CN112213361A - 一种输电塔螺栓锈蚀及松动监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电塔螺栓锈蚀及松动监测装置及方法。为了克服现有技术螺栓锈蚀、松动监测受人力限制，无法长时间地实时监测的问题；本发明包括导电薄膜，根据螺栓的尺寸设置在螺栓与输电塔角钢基材之间；电阻采集仪，通过导线采集导电薄膜的阻值数据；薄膜电阻分析单元，根据采集到的导电薄膜阻值数据的变化趋势分析螺栓是否锈蚀或松动。利用导电薄膜的电阻“拉敏效应”，将螺栓的松动或锈蚀体现为导电薄膜电阻的变化。通过监测导电薄膜电阻的变化实现对螺栓松动或锈蚀的监测，突破人工监测的限制、构造简单、布置灵活、成本低且温度适应性好。

Description

一种输电塔螺栓锈蚀及松动监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种电力工程和土木工程结构监测领域，尤其涉及一种输电塔螺栓锈蚀及松动监测装置及方法。

背景技术

电力工业是我国的一大支柱产业。电力输送是电力工业中非常重要的一个环节，在这个环节里，输电塔作为架空输电线路的支撑点，其自身的承载力直接决定了整个输电线路的安全性。近年来，随着我国高压电网迅速发展，对于输电塔的承载能力也要求越来越高。输电塔属于空间桁架结构，其节点连接方式相对比较普遍的是螺栓连接，这样的一个大型空间桁架结构，其连接节点数目众多，输电塔不仅要承受结构本身的重力荷载还要承受冰荷载、雪荷载、风荷载，导线、地线的张力以及各种振动动力荷载。复杂的受力状况易引起铁塔节点螺栓连接的松动甚至脱落，导致输电塔结构安全性急剧降低，出现断裂甚至倒塌，因此，在输电塔服役期间，有效地监测螺栓连接的实际状态，对于保证输电塔结构安全、避免重大安全事故和降低事故危害性具有重要的实际意义和应用价值。

目前，国内外研究人员对如何有效监测螺栓的松动和锈蚀状态进行了大量研究，利用多种工具和方式对螺栓松动和锈蚀进行检测或监测。传统的方法是通过人工检查螺栓来逐个判断其连接是否出现松动或锈蚀，这种方式受器械工作要求约束，且人工也无法进行长时间实时检测；一些新型的监测手段如基于结构振动的方法，通过提取螺栓松动前后整体结构的特征频率、传递函数、功率谱等的变化，判定螺栓的连接状态，但该方法对初期松动和锈蚀无法实现有效的检测；还有通过测量超声波在螺栓螺杆内传播时间的变化来确定螺栓轴向力的大小，但是该方法需对超声波传播微秒甚至纳秒量级的时间做精密测量，对测量设备要求较高，难以大范围应用。

例如，一种在中国专利文献上公开的“一种在用螺栓锈蚀状况检测装置”，其公告号CN209878667U，显示屏的上方设有摄像头，显示屏的一侧设有按键区，装置机体的底部通过伸缩杆连接有安装座，伸缩杆的底端设有调节外螺纹，安装座的顶部设有调节内螺纹，调节外螺纹与调节内螺纹之间配合使用，安装座的顶部还设有装置槽，安装座的底部通过电线连接有感应探头，感应探头与装置槽之间配合使用，装置机体与安装座的背部连接有一条背带。该装置需要人工使用检测，受人力约束，无法长时间地实时监测。

发明内容

本发明主要解决现有技术螺栓锈蚀、松动监测受人力限制，无法长时间地实时监测的问题；提供一种输电塔螺栓锈蚀及松动监测装置及方法，引入导电薄膜材料，利用导电薄膜材料的电阻“拉敏效应”将螺栓的松动或锈蚀体现为导电薄膜电阻的变化，实时监测导电薄膜电阻的变化以实时监测螺栓锈蚀、松动情况。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种输电塔螺栓锈蚀及松动监测装置，包括

