CN112525520B - 机组顶盖螺栓在线监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种机组顶盖螺栓在线监测方法及系统，该机组顶盖螺栓在线监测方法，包括：将安装好后的待测螺栓初始应力统一为基准参考值；采用超声应力监测系统实时监测待测螺栓的应力变化值；当所述应力变化值增大时，实时计算所述应力变化值与所述基准参考值的比例，当比例超过设定承载阈值，进行超载报警；当所述应力变化值减小时，实时计算所述应力变化值和所述基准参考值的比例，当比例低于设定松弛预警阈值，进行松弛报警。本申请解决了相关技术中机组顶盖螺栓安装过程中螺栓头部不能有异物，因此在安装时螺栓表面不能粘接传感器，导致监测水轮机机组顶盖螺栓的应力较为困难的问题。

Description

机组顶盖螺栓在线监测方法及系统

技术领域

本申请涉及顶盖螺栓监测领域，具体而言，涉及一种机组顶盖螺栓在线监测方法及系统。

背景技术

相对于汽轮机，水轮机的工质密度大，流场更加复杂，因此，水轮机的转轮室受力异常复杂。顶盖是水轮机的重要部件，通过多个螺栓固定在水轮机机组上端，主要起到固定导水机构，承受轴向载荷的作用。在长期使用后顶盖的螺栓可能会产生松动或预紧力过大，从而造成安全事故，因此需要对螺栓的应力进行监测。

相关技术中对普通螺栓的应力在线监测，测试结果为承受载荷的绝对值，由于螺栓断面载荷分布不均匀，所以都需要事先进行标定，才能够投入使用，具体方式为先要将传感器粘贴在螺栓头接触面固定位置，然后将螺栓拿到拉力机上进行应力与超声时差关系的标定，最后生成该螺栓的标定数据，根据标定曲线测试该螺栓受力的绝对应力值，由于传感器位置的改变会导致初始应力值发生变化，因此在安装过程中传感器的位置在标定后就无法改变，而水轮机机组上使用的螺栓不同于普通螺栓，均采用M24以上的螺栓，该类型螺栓无法采用扭矩扳手进行安装，需要采用电动工具进行安装，导致在安装过程中螺栓头部不能有异物，因此在安装时螺栓表面不能粘接传感器，导致监测水轮机机组顶盖螺栓的应力较为困难。

针对相关技术中机组顶盖螺栓安装过程中螺栓头部不能有异物，因此在安装时螺栓表面不能粘接传感器，导致监测水轮机机组顶盖螺栓的应力较为困难的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种机组顶盖螺栓在线监测方法及系统，以解决相关技术中机组顶盖螺栓安装过程中螺栓头部不能有异物，因此在安装时螺栓表面不能粘接传感器，导致监测水轮机机组顶盖螺栓的应力较为困难的问题。

为了实现上述目的，本申请提供了一种机组顶盖螺栓在线监测方法，该机组顶盖螺栓在线监测方法，包括：将安装好后的待测螺栓初始应力统一为基准参考值；采用超声应力监测系统实时监测待测螺栓的应力变化值；当所述应力变化值增大时，实时计算所述应力变化值与所述基准参考值的比例，当比例超过设定承载阈值，进行超载报警；当所述应力变化值减小时，实时计算所述应力变化值和所述基准参考值的比例，当比例低于设定松弛预警阈值，进行松弛报警。

进一步的，采用超声应力监测系统实时监测待测螺栓的应力变化值具体为：向待测螺栓发射超声波；接收超声波从待测螺栓端面反射的回波，并生成测量数据；调取待测螺栓的应力变化值关系图谱并与所述测量数据进行比对，从而获得待测螺栓的实时应力变化值。

进一步的，超声应力监测系统通过采集待测螺栓的一次底波的时差t1和二次底波的时差t2，用t2－t1获得超声波在螺栓上的一次完整声程传输时间。

进一步的，超声应力监测系统在向待测螺栓发射超声波前，根据待测螺栓的大小和长度调节激励脉冲次数。

进一步的，调取待测螺栓的应力变化值关系图谱前先检测待测螺栓所在环境的环境温度，然后再根据环境温度调取待测螺栓在对应温度下的应力变化值关系图谱。

进一步的，待测螺栓通过电动工具安装在机组顶盖上，所述待测螺栓的应力变化值关系图谱通过对与待测螺栓同类型的螺栓进行标定获得。

根据本申请的另一方面，提供机组顶盖螺栓在线监测系统，包括：第一确定单元，用于将安装好后的待测螺栓初始应力统一为基准参考值；超声应力监测系统，用于实时监测待测螺栓的应力变化值；比对单元，用于在每一预设时间点将待测螺栓的所述应力变化值与所述基准参考值进行对比，并确定应力变化值和基准参考值的比例；报警单元，用于在所述比例超过设定承载阈值时，进行超载报警；以及，用于在比例低于设定松弛预警阈值，进行松弛报警。

