有较大的失效风险；过低的预紧力则容易使结构发生失稳。因此，热核聚变堆螺栓组预紧力加载及检测精度对ITER装置的稳定运行具有重要的意义。
目前，聚变堆大直径高强螺栓组大预紧力螺栓的预紧和检测一般采取液压张紧器以及超声波应力检测仪，但仍存在如下原因导致预紧力的加载及监测精度无法达到2％的精度要求：
1)同一规格的螺栓有效截面积A，弹性模量E，长度L等均存在偏差，未见合适的预紧力施加方法可以将螺栓组中每一个螺栓的预紧力的误差控制在2％以内。
2)由于螺栓的表面状态以及晶粒取向存在差异，使用超声波应力检测等仪器无法将测量精度控制在2％以内。
3)在安装过程中，各螺栓的预紧力会相互影响导致实际预紧力与设计值的偏差较大。
因此，需要设计一种聚变堆螺栓组预紧检测装置及其预紧力检测方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的是设计一种聚变堆螺栓组预紧检测装置及其预紧力检测方法，用于解决现有技术中螺栓预紧力误差及测量精度无法控制在2％以内的技术问题
本发明的技术方案：
一种聚变堆螺栓组预紧检测装置，包括：重力支撑器2、液压拉伸器3和预紧力测试工具4；所述重力支撑器2的两端分别设置有液压拉伸器3和预紧力测试工具4。
所述重力支撑器2还包括：若干块韧性板21、若干个螺栓A22、螺栓B23和若干个夹块24；所述每块韧性板21之间两两平行设置，并在每块韧性板21的两端通过夹块24相互固定连接，所述每个夹块24上均布有若干个螺栓通孔，所述螺栓A22均匀布设在韧性板21一端的夹块24上，所述螺栓B23均匀布设在韧性板21另一端的夹块24上。
所述液压拉伸器3还包括：油泵31、高压油管32和拉伸器33；所述油泵31通过高压油管32与拉伸器33相连接。
所述预紧力测试工具4还包括：顶针41、千分表42、测量架43；所述测量架43的两端分别设置有顶针41和千分表42。
一种如上所述的聚变堆螺栓组预紧检测装置的检测方法，包括如下步骤：
步骤一：使用预紧力测试工具4对所有螺栓测量原始长度Ln；
步骤二：将待测量螺栓安装于万能材料试验机上，并对螺栓施加设计预紧力F，并测量螺栓在设计预紧力F下的伸长量L′n；得到螺栓预紧伸长量标定值ΔLbdn；
步骤三：将液压拉伸器与夹块上的若干个螺栓A22和螺栓B23一一连接，调试液压拉伸器的加载油压，使得同一油压下每颗螺栓的伸长量与步骤二中设计预紧力F下的伸长量L′n偏差不大于1％，此时该油压P即为标定油压；
步骤四：使用液压拉伸器对若干个螺栓A22、螺栓B23以40％-80％-100％标定油压P进行分组预紧；
步骤五：根据步骤四预紧完成后，使用预紧力测试工具4测量每颗预紧螺栓预紧后的伸长量ΔLpn，并与步骤二中螺栓预紧伸长量标定值进行比较，得到螺栓预紧伸长量偏差，根据偏差范围判断螺栓预紧检测结果。
所述步骤一还包括：在每个螺栓的两个端头已标记好的同一点上使用预紧力测试工具4测量所有螺栓的原始长度，测量单位为微米。
所述步骤二还包括：所述螺栓预紧标定值ΔLbdn通过公式(1)得到Ln-L′n＝ΔLbdn…………(1)，其中，L′n为设计预紧力F下的螺栓伸长量，单位微米；Ln为螺栓测量原始长度，单位为微米；ΔLbdn为螺栓预紧伸长量标定值，单位为微米。
所述步骤四还包括：将韧性板21一端的夹块24上设置的若干个螺栓A22根据分组预紧力的标定油压P的不同，共划分为三组，分别为：螺栓A组51、螺栓B组52、螺栓C组53，按如下顺序对每组螺栓进行分别预紧，预紧顺序依次为：螺栓A组51、螺栓B组52和螺栓C组53，并且按照上述分组预紧螺栓组的顺序，每组螺栓至少重复预紧3次；
同理，将韧性板21另一端的夹块24上设置的若干个螺栓B23根据分组预紧力的标定油压P的不同，共划分为三组，分别为：螺栓D组54、螺栓E组55、螺栓F组56；按如下顺序对每组螺栓进行分别预紧，预紧顺序为：螺栓D组54、螺栓E组55、螺栓F组56，并且按照上述分组预紧螺栓组的顺序，每组螺栓至少重复预紧3次。
所述步骤五还包括：步骤四中所有螺栓预紧后伸长量ΔLpn与步骤二中螺栓预紧伸长量标定值ΔLbdn进行比较，若比较后偏差η低于1％，则完成检测；若偏差η高于1％，继续按照步骤四进行预紧加载，直至偏差η低于1％；
