CN112611804A - 风电螺栓相控阵试块、系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风电螺栓相控阵试块、系统及检测方法，该相控阵试块包括风电螺栓和附着于风电螺栓端面的若干相控阵探头，相控阵探头在所述风电螺栓两端面之间形成一个虚拟圆柱体；相控阵探头上的每个晶片产生与虚拟圆柱体长度方向具有夹角的入射声束；晶片均匀分布于所述虚拟圆柱体圆形端面；入射声束可在虚拟圆柱体内反射后被晶片接收。去除了现有技术方法中改变声束方向的楔块，该试块能够在设计时即能对风电螺栓的预紧力进行精确控制，并能够便于在其首次安装和后期维护中进行监控和检测，避免了超声波束在楔块上的能量损耗，较大程度地地提供风电螺栓内部损伤探测的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及风电螺栓检测技术领域，尤其涉及一种风电螺栓相控阵试块、系统及检测方法。
背景技术
风电螺栓连接是风力发电机组装配中的重要装配方式，几乎涉及到风力发电机组的所有部件，其选用和强度校核以及装配质量是风力发电机组可靠性的重要保证。高强度螺栓进行连接，由于受机件或装备螺栓质量和安装方面的影响，设备事故常有发生。其中，螺栓预紧力不足，造成螺栓松动，机件或装备运行振动过大，螺栓在长期服役下，剪切断裂，最终造成重大事故的比例较大。究其原因，首先，是螺栓本身质量不过关，设计制造过程中出现问题；其次，就是在安装及维护过程中螺栓预紧力不足，运行过程中振动造成的。
排除螺栓的质量问题，螺栓失效的焦点就落在了首次安装施工、调试及后期维护检修过程中。超声相控阵检测技术是近年发展起来的一种超声无损检测技术，这种技术能提高检测速度和检测信号的信噪比，具有快速、可靠、准确等特点。超声相控阵技术最主要的特点是采用超声阵列发射和阵列接收的方式，通过控制阵列上各个阵元激励信号的延时和幅度来控制声束的形状和方向，实现动态聚焦、扫描和检测。超声相控阵技术的出现提高了超声检测的精度和速度。
现有技术的对风电螺栓的损伤检测中，一般需要加入楔块来改变声束的传播方向，从而使得声束到达管材或棒材表面的入射角a处于第一临界角和第二临界角之间，使得在管材或棒材中只产生横波，并使横波垂直传播到横伤上。由于声波经过楔块时会带来能量的损耗，造成声波在横伤上的回波能量较小，降低了横伤检测的信噪比，甚至造成漏检和误判。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种风电螺栓相控阵试块，用以克服现有技术中风电螺栓损伤检测中的缺陷。
本发明第一方面，提供一种风电螺栓相控阵试块，包括风电螺栓和附着于所述风电螺栓端面的相控阵探头，所述相控阵探头可在所述风电螺栓两端面之间形成一个虚拟圆柱体；
所述相控阵探头上的每个晶片产生与所述虚拟圆柱体长度方向具有夹角的入射声束；所述晶片均匀分布于所述虚拟圆柱体圆形端面；所述入射声束可在所述虚拟圆柱体内反射后被所述晶片接收。
具体的，每一所述晶片产生的入射声束均能产生偏转角度，所述偏转角度为-25°～+25°。
进一步的，所述晶片成圆形阵列布置，且每相邻两个晶片所在面之间的夹角不大于25°。
更多的，所述相控阵探头还包括探头壳及控制电路，所述控制电路和所述晶片均设置于所述壳体内，所述晶片一端固接在所述风电螺栓的端面上。
本发明第二方面，提供一种系统，包括：
所述风电螺栓相控阵试块；
测量装置，用于在风电螺栓首次紧固时，通过超声波测量螺栓自由状态和紧固状态下的声速差和波幅差，基于所述声速差和波幅差计算风电螺栓的伸长率和膨胀率，根据所述伸长率和膨胀率得出风电螺栓的预紧力，以对所述风电螺栓预紧力进行精确控制；