进一步的，还包括：显示单元，用于将每一预设时间点监测到的待测螺栓的应力变化值进行显示并生成基于所述基准参考值的趋势图。

进一步的，超声应力监测系统包括：超声信号发生器，用于产生激励脉冲；超声波传感器，用于向待测螺栓发射超声波和接收回波，将回波转化为电信号输出；高压切换开关，连接于超声信号发生器和超声波传感器之间，用于将激励脉冲轮流输入至多个超声波传感器，并轮流将多个超声波传感器输出的电信号输入至数据采集系统；数据采集系统，与高压切换开关电连接，用于采集电信号并转化为测量数据；服务器，与数据采集系统电连接，用于读取所述测量数据并存储到数据库，并根据测量数据获得待测螺栓的应力变化值。

进一步的，还包括：云端，与所述服务器连接，用于接收服务器发送的待测螺栓的应力变化值，并通过云端将数据发送给远程客户端。

在本申请实施例中，采用监测待测螺栓的应力变化值的方式，通过将安装好后的待测螺栓初始应力统一为基准参考值；采用超声应力监测系统实时监测待测螺栓的应力变化值；当所述应力变化值增大时，实时计算所述应力变化值与所述基准参考值的比例，当比例超过设定承载阈值，进行超载报警；当所述应力变化值减小时，实时计算所述应力变化值和所述基准参考值的比例，当比例低于设定松弛预警阈值，进行松弛报警，达到了实时监测待测螺栓的应力变化值以获取应力变化值与基准参考值之间的比例，在比例不符合设定阈值时进行报警的目的，从而实现了针对M24以上的螺栓实时监测待测螺栓的应力变化值，从而判断待测螺栓使用状态的技术效果，进而解决了相关技术中机组顶盖螺栓安装过程中螺栓头部不能有异物，因此在安装时螺栓表面不能粘接传感器，导致监测水轮机机组顶盖螺栓的应力较为困难的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的系统示意图；

图2是根据本申请实施例的超声应力监测系统示意图；

图3是根据本申请实施例应用中的折线图示；

其中，1第一确定单元，2超声应力监测系统，3比对单元，4显示单元，5报警单元，6高压切换开关，7超声波传感器，8数据采集系统，9服务器，10云端，11超声信号发生器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。

在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“设置”、“设有”、“连接”、“固定”等应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本申请实施例提供了一种机组顶盖螺栓在线监测方法，该机组顶盖螺栓在线监测方法，包括：将安装好后的待测螺栓初始应力统一为基准参考值；采用超声应力监测系统2实时监测待测螺栓的应力变化值；当应力变化值增大时，实时计算应力变化值与基准参考值的比例，当比例超过设定承载阈值，进行超载报警；当应力变化值减小时，实时计算应力变化值和基准参考值的比例，当比例低于设定松弛预警阈值，进行松弛报警。

本实施中，机组顶盖螺栓在线监测方法主要是针对水轮机机组顶盖螺栓的应力监测，相关技术中的螺栓应力监测方法不适用于水轮机机组顶盖螺栓（即M24以上的螺栓），待测螺栓通过电动工具安装在机组顶盖上，由于机组还未投入使用，且待测螺栓通过电动工具进行安装，因此待测螺栓的应力满足使用要求，虽然机组顶盖上各个螺栓的应力有所差别，但是本实施例中监测螺栓应力的变化值，而没有采用相关技术中的监测螺栓应力的绝对值，因此各个螺栓应力之间的差别并不会对本监测方法产生影响，超声应力监测系统2主要是通过向待测螺栓发送超声波，通过接收回波来计算待测螺栓在机组运行过程中的应力变化值，具体原理为相关技术中利用超声波检测螺栓应力值的原理，此处不再赘述；