在预紧后，可在任何时刻通过预紧力测试工具4检测螺栓中实际预留的预紧力。
本发明的有益效果：
1)本发明使用高精度液压张紧器对螺栓进行预紧力施加，可以将超拉量控制在8％以内，降低预紧力施加过程中的微裂纹的可能性；
2)通过对每根螺栓在0.5级拉伸机上进行设计预紧力下的伸长量标定的方法确定其在设计预紧力下的伸长量；
3)使用液压张紧器使得每根螺栓在加载后的伸长量与标定伸长量的误差小于1％，确保每颗螺栓的实际预紧力与要求值小于1％；
4)本发明的检测方法分步分组重复预紧螺栓组，保证螺栓组中每一个螺栓的预紧力达到设计值；
5)在螺栓伸长量的检测方面：本发明通过螺栓在经过标定的张紧器油压下的伸长量反映其预紧力值；
6)在螺栓伸长量检测方面：使用与螺栓同材质的测量架，测量架上安装顶针及千分表，每次测量螺栓两个端头同一点处。使得该装置可以在不受环境温度、螺栓表面状态、螺栓组织均匀性的影响下进行伸长量的测量，精度可以达到控制在1％。
7)在预紧力检测螺栓伸长量检测方面：本发明方法在预紧后可以在任何时刻检测螺栓中实际预留的预紧力。
附图说明
图1为本发明中所述的螺栓组预紧检测装置结构示意图；
图2为本发明中所述的重力支撑器结构示意图；
图3为本发明中所述的液压拉伸器结构示意图；
图4为本发明中所述的预紧力测试工具结构示意图；
图5为本发明中所述的若干个螺栓A和若干个螺栓B分别预紧的分组示意图；
其中：1-螺栓组预紧检测装置、2-重力支撑器、3-液压拉伸器、4-预紧力测试工具、21-韧性板、22-螺栓A、23-螺栓B、24-夹块、31-油泵、32-高压油管、33-拉伸器、41-顶针、42-千分表、43-测量、51-螺栓A组、52-螺栓B组、53-螺栓C组、54-螺栓D组、55-螺栓E组、56-螺栓F组
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的介绍：
一种聚变堆螺栓组预紧检测装置，包括：重力支撑器2、液压拉伸器3和预紧力测试工具4；所述重力支撑器2的两端分别设置有液压拉伸器3和预紧力测试工具4。
所述重力支撑器2还包括：若干块韧性板21、若干个螺栓A22、螺栓B23和若干个夹块24；所述每块韧性板21之间两两平行设置，并在每块韧性板21的两端通过夹块24相互固定连接，所述每个夹块24上均布有若干个螺栓通孔，所述螺栓A22均匀布设在韧性板21一端的夹块24上，所述螺栓B23均匀布设在韧性板21另一端的夹块24上。
所述液压拉伸器3还包括：油泵31、高压油管32和拉伸器33；所述油泵31通过高压油管32与拉伸器33相连接。
所述预紧力测试工具4还包括：顶针41、千分表42、测量架43；所述测量架43的两端分别设置有顶针41和千分表42。所述预紧力测试工具4可以在测量每个螺栓点到点之间的长度，从而避免螺栓端面加工误差对螺栓长度的影响。
一种如上所述的聚变堆螺栓组预紧检测装置的检测方法，包括如下步骤：
步骤一：使用预紧力测试工具4对所有螺栓测量原始长度Ln；
步骤二：将待测量螺栓安装于万能材料试验机上，并对螺栓施加设计预紧力F，并测量螺栓在设计预紧力F下的伸长量L′n；得到螺栓预紧伸长量标定值ΔLbdn；
步骤三：将液压拉伸器与夹块上的若干个螺栓A22和螺栓B23一一连接，调试液压拉伸器的加载油压，使得同一油压下每颗螺栓的伸长量与步骤二中设计预紧力F下的伸长量L′n偏差不大于1％，此时该油压P即为标定油压；
步骤四：使用液压拉伸器对若干个螺栓A22、螺栓B23以40％、80％、100％标定油压P进行分别预紧；
步骤五：根据步骤四预紧完成后，使用预紧力测试工具4测量每颗预紧螺栓预紧后的伸长量ΔLpn，并与步骤二中螺栓预紧伸长量标定值进行比较，得到螺栓预紧伸长量偏差，根据偏差范围判断螺栓预紧检测结果。
所述步骤一还包括：在每个螺栓的两个端头已标记好的同一点上使用预紧力测试工具4测量所有螺栓的原始长度，测量单位为微米。
所述步骤二还包括：所述螺栓预紧标定值ΔLbdn通过公式(1)得到Ln-L′n＝ΔLbdn…………(1)，其中，L′n为设计预紧力F下的螺栓伸长量，单位微米；Ln为螺栓测量原始长度，单位为微米；ΔLbdn为螺栓预紧伸长量标定值，单位为微米。