监控装置，用于针对在役风电螺栓，基于超声波和导波在风电螺栓里传播的时间与螺栓轴向应力的线性关系，得出螺栓残余预紧力以及螺栓内部损伤，以确定是否需要对在役螺栓进行复拧或更换。
具体的，所述测量装置包括依次连接的声波发生器、信号采集装置和分析处理装置，其中所述声波发生器包括可发生超声波和导波形成的耦合复合波。
进一步的，所述测量装置还包括依次连接与所述声波发生器连接的连接装置；所述连接装置在靠近所述晶片层时与其电连接或其抵接时电连接。
具体的，所连接装置具有压电传感部，所述压电传感部包括连接件、压电陶瓷层和保护层，所述连接件与所述声波发生器、所述信号采集装置及所述分析处理装置通信连接，所述压电陶瓷层用于电连接所述晶片层并获取其声波信号。
本发明第三方面，提供一种风电螺栓相控阵检测方法，包括：
在风电螺栓端面辅助相控阵探头，使其两端面之间形成一个虚拟圆柱体；并使得相控阵探头在所述风电螺栓横截面投影部分形成不小于360度的覆盖范围；
所述连接装置与所述相控阵探头电性连接；
在螺栓首次紧固时，利用所述测量装置，测量螺栓自由状态和紧固状态下的声速差和波幅差，基于所述声速差和波幅差计算风电螺栓的伸长率和膨胀率，根据所述伸长率和膨胀率得出风电螺栓的预紧力，以对所述风电螺栓预紧力进行精确控制；
针对在役风电螺栓，利用所述监控装置，基于超声波和导波在风电螺栓里传播的时间与螺栓轴向应力的线性关系，得出螺栓残余预紧力以及螺栓内部的损伤，以确定是否需要对在役螺栓进行复拧或更换。
有益效果：
本发明提供的相控阵试块，利用相控阵即使，在风电螺栓端面辅助相控阵探头，使其两端面之间形成一个虚拟圆柱体；并使得相控阵探头能够全范围覆盖风电螺栓内部，从各个角度探测其内部损伤。其去除了现有技术方法中改变声束方向的楔块，该试块能够在设计时即能对风电螺栓的预紧力进行精确控制，并能够便于在其首次安装和后期维护中进行监控和检测，避免了超声波束在楔块上的能量损耗，较大程度地地提供风电螺栓内部损伤探测的信噪比。
附图说明
图1为本发明实施例提供的风电螺栓相控阵试块结构示意图。
图2为本发明实施例提供的相控阵探头结构示意图。
图3为本发明实施例提供的压电传感部结构示意图。
图4为本发明实施例提供的系统结构示意图。
1风电螺栓相控阵试块、10风电螺栓、100虚拟圆柱体、11相控阵探头、110晶片、111探头壳、112控制电路、113盖体、2测量装置、20声波发生器、21信号材料装置、22分析处理装置、23连接装置、230压电传感部、231连接件、232压电陶瓷层、233保护层、3监控装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种风电螺栓相控阵试块1，如图1，包括风电螺栓10和附着于风电螺栓10端面的相控阵探头11，相控阵探头11可在风电螺栓10两端面之间形成一个虚拟圆柱体100；相控阵探头11上的每个晶片110产生与虚拟圆柱体100长度方向具有夹角的入射声束；入射声束可在虚拟圆柱体100内反射后被晶片110接收。
具体的，探头中的晶片110具有吸收和发射声波的功能。当晶片110于虚拟圆柱体100端面上设置时，能够在虚拟圆柱体两端面发射和接受声束，由于晶片产生的是与虚拟圆柱体长度方向具有夹角的入射声束，能够在虚拟圆柱体内产生一个相互交叉，且分开在各个角度(包括虚拟圆柱体长度、横截方向以及与其长度方向任意夹角方向)的声束域，在另一端晶片上发射和接受能够均匀分布在该声束域内，从而使得能够全范围覆盖风电螺栓内部，从各个角度探测其内部损伤；且其去除了现有技术方法中改变声束方向的楔块，直接利用该试块能够在设计时，多风电螺栓的预紧力进行精确控制，并能够便于在其首次安装和后期维护中进行监控和检测，避免了超声波束在楔块上的能量损耗，较大程度地地提供风电螺栓内部损伤探测的信噪比。