导电薄膜，根据螺栓的尺寸设置在螺栓与输电塔角钢基材之间；

电阻采集仪，通过导线采集导电薄膜的阻值数据；

薄膜电阻分析单元，根据采集到的导电薄膜阻值数据的变化趋势分析螺栓是否锈蚀或松动。

电阻采集仪对每个螺栓上导电薄膜的电阻值进行采集和存储，采集到的数据最后交由薄膜电阻分析单元进行分析，进而得到螺栓节点板上所有螺栓的导电薄膜阻值变化曲线。当螺栓节点板上某一个螺栓发生松动时，导电薄膜会随着其变形而被拉伸，导电薄膜在被拉伸时其电阻会增大，对应在薄膜电阻分析系统的导电薄膜阻值变化曲线就会发生脉冲突变。同时，输电塔在长期服役期间钢材的锈蚀会导致螺栓体积膨胀，导电薄膜被拉伸，电阻增大，对应在薄膜电阻分析系统的导电薄膜阻值变化曲线会呈缓慢上升趋势。通过观察导电薄膜阻值变化曲线是否发生突变以及阻值变化的大小来实现对螺栓松动或锈蚀的实时监测，突破人力的限制。构造简单、布置灵活、成本低。

作为优选，所述的导电薄膜分别贴附或涂覆在螺栓的头与输电塔角钢基材接触面之间和螺栓孔中螺栓与输电塔角钢基材的接触面上。能够监测螺栓的各个部位的锈蚀或松动变化，监测全面、精度高、可靠性强。

作为优选，所述的导电薄膜材料为结构型导电涂料或添加型导电涂料。这种材料具有电阻“拉敏效应”，即受到拉伸时，导电颗粒之间的接触面积变小，部分通路上的导电颗粒之间形成一定距离，该距离大于导电粒子之间通电的“阈值”，使“通路”变成“断路”，即总导电通道数量减少，从宏观上看，表现为导电薄膜电阻增大。制备导电薄膜的材料可以是聚氯乙烯与人造石墨混合物或环氧树脂与铜混合物或单独的导电高分子薄膜材料。

作为优选，所述的导电薄膜为适配螺栓形状的环状导电薄膜，环状导电薄膜两端不闭合。两端不闭合，保证测量电阻值的唯一性。

作为优选，所述的电阻采集仪为多通道电阻采集仪。导线一端粘贴在导电薄膜上，另一端与多通道电阻采集仪连接，多通道电阻采集仪与螺栓节点板附近的输电塔角钢基材固接。

作为优选，所述的每个导电薄膜上的两根导线分别位于环状导电薄膜直径的两端。保证导电薄膜的不断变化电阻值能被多通道电阻采集仪识别和读取

一种输电塔螺栓锈蚀及松动监测方法，包括以下步骤：

S1：将监测装置安装在输电塔螺栓节点处；

S2：多通道电阻采集仪采集通过导线实时采集各导电薄膜的阻值数据；

S3：薄膜电阻分析单元对采集到的导电薄膜的阻值数据进行分析，根据各导电薄膜的阻值变化率判断其对应的螺栓是否存在锈蚀或松动的情况。

利用导电薄膜的电阻“拉敏效应”，将螺栓的松动或锈蚀体现为导电薄膜电阻的变化。通过监测导电薄膜电阻的变化便实现对螺栓松动或锈蚀的监测，而且可以通过获取螺栓松动或锈蚀全过程中的数据，形成数据库，从而对螺栓松动或锈蚀的发展趋势的定量评估，对实际工程的螺栓松动或锈蚀监测具有重大的意义。突破人工监测的限制，使用方便，成本低。

作为优选，锈蚀判断过程为：

A1：提取当前时刻导电薄膜的阻值，并与环境因素值做差得到真实阻值；环境因素值从历史数据库中获得；

A2：当真实阻值大于设定的锈蚀阈值时，则判定该螺栓已锈蚀，需要更换；否则，判定该螺栓未锈蚀，仍能使用；

松动判断过程为：

B1：提取当前时刻导电薄膜的阻值，并与上一时刻的导电薄膜阻值做差得到阻值变化值；

B2：当阻值变化值小于设定的松动阈值时，则判定螺栓未松动；否则，继续判定；

B3：判定与该导电薄膜对应的螺栓处于同一螺栓节点的其他全部螺栓的导电薄膜阻值变化值是否均大于松动阈值；若否，则判定导电薄膜阻值变化值大于松动阈值的螺栓松动；若是，则做错误数据处理。