所述步骤四还包括：将韧性板21一端的夹块24上设置的若干个螺栓A22根据分别预紧的标定油压P的不同，共划分为三组，分别为：螺栓A组51、螺栓B组52、螺栓C组53，按如下顺序对每组螺栓进行分别预紧，预紧顺序依次为：螺栓A组51、螺栓B组52和螺栓C组53，并且按照上述分组预紧螺栓组的顺序，每组螺栓至少重复预紧3次；
同理，将将韧性板21另一端的夹块24上设置的若干个螺栓B23根据分别预紧的标定油压P的不同，共划分为三组，分别为：螺栓D组54、螺栓E组55、螺栓F组56；按如下顺序对每组螺栓进行分别预紧，预紧顺序为：螺栓D组54、螺栓E组55、螺栓F组56，并且按照上述分组预紧螺栓组的顺序，每组螺栓至少重复预紧3次。
所述步骤五还包括：步骤四中所有螺栓预紧后伸长量ΔLpn与步骤二中螺栓预紧伸长量标定值ΔLbdn进行比较，若比较后偏差η低于1％，则完成检测；若偏差η高于1％，继续按照步骤四进行预紧加载，直至偏差η低于1％；
在预紧后，可在任何时刻通过预紧力测试工具4检测螺栓中实际预留的预紧力。
具体实施例：
实施例1：
选用M42螺栓组，参考螺栓有效受力长度为1420.000mm，设计预紧力为72吨，有效截面积为42±0.3mm,以其中的三颗M42为例，说明其高精度预紧和测量方法；
步骤一.在每颗螺栓两个端头已标记好的同一点上使用螺栓长度测量工具测量3颗螺栓23的原始长度分别为1420.000mm，1420.000mm，1420.000mm；
步骤二.将螺栓安装于在0.5级精度的万能材料试验机上，对3颗M42施加72吨的设计预紧力，使用螺栓长度测量工具4测量所有螺栓在72吨载荷的长度1423.900mm，1423.88mm，1423.86mm；伸长量为3.900mm,3.880mm,3.860mm；
步骤三.将液压拉伸器与重力支撑器上的3颗M42螺栓进行一一安装连接。调试液压拉伸器的加载油压，使得同一油压下每颗螺栓的伸长量与步骤二中标定值偏差不大于0.04mm，得到标定油压为125MPa；
步骤四.将液压拉伸器安装于重力支撑的M42螺栓组上，以41MPa、82MPa、125MPa，按照螺栓D组54、螺栓E组55、螺栓F组56的顺序分别预紧；
步骤五.将M42螺栓组上以125MPa下分别按照螺栓D组54、螺栓E组55、螺栓F组56的顺序重复预紧M42螺栓组3次；
步骤六.预紧完成后，使用预紧力测试工具4测量3颗螺栓预紧后的伸长量，与步骤2中标定值进行比较，其偏差η是否低于0.04mm，如否，继续按照步骤5进行加载；
在任何时刻，采用步骤五测量3颗螺栓的伸长量ΔLpn，则其实际预紧力为
实施列2：
预紧M33螺栓组，参考螺栓有效受力长度为1460.000mm，设计预紧力为48吨，有效截面积为33±0.3mm,以其中的3颗M33为例，说明其高精度预紧和测量方法
步骤一.在每颗M33螺栓两个端头已标记好的同一点上使用螺栓长度测量工具测量3颗M33螺栓的原始长度分别为1460.000mm，1460.000mm，1460.000mm；
步骤二.将3颗M33螺栓安装于在0.5级精度的万能材料试验机上，对3颗M33施加设计预紧力48吨，使用4螺栓长度测量工具测量所有螺栓在48吨载荷的长度1464.040mm,1464.060mm,1464.100mm伸长量分别为4.040mm,4.060mm,4.100mm；
步骤三.将液压拉伸器与重力支撑器上的3颗M33螺栓进行一一安装连接。调试液压拉伸器的加载油压使得同一油压下每颗螺栓的伸长量与步骤二中标定值偏差不大于0.04mm，得到标定油压为117MPa；
步骤四.将3颗M33螺栓，在44MPa、88MPa、117MPa的油压下，分别预紧；
步骤五.使用液压拉伸器在117MPa下依次按照螺栓A组51、螺栓B组52和螺栓C组53的顺序重复预紧M33螺栓组3次；
步骤六.预紧完成后，使用预紧力测试工具4测量3颗螺栓预紧后的伸长量，与步骤二中标定值进行比较，其偏差η是否低于0.04mm，如否，继续按照步骤五进行加载；
步骤七.在任何时刻，采用步骤五测量3颗螺栓的伸长量ΔLpn，则其实际预紧力为