优选的，每一所述晶片产生的入射声束均能产生偏转角度，所述偏转角度为-25°～+25°。这是由于在螺栓内部的限制，不仅需要使得偏转角度尽可能大，而且需要保证检测的灵敏度。本发明选用的偏转角度既能保证其灵敏度，还能使得其覆盖虚拟圆柱体内的所有区域，更具体的，晶片110所产生的相控阵声长波束能够在-25°～+25°内进行扫描，扫描分辨率为0.15°。
CIVA软件仿真时检测参数设置为：检测频率5MHz，扇形扫描，角度步进0.50，聚焦深度150mm，10MHz带通滤波，检测角度-25°～+25°，探头位于螺栓端面中心，激发晶片数为150片。建立M16奥氏体不锈钢螺栓模型，在螺栓顶端加载相控阵探头，分别对完好的奥氏体不锈钢螺栓和带有缺陷的奥氏体不锈钢风电螺栓进行声场波束仿真，观察分析两种情况下超声波相控阵的声场波束响应。结果表明，与完好的螺栓相控阵信号相比较，含缺陷的奥氏体不锈钢风电螺栓相控阵信号有明显异常。由此说明，超声相控阵对奥氏体不锈钢风电螺栓有较好的声场覆盖，并且螺栓缺陷处声场信号会有异常响应。
具体的，如图2，相控阵探头11还包括探头壳111及控制电路112，控制电路112和晶片110均设置于壳体111内，并且晶片110一端固接在风电螺栓1的端面上，具体如图所示。晶片110用于发射、反射和接受声束信号，控制电路112用于将声束信号转换和处理并从控制电路112的输出端口输出以便于与外部连接装置23进行连接而传递信号。具体的，探头壳111为一中空圆环形，控制电路112板设置于中间，一侧设置有晶片110，另一侧用于与连接装置23连接。并且在无需连接时，可用盖体113对其进行封盖，起到防尘作用。
本发明实施例进一步提供一种系统5，如图4，包括：
上述实施例提供的风电螺栓相控阵试块1；
测量装置2，用于在风电螺栓首次紧固时，通过超声波测量螺栓自由状态和紧固状态下的声速差和波幅差，基于声速差和波幅差计算风电螺栓的伸长率和膨胀率，根据伸长率和膨胀率得出风电螺栓的预紧力，以对风电螺栓预紧力进行精确控制；
监控装置3，用于针对在役风电螺栓，基于超声波和导波在风电螺栓里传播的时间与螺栓轴向应力的线性关系，得出螺栓残余预紧力以及螺栓内部的损伤，以确定是否需要对在役螺栓进行复拧或更换。
通过该系统，能够精确测量首次紧固时螺栓的预紧力、在役螺栓的残余预紧力及其内部损伤，达到精确控制螺栓预紧力和探测其内部损伤的目的，并能在设计螺栓时即能够得知其使用寿命，而在役螺栓而言，也能提前预警其使用寿命。
进一步的，如图4，测量装置2包括依次连接的声波发生器20、信号采集装置21和分析处理装置22，其中声波发生器20包括可发生超声波和导波形成的耦合复合波。即其集合了超声波和导波的优点，可通过软件控制波束特性、扫查角度范围、聚焦深度和焦点尺寸等，并能以导波形式传播，能够包含螺栓结构内部的全部缺陷和损伤信息，灵敏度更高，能量流分布更均匀，声波衰减更少。
进一步的，测量装置2还包括依次连接与声波发生器20连接的连接装置23；连接装置23在靠近晶片层时与其电连接或其抵接时电连接。具体的，连接装置23能够通过直接导电连接，或者蓝牙连接。
更具体的，如图3，连接装置23具有压电传感部230，压电传感部230包括连接件231、压电陶瓷层232和保护层233，连接件231与声波发生器20、信号采集装置21及分析处理装置22通信连接，压电陶瓷层232用于电连接晶片层并获取其声波信号，保护层233对部件之间的相互连接进行信号保护。
进一步的，本发明还提供一种风电螺栓相控阵检测及监控方法，包括：
在风电螺栓10端面敷设相控阵探头11，使其两端面之间形成一个虚拟圆柱体100；并使得相控阵探头11产生的入射声束能够覆盖该虚拟圆柱体100侧壁和圆形端面；并将连接装置23与相控阵探头11电性连接；
