您當前的位置：檢測資訊 > 科研開發(fā)
嘉峪檢測網(wǎng) 2024-08-05 16:13
隨著雙碳政策的深入推進，風力發(fā)電得到前所未有的發(fā)展。大量風電機組建設的同時，因螺栓緊固力問題導致的風電機組倒塔事件也隨之發(fā)生。螺栓作為一種關鍵連接件，被廣泛應用于橋梁船舶、儀器裝備、風電機組、交通設施及其他工業(yè)領域，螺栓的應力狀態(tài)決定著設備的使用狀態(tài)和壽命。
在設備服役過程中，溫度、應力以及交變載荷的作用都會改變螺栓緊固力的大小。螺栓緊固力不足會使連接部分產(chǎn)生松動、滑移，緊固力過大則會引起疲勞斷裂，造成設備損壞。同時，服役螺栓螺紋處受力也會產(chǎn)生一定的塑性變形，增加了螺栓應力測量的難度。準確測量螺栓緊固力是風電工程領域熱點問題之一，對風電機組設備的安裝、維修和維護具有重要意義。
目前常用的螺栓緊固力測量方法有扭矩扳手法、電阻應變片法、光測力學法、磁敏電阻法和超聲波法等。其中超聲波法可以實現(xiàn)對在役螺栓緊固力的便攜式無損檢測，應用前景廣闊。
超聲波法是在聲彈性效應的基礎上，通過測量螺栓的渡越時間計算螺栓緊固力。其中渡越時間隨螺栓應力狀態(tài)變化而變化，可實現(xiàn)對風電螺栓緊固力的在線監(jiān)測。
超聲波法分為縱波單波法和縱橫雙波法，縱波單波法測量精度高、操作簡單，但標定螺栓緊固力需要測量未服役螺栓的渡越時間，而對于在役螺栓渡越時間的測量比較困難；縱橫雙波法是通過測量縱橫雙波的渡越時間，根據(jù)數(shù)學公式計算得到螺栓的緊固力，適用于在役難以拆卸的螺栓。
國內(nèi)外學者圍繞超聲波法開展了大量研究，但大都停留在實驗室階段，尚未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應用。
1、超聲波測量的原理和數(shù)學模型
1、聲彈性原理
自1940年聲彈性現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，即在彈性介質(zhì)中應力與聲波傳播速度之間相互聯(lián)系，超聲波波速的變化可間接反映應力大小。德崗辰雄從有限元理論出發(fā)，推導出超聲波橫波傳播速度差與主應力差的關系。隨后經(jīng)過各國學者的不斷努力，聲彈性原理日漸成熟。
根據(jù)聲彈性原理，當超聲波傳播方向與應力平行時，可得到如下數(shù)學關系：
式中：ρ0為固體零應力下的密度；σ為螺栓應力；λ，μ為材料的Lame常數(shù)；m，n，l為材料的Murnaghan常數(shù)；vLσ為標準溫度下應力為σ時的縱波聲速；vSσ為標準溫度下應力為σ時的橫波聲速。
由上式可知，在零應力狀態(tài)下即σ=0時，可得：
式中：vL0為標準溫度下應力σ=0時的縱波聲速；vS0為標準溫度下應力σ=0時的橫波聲速。
將式(3)和式(4)代入式(1)和式(2)中，化簡可得：
式中：kL、kS為Lame常數(shù)和Murnaghan常數(shù)的混合常數(shù)項。
而在具體實驗計算中，為簡化計算，常根據(jù)泰勒公式對式(5)和式(6)進行變形簡化：
在彈性力學理論中，當螺栓軸向應力小于其屈服強度時，可認為螺栓處于完全彈性變形階段。當環(huán)境溫度不變的情況下，Lame常數(shù)和Murnaghan常數(shù)可視為不變常數(shù)，此時螺栓軸向應力的大小只與長度和溫度有關。
綜上所述，建立軸向應力與螺栓長度、聲速以及溫度之間的數(shù)學模型，通過計算便可得到螺栓緊固力。
2、數(shù)學模型
胡克定律模型
根據(jù)胡克定律，在彈性變形范圍內(nèi)，材料的應力與應變成正比。圖1為螺栓的物理示意圖，其中L為螺栓總長度。
圖1 螺栓示意圖
根據(jù)圖1可得：
式中：Lσ為標準溫度下應力為σ時的螺栓夾持長度；L0為標準溫度下應力σ=0時的螺栓夾持長度；E為螺栓彈性模量。
溫度模型
當螺栓溫度發(fā)生變化時，螺栓長度、應力狀態(tài)也隨之變化。由于螺栓溫度和長度的作用，超聲波聲速的變化方程如下：
式中：Vσ,T為溫度Τ、應力σ時的聲速；V0為標準溫度下應力σ=0時的聲速；Lσ,T為溫度Τ、應力σ時的夾持長度；Α為聲彈性系數(shù)；α為溫度影響系數(shù)；β為溫度膨脹系數(shù)；ΔΤ為溫度變化量。
時間模型
超聲的渡越時間是指超聲波在螺栓內(nèi)部從發(fā)射到接收，傳播兩個螺栓長度所需要的時間。通過建立渡越時間和應力之間的關系，進而計算螺栓的緊固力。常見的時間模型如下：
式中：S0為標準溫度下應力σ=0時的渡越時間；S0,T為溫度Τ、應力σ=0時的渡越時間；Sσ,T為溫度Τ、應力σ時的渡越時間；V0,T為溫度Τ、應力σ=0時的聲速；VT為溫度Τ時的聲速；LN為螺栓原始總長度。
無論是縱波單波法，還是縱橫雙波法，測量螺栓的緊固力都是以上述數(shù)學模型為基礎。隨著超聲波理論的完善，超聲儀器和探頭的精度和質(zhì)量進一步精進，數(shù)學模型也適時修正優(yōu)化。同時隨超聲波聲時測量技術的提高，逐步完善聲時測點位置，為螺栓聲時的精準測量奠定了基礎。在此基礎上開發(fā)出新的算法和模型，測量精度不斷提高，超聲波測量技術的潛力被大大釋放，大大推動了超聲波聲時測量法的工業(yè)應用。
2、風電螺栓測量方法研究現(xiàn)狀
得益于“十三五”“十四五”規(guī)劃的落地實施，我國風電市場迅猛發(fā)展，年累計裝機量不斷增加，同時海上風電項目的規(guī)模增速高于陸地風電。圖2為2016—2022年風電裝機容量變化趨勢，可以看出中國風電市場累計裝機容量從2016年的168.7 GW增長到2022年的395.6 GW；其中，陸上風電市場累計裝機規(guī)模從2016年的167.1 GW增長到2022年的365.1 GW；海上風電市場累計裝機規(guī)模從2016年的1.6 GW增長到2022年的30.5 GW。
圖2 2016-2022年中國風電市場累計裝機容量
隨著風電裝機規(guī)模的擴大，風電機組的技術監(jiān)督問題日益突出，特別是兆瓦級風電機組的倒塌、風機墜頭、塔筒攔腰折斷等問題頻發(fā)。螺栓是風電機組的關鍵連接件，尤其大功率兆