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (6)

1.一种聚变堆螺栓组预紧检测装置，其特征在于，包括：重力支撑器(2)、液压拉伸器(3)和预紧力测试工具(4)；所述重力支撑器(2)的两端分别设置有液压拉伸器(3)和预紧力测试工具(4)；
所述重力支撑器(2)还包括：若干块韧性板(21)、若干个螺栓A(22)、螺栓B(23)和若干个夹块(24)；所述每两块韧性板(21)之间两两平行设置，并在每块韧性板(21)的两端通过夹块(24)相互固定连接，所述每个夹块(24)上均布有若干个螺栓通孔，所述螺栓A(22)均匀布设在韧性板(21)一端的夹块(24)上，所述螺栓B(23)均匀布设在韧性板(21)另一端的夹块(24)上；
所述液压拉伸器(3)还包括：油泵(31)、高压油管(32)和拉伸器(33)；所述油泵(31)通过高压油管(32)与拉伸器(33)相连接；所述预紧力测试工具(4)还包括：顶针(41)、千分表(42)、测量架(43)；所述测量架(43)的两端分别设置有顶针(41)和千分表(42)。
2.一种如权利要求1所述的聚变堆螺栓组预紧检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：使用预紧力测试工具(4)对所有螺栓测量原始长度Ln；
步骤二：将待测量螺栓安装于万能材料试验机上，并对螺栓施加设计预紧力F，并测量螺栓在设计预紧力F下的伸长量L′n；得到螺栓预紧伸长量标定值ΔLbdn；
步骤三：将液压拉伸器与夹块上的若干个螺栓A(22)和螺栓B(23)一一连接，调试液压拉伸器的加载油压，使得同一油压下每颗螺栓的伸长量与步骤二中设计预紧力F下的伸长量L′n偏差不大于1％，此时该油压P即为标定油压；
步骤四：使用液压拉伸器对若干个螺栓A(22)、螺栓B(23)以40％、80％、100％标定油压P进行分别预紧；
步骤五：根据步骤四预紧完成后，使用预紧力测试工具(4)测量每颗预紧螺栓预紧后的伸长量ΔLpn，并与步骤二中螺栓预紧伸长量标定值进行比较，得到螺栓预紧伸长量偏差，根据偏差范围判断螺栓预紧检测结果。
3.如权利要求2所述的一种聚变堆螺栓组预紧检测装置的检测方法，其特征在于，所述步骤一还包括：在每个螺栓的两个端头已标记好的同一点上使用预紧力测试工具(4)测量所有螺栓的原始长度，测量单位为微米。
4.如权利要求3所述的一种聚变堆螺栓组预紧检测装置的检测方法，其特征在于：所述步骤二还包括：所述螺栓预紧标定值ΔLbdn通过公式(1)得到Ln-L′n＝ΔLbdn…………(1)，其中，L′n为设计预紧力F下的螺栓伸长量，单位微米；Ln为螺栓测量原始长度，单位为微米；ΔLbdn为螺栓预紧伸长量标定值，单位为微米。
5.如权利要求4所述的一种聚变堆螺栓组预紧检测装置的检测方法，其特征在于：所述步骤四还包括：将韧性板(21)一端的夹块(24)上设置的若干个螺栓A(22)根据分别预紧的标定油压P的不同，共划分为三组，分别为：螺栓A组(51)、螺栓B组(52)、螺栓C组(53)，按如下顺序对每组螺栓进行预紧，预紧顺序依次为：螺栓A组(51)、螺栓B组(52)和螺栓C组(53)，并且按照上述分组预紧螺栓组的顺序，每组螺栓至少重复预紧3次；
同理，将韧性板(21)另一端的夹块(24)上设置的若干个螺栓B(23)根据分组预紧力的标定油压P的不同，共划分为三组，分别为：螺栓D组(54)、螺栓E组(55)、螺栓F组(56)；按如下顺序对每组螺栓进行分别预紧，预紧顺序为：螺栓D组(54)、螺栓E组(55)、螺栓F组(56)，并且按照上述分组预紧螺栓组的顺序，每组螺栓至少重复预紧3次。
6.如权利要求5所述的一种聚变堆螺栓组预紧检测装置的检测方法，其特征在于：所述步骤五还包括：步骤四中所有螺栓预紧后伸长量ΔLpn与步骤二中螺栓预紧伸长量标定值ΔLbdn进行比较，若比较后偏差η低于1％，则完成检测；若偏差η高于1％，继续按照步骤四进行预紧加载，直至偏差η低于1％；
在预紧后，可在任何时刻通过预紧力测试工具(4)检测螺栓中实际预留的预紧力。
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