锈蚀判断过程和松动判断过程滤除了干扰因素，使得判断结果更加可靠，环境适应性强。

作为优选，所述的薄膜电阻分析单元将采集得到的各导电薄膜阻值数据以及分析结果上传存储到历史数据库中，历史数据库中存储有周期为一年，间隔为十五天的若干环境因素值；环境因素值由设置不与螺栓接触的导电薄膜作为对照中获取。在相同的螺栓节点板上设置同样的环形导电薄膜作为对照组，对照组的导电薄膜不与螺栓接触，即其不受螺栓锈蚀或松动带来的影响而阻值变化，其当前时刻的阻值与上一时刻的阻值差即为这段时间内的环境因素值。

本发明的有益效果是：

1. 通过监测导电薄膜电阻的变化实现对螺栓松动或锈蚀的监测，对螺栓松动或锈蚀的发展趋势定量评估，突破人工监测的限制，构造简单、布置灵活、使用方便、成本低。

2.对螺栓与输电塔角钢基材的各处接触面设置有导电薄膜，检测全面，监测数据跟可靠。

3. 锈蚀判断过程和松动判断过程滤除了环境等干扰因素，使得判断结果更加可靠，环境适应性强。

附图说明

图1是本发明的一种监测装置的输电塔安装示意图。

图2是本发明的一种监测装置的爆炸图。

图3是本发明的一种监测装置的剖视图。

图4是本发明的一种螺栓节点板与多通道电阻采集仪的连接图。

图5是本发明的一种没有螺栓发生松动时的导电薄膜阻值变化曲线。

图6是本发明的一种有螺栓发生松动时的导电薄膜阻值变化曲线。

图中1.导电薄膜，2.导线，3.电阻采集仪，4.薄膜电阻分析单元，5.螺栓节点板。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例的一种输电塔螺栓锈蚀及松动监测装置，如图1所示，在输电塔的螺栓节点板5上设置监测装置。

在本实施例中，对于一个110kV 复合横担输电塔结构，结构高度为36.5m，呼高27.0m, 根开8.44m，在建筑结构12m高度或以上处选取一个有12个6.8级 M20 螺栓节点板安装监测装置。

如图2-4所示，监测装置包括导电薄膜1、导线2、电阻采集仪3和薄膜电阻分析单元4。

导电薄膜1根据螺栓的尺寸设置在螺栓与输电塔角钢基材之间。电阻采集仪3通过导线2采集导电薄膜1的阻值数据。薄膜电阻分析单元4根据采集到的导电薄膜1阻值数据的变化趋势分析螺栓是否锈蚀或松动。

导电薄膜1材料为结构型导电涂料或添加型导电涂料。这种材料具有电阻“拉敏效应”，即受到拉伸时，导电颗粒之间的接触面积变小，部分通路上的导电颗粒之间形成一定距离，该距离大于导电粒子之间通电的“阈值”，使“通路”变成“断路”，即总导电通道数量减少，从宏观上看，表现为导电薄膜1电阻增大。

制备导电薄膜1的材料可以是聚氯乙烯与人造石墨混合物或环氧树脂与铜混合物或单独的导电高分子薄膜材料。

导电薄膜1为适配螺栓形状的环状导电薄膜，环状导电薄膜两端不闭合。两端不闭合，保证测量电阻值的唯一性。

导电薄膜1不仅能够用已经固化成型的导电薄膜1根据具体螺栓尺寸进行裁剪，也能够直接涂覆在螺栓接触面上作为传感器。导电薄膜1分别贴附或涂覆在螺栓的头与输电塔角钢基材接触面之间和螺栓孔中螺栓与输电塔角钢基材的接触面上。能够监测螺栓的各个部位的锈蚀或松动变化，监测全面、精度高、可靠性强。

本实例所用导电薄膜1主要材料是使用聚氯乙烯与铜颗粒混合、涂刷而成。确定螺栓头与输电塔角钢基材接触面之间的环状导电薄膜外径为35mm,内径为23mm，确定螺栓孔中螺栓与输电塔角钢基材接触面之间的环状导电薄膜1直径为21mm，环状导电薄膜1预留一个缺口，确保导线测量的导电薄膜1电阻的唯一性。