由于机组在运行过程中顶盖螺栓的应力处于变化状态，因此本实施例中采用实时监测待测螺栓的应力变化值，并确定该应力变化值与设定的基准参考值之间的比例，机组在运行过程中可能会使顶盖螺栓的应力增大，当计算出应力变化值与基准参考值的比例超过设定承载阈值时，进行超载报警以提醒工作人员，机组在运行过程中也有可能会使顶盖螺栓的应力减小，当计算出应力变化值与基准参考值的比例低于设定松弛预警阈值时，进行松弛报警以提醒工作人员，此处承载阈值和松弛预警阈值均由设计确定，例如承载阈值设定为超出基准参考值的30%，松弛预警阈值设定为低于基准参考值的30%，因此当监测到待测螺栓的应力变化值超出或低于基准参考值的30%时均进行报警，提醒工作人员及时进行检查，保障了机组的正常运行。如图3所示，图中外圈分布的数字表示机组顶盖螺栓编号，各个同心圆中的至少一个圆为基准参考值，其他圆表示不同的设定阈值，四条折线分别表示在运行条件一、运行条件二、运行条件三和运行条件四下的待测螺栓应力变化趋势。

由于本实施例主要监测待测螺栓的应力变化值，相较于监测待测螺栓的绝对值的方式而言，无论是小于M24的螺栓或大于M24的螺栓均可进行监测，且在螺栓的安装过程中不需要保证传感器的位置不发生改变，减少了监测流程，提高了监测效率，尤其是针对于大于M24的螺栓，更能起到相关技术中无法起到的监测效果，为保障大型设备的稳定运行提供了有力的支持。

采用超声应力监测系统2实时监测待测螺栓的应力变化值具体为：向待测螺栓发射超声波；接收超声波从待测螺栓端面反射的回波，并生成测量数据；调取待测螺栓的应力变化值关系图谱并与测量数据进行比对，从而获得待测螺栓的实时应力变化值。

相关技术中螺栓在标定时获取应力与超声波传播速度的关系图谱，因此在进行检测时获得待测螺栓的实时应力值，该方式需要在标定和安装过程中传感器在螺栓上的安装位置不做改变，因此需要对每一个待安装的螺栓进行标定，且安装要求也较高，无法适用于大于M24的螺栓安装，本实施例中在标定时获取应力变化与超声波传播速度的关系图谱，在进行检测时获得待测螺栓的应力变化值，由于应力变化值不受初始值的影响，因此不需要保证标定和安装过程中传感器的位置不变，甚至只需要对同类型螺栓进行标定即可确定所有待安装螺栓的标定，节省了大量的安装工序和监测工序，并适用于水轮机组顶盖螺栓的安装和应力监测。

由于超声回波的相位会发生无法避免的抖动，如果只用1次底波的时差进行测量，相位抖动会引起较大的测量误差，误差范围在10ns以上；但是各底波的相位变化趋于同步，所以同时获得1次底波的时差t1和2次底波的时差t2，用t2-t1也可获得超声波在螺栓的一次完整声程传输时间，这样可以避免相位抖动引起的误差，从而降低测量误差，误差值在5ns以下，该方式提高了测量精度。采用超声应力监测系统2在向待测螺栓发射超声波前，根据待测螺栓的大小和长度调节激励脉冲次数，提高脉冲次数可以提高发射能量，提高超声回波的灵敏度，可以测量更长尺寸的螺栓。

由于超声波的传播速度与温度有关，因此调取待测螺栓的应力变化值关系图谱前先检测待测螺栓所在环境的环境温度，然后再根据环境温度调取待测螺栓在对应温度下的应力变化值关系图谱。

如图1所示，根据本申请的另一方面，提供机组顶盖螺栓在线监测系统，包括：第一确定单元1，用于将安装好后的待测螺栓初始应力统一为基准参考值；超声应力监测系统2，用于实时监测待测螺栓的应力变化值；比对单元3，用于在每一预设时间点将待测螺栓的应力变化值与基准参考值进行对比，并确定应力变化值和基准参考值的比例；报警单元5，用于在比例超过设定承载阈值时，进行超载报警；以及，用于在比例低于设定松弛预警阈值，进行松弛报警；还包括：显示单元4，用于将每一预设时间点监测到的待测螺栓的应力变化值进行显示并生成基于基准参考值的趋势图和实时比例数值，通过趋势图和比例数值便于工作人员更直观的观测到待测螺栓的应力变化情况。

如图2所示，超声应力监测系统2包括：超声信号发生器11，用于产生激励脉冲；超声波传感器7，用于向待测螺栓发射超声波和接收回波，将回波转化为电信号输出；高压切换开关6，连接于超声信号发生器11和超声波传感器7之间，用于将激励脉冲轮流输入至多个超声波传感器7，并轮流将多个超声波传感器7输出的电信号输入至数据采集系统8；数据采集系统8，与高压切换开关6电连接，用于采集电信号并转化为测量数据；服务器9，与数据采集系统8电连接，用于读取测量数据并存储到数据库，并根据测量数据获得待测螺栓的应力变化值。