在螺栓首次紧固时，利用测量装置2，测量螺栓自由状态和紧固状态下的声速差和波幅差，基于所述声速差和波幅差计算风电螺栓的伸长率和膨胀率，根据所述伸长率和膨胀率得出风电螺栓的预紧力，以对所述风电螺栓预紧力进行精确控制；
针对在役风电螺栓，利用述监控装置3，基于超声波和导波在风电螺栓里传播的时间与螺栓轴向应力的线性关系，得出螺栓残余预紧力以及螺栓内部的损伤，以确定是否需要对在役螺栓进行复拧或更换。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种风电螺栓相控阵试块，其特征在于，包括风电螺栓和附着于所述风电螺栓端面的相控阵探头，所述相控阵探头可在所述风电螺栓两端面之间形成一个虚拟圆柱体；
所述相控阵探头上的每个晶片产生与所述虚拟圆柱体长度方向具有夹角的入射声束；所述晶片均匀分布于所述虚拟圆柱体圆形端面；所述入射声束可在所述虚拟圆柱体内反射后被所述晶片接收。
2.根据权利要求1所述的风电螺栓相控阵试块，其特征在于，每一所述晶片产生的入射声束均能产生偏转角度，所述偏转角度为-25°～+25°。
3.根据权利要求2所述的风电螺栓相控阵试块，其特征在于，所述晶片成圆形阵列布置，且每相邻两个晶片所在面之间的夹角不大于25°。
4.根据权利要求1-3任一项所述的风电螺栓相控阵试块，其特征在于，所述相控阵探头还包括探头壳及控制电路，所述控制电路和所述晶片均设置于所述壳体内，所述晶片一端固接在所述风电螺栓的端面上。
5.一种系统，其特征在于，包括：
权利要求1-4任一项所述风电螺栓相控阵试块；
测量装置，用于在风电螺栓首次紧固时，通过超声波测量螺栓自由状态和紧固状态下的声速差和波幅差，基于所述声速差和波幅差计算风电螺栓的伸长率和膨胀率，根据所述伸长率和膨胀率得出风电螺栓的预紧力，以对所述风电螺栓预紧力进行精确控制；
监控装置，用于针对在役风电螺栓，基于超声波和导波在风电螺栓里传播的时间与螺栓轴向应力的线性关系，得出螺栓残余预紧力以及螺栓内部损伤，以确定是否需要对在役螺栓进行复拧或更换。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述测量装置包括依次连接的声波发生器、信号采集装置和分析处理装置，其中所述声波发生器包括可发生超声波和导波形成的耦合复合波。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述测量装置还包括依次连接与所述声波发生器连接的连接装置；所述连接装置在靠近所述晶片层时与其电连接或其抵接时电连接。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所连接装置具有压电传感部，所述压电传感部包括连接件、压电陶瓷层和保护层，所述连接件与所述声波发生器、所述信号采集装置及所述分析处理装置通信连接，所述压电陶瓷层用于电连接所述晶片层并获取其声波信号。
9.一种风电螺栓相控阵检测方法，其特征在于，包括：
在风电螺栓端面敷设相控阵探头，使其两端面之间形成一个虚拟圆柱体；并使得相控阵探头产生的入射声束能够覆盖该虚拟圆柱体侧壁和圆形端面；并将权利要求7或8所述连接装置与所述相控阵探头电性连接；
在螺栓首次紧固时，利用权利要求5-8中任一项所述测量装置，测量螺栓自由状态和紧固状态下的声速差和波幅差，基于所述声速差和波幅差计算风电螺栓的伸长率和膨胀率，根据所述伸长率和膨胀率得出风电螺栓的预紧力，以对所述风电螺栓预紧力进行精确控制；
针对在役风电螺栓，利用权利要求5-8任一项中所述监控装置，基于超声波和导波在风电螺栓里传播的时间与螺栓轴向应力的线性关系，得出螺栓残余预紧力以及螺栓内部的损伤，以确定是否需要对在役螺栓进行复拧或更换。
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