电阻采集仪3为多通道电阻采集仪。导线2一端粘贴在导电薄膜1上，另一端与多通道电阻采集仪3连接，多通道电阻采集仪3与螺栓节点板附5近的输电塔角钢基材固接。

将螺栓节点板上所有的导电薄膜1电阻接入到一个串联电路，当有一个螺栓发生松动或锈蚀时，该串联电路的电阻值就会发生变化，从而能被薄膜电阻分析单元4分析和识别。

导线2在每个导电薄膜1上放置有两根，分别为环状导电薄膜1直径的两端，保证导电薄膜1的不断变化电阻值能被多通道电阻采集仪3识别和读取。

薄膜电阻分析单元4能对多通道电阻采集仪3采集的数据进行分析，并生成一条监测螺栓的导电薄膜1阻值变化曲线，当有一个螺栓发生松动时，对应导电薄膜1阻值变化曲线就会发生一个突变。同时，当螺栓发生锈蚀时，螺栓体积缓慢增大，对应在薄膜电阻分析单元4的导电薄膜1阻值变化曲线会呈缓慢上升趋势。

通过观察薄膜电阻分析单元4的导电薄膜阻值变化曲线是否发生突变可以判断该节点板上是否有螺栓发生松动。同时，根据导电薄膜1电阻阻值的增大程度可以判断其被拉伸程度，进而判断螺栓的松动或锈蚀程度。

薄膜电阻分析单元4将采集得到的各导电薄膜1阻值数据以及分析结果上传存储到历史数据库中。历史数据库中包括了各种螺栓型号的导电薄膜1不同阻值以及不同的阻值变化率时分别对应的螺栓锈蚀程度以及螺栓松动程度。

之后在实际使用过程中，能够通过历史数据库根据监测到的导电薄膜1阻值数据找到对应的螺栓锈蚀或松动程度。

历史数据库中还存储有周期为一年，间隔为十五天的若干环境因素值。环境因素值由设置不与螺栓接触的导电薄膜1作为对照中获取。

在相同的螺栓节点板5上设置同样的环形导电薄膜1作为对照组，对照组的导电薄膜1不与螺栓接触，即其不受螺栓锈蚀或松动带来的影响而阻值变化，其当前时刻的阻值与上一时刻的阻值差即为这段时间内的环境因素值。

一种输电塔螺栓锈蚀及松动监测方法，包括以下步骤：

S1：将监测装置安装在输电塔螺栓节点处。

S2：多通道电阻采集仪采集通过导线实时采集各导电薄膜的阻值数据。

S3：薄膜电阻分析单元对采集到的导电薄膜的阻值数据进行分析，根据各导电薄膜的阻值变化率判断其对应的螺栓是否存在锈蚀或松动的情况。

锈蚀判断过程为：

A1：提取当前时刻导电薄膜的阻值，并与环境因素值做差得到真实阻值。

A2：当真实阻值大于设定的锈蚀阈值时，则判定该螺栓已锈蚀，需要更换；否则，判定该螺栓未锈蚀，仍能服役使用。

松动判断过程为：

B1：提取当前时刻导电薄膜的阻值，并与上一时刻的导电薄膜阻值做差得到阻值变化值。

B2：当阻值变化值小于设定的松动阈值时，则判定螺栓未松动；否则，继续判定。

B3：判定与该导电薄膜对应的螺栓处于同一螺栓节点的其他全部螺栓的导电薄膜阻值变化值是否均大于松动阈值；若否，则判定导电薄膜阻值变化值大于松动阈值的螺栓松动，需要维护；若是，则做错误数据处理。

如图5-6所示，由于时间因素，螺栓会逐渐发生锈蚀。当螺栓发生锈蚀时，螺栓体积缓慢增大，对应在薄膜电阻分析单元4的导电薄膜1阻值变化曲线会呈缓慢上升趋势。由于温度等环境原因，导电薄膜1存在热胀冷缩的现象，所以曲线或出现波动，但整体呈缓慢上升趋势。