具体的，需要说明的是，由于在实际工况中，所要检测螺栓很多，例如周向整列的法兰盘上的螺栓，每个螺栓上都设置有一个超声波传感器7，若直接将高频信号发生器与超声波传感器7进行连接，则需要与超声波传感器7数量相同的高频信号发生器，造成成本上的浪费，而高压切换开关6可轮流将高频信号发生器与多个超声波传感器7通电，实现超声波传感器7的轮流检测，节约了成本，在对机组顶盖螺栓进行实时监测时，可通过高压切换开关6连通所有的超声波传感器7，也可针对性的监测部分机组顶盖螺栓，便于使用。

如图2所示，还包括：云端10，与服务器9连接，用于接收服务器9发送的待测螺栓的应力变化值，并通过云端10将数据发送给远程客户端。使用大数据云服务，实现了移动终端查询和远程客户端控制，是防止螺栓连接失效、避免事故的有效方法。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种机组顶盖螺栓在线监测方法，其特征在于，包括：

将安装好后的待测螺栓初始应力统一为基准参考值；

采用超声应力监测系统实时监测待测螺栓的应力变化值；

当所述应力变化值增大时，实时计算所述应力变化值与所述基准参考值的比例，当比例超过设定承载阈值，进行超载报警；

当所述应力变化值减小时，实时计算所述应力变化值和所述基准参考值的比例，当比例低于设定松弛预警阈值，进行松弛报警；

所述采用超声应力监测系统实时监测螺栓的应力变化值具体为：

向待测螺栓发射超声波；

接收超声波从待测螺栓端面反射的回波，并生成测量数据；

调取待测螺栓的应力变化值关系图谱并与所述测量数据进行比对，从而获得待测螺栓的实时应力变化值；所述应力变化值关系图谱为应力变化与超声波传播速度的关系图谱。

2.根据权利要求1所述的机组顶盖螺栓在线监测方法，其特征在于，所述超声应力监测系统通过采集待测螺栓的一次底波的时差t1和二次底波的时差t2，用t2－t1获得超声波在螺栓上的一次完整声程传输时间。

3.根据权利要求2所述的机组顶盖螺栓在线监测方法，其特征在于，所述采用超声应力监测系统在向待测螺栓发射超声波前，根据待测螺栓的大小和长度调节激励脉冲次数。

4.根据权利要求1所述的机组顶盖螺栓在线监测方法，其特征在于，所述调取待测螺栓的应力变化值关系图谱前先检测待测螺栓所在环境的环境温度，然后再根据环境温度调取待测螺栓在对应温度下的应力变化值关系图谱。

5.根据权利要求1所述的机组顶盖螺栓在线监测方法，其特征在于，所述待测螺栓通过电动工具安装在机组顶盖上，所述待测螺栓的应力变化值关系图谱通过对与待测螺栓同类型的螺栓进行标定获得。

6.一种机组顶盖螺栓在线监测系统，使用如权利要求1至5任一项所述的机组顶盖螺栓在线监测方法，其特征在于，包括：

第一确定单元，用于将安装好后的待测螺栓初始应力统一为基准参考值；

超声应力监测系统，用于实时监测待测螺栓的应力变化值；

比对单元，用于在每一预设时间点将待测螺栓的所述应力变化值与所述基准参考值进行对比，并确定应力变化值和基准参考值的比例；

报警单元，用于在所述比例超过设定承载阈值时，进行超载报警；以及，用于在比例低于设定松弛预警阈值，进行松弛报警。

7.根据权利要求6所述的机组顶盖螺栓在线监测系统，其特征在于，还包括：

显示单元，用于将每一预设时间点监测到的待测螺栓的应力变化值进行显示并生成基于所述基准参考值的趋势图。

8.根据权利要求7所述的机组顶盖螺栓在线监测系统，其特征在于，所述超声应力监测系统包括：

超声信号发生器，用于产生激励脉冲；

超声波传感器，用于向待测螺栓发射超声波和接收回波，将回波转化为电信号输出；

高压切换开关，连接于超声信号发生器和超声波传感器之间，用于将激励脉冲轮流输入至多个超声波传感器，并轮流将多个超声波传感器输出的电信号输入至数据采集系统；

数据采集系统，与高压切换开关电连接，用于采集电信号并转化为测量数据；

服务器，与数据采集系统电连接，用于读取所述测量数据并存储到数据库，并根据测量数据获得待测螺栓的应力变化值。

9.根据权利要求8所述的机组顶盖螺栓在线监测系统，其特征在于，还包括：

云端，与所述服务器连接，用于接收服务器发送的待测螺栓的应力变化值，并通过云端将数据发送给远程客户端。

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