当去除环境干扰因素后的导电薄膜1电阻值大于预设的锈蚀阈值时，代表其对应的螺栓的锈蚀程度已经不支持其继续服役，需要更换。

如图6中，能够明显看到有三处电阻值出现了突变，显然不是由于环境因素而造成的波动，若该螺栓节点板中所有的螺栓对应的导电薄膜1均出现该情况，证明有肯能是其他干扰因素，如有强外力作用。若仅部分螺栓对应的导电薄膜1阻值出现突变，则证明该螺栓出现松动，需要维护。

当过额定时间，如一个小时后，若突变后的阻值数据依旧不恢复，则说明该螺栓节点板上的所有螺栓均松动，需要更换；当在额定时间内突变的阻值恢复，则做错误数据处理。

本发明利用导电薄膜的电阻“拉敏效应”，将螺栓的松动或锈蚀体现为导电薄膜电阻的变化。通过监测导电薄膜电阻的变化便实现对螺栓松动或锈蚀的监测，而且可以通过获取螺栓松动或锈蚀全过程中的数据，形成数据库，从而对螺栓松动或锈蚀的发展趋势的定量评估，对实际工程的螺栓松动或锈蚀监测具有重大的意义。本发明突破人工监测的限制，构造简单、布置灵活、使用方便、精度高、成本低且温度适应性好。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种输电塔螺栓锈蚀及松动监测装置，其特征在于，包括

导电薄膜（1），根据螺栓的尺寸设置在螺栓与输电塔角钢基材之间；

电阻采集仪（3），通过导线采集导电薄膜的阻值数据；

薄膜电阻分析单元（4），根据采集到的导电薄膜阻值数据的变化趋势分析螺栓是否锈蚀或松动。

2.根据权利要求1所述的一种输电塔螺栓锈蚀及松动监测装置，其特征在于，所述的导电薄膜（1）分别贴附或涂覆在螺栓的头与输电塔角钢基材接触面之间和螺栓孔中螺栓与输电塔角钢基材的接触面上。

3.根据权利要求1或2所述的一种输电塔螺栓锈蚀及松动监测装置，其特征在于，所述的导电薄膜（1）为适配螺栓形状的环状导电薄膜，环状导电薄膜两端不闭合。

4.根据权利要求1所述的一种输电塔螺栓锈蚀及松动监测装置，其特征在于，所述的电阻采集仪（3）为多通道电阻采集仪。

5.一种输电塔螺栓锈蚀及松动监测方法，采用权利要求1~4中任意一项所述的一种输电塔螺栓锈蚀及松动监测装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将监测装置安装在输电塔螺栓节点处；

S2：多通道电阻采集仪（3）采集通过导线（2）实时采集各导电薄膜（1）的阻值数据；

S3：薄膜电阻分析单元（4）对采集到的导电薄膜的阻值数据进行分析，根据各导电薄膜的阻值变化率判断其对应的螺栓是否存在锈蚀或松动的情况。

6.根据权利要求5所述的一种输电塔螺栓锈蚀及松动监测装置，其特征在于，锈蚀判断过程为：

A1：提取当前时刻导电薄膜的阻值，并与环境因素值做差得到真实阻值；环境因素值从历史数据库中获得；

A2：当真实阻值大于设定的锈蚀阈值时，则判定该螺栓已锈蚀，需要更换；否则，判定该螺栓未锈蚀，仍能使用；

松动判断过程为：

B1：提取当前时刻导电薄膜的阻值，并与上一时刻的导电薄膜阻值做差得到阻值变化值；

B2：当阻值变化值小于设定的松动阈值时，则判定螺栓未松动；否则，继续判定；

B3：判定与该导电薄膜对应的螺栓处于同一螺栓节点的其他全部螺栓的导电薄膜阻值变化值是否均大于松动阈值；若否，则判定导电薄膜阻值变化值大于松动阈值的螺栓松动；若是，则做错误数据处理。

7.根据权利要求5或6所述的一种输电塔螺栓锈蚀及松动监测装置，其特征在于，所述的薄膜电阻分析单元将采集得到的各导电薄膜阻值数据以及分析结果上传存储到历史数据库中，历史数据库中存储有周期为一年，间隔为十五天的若干环境因素值；环境因素值由设置不与螺栓接触的导电薄膜作为对照中获取。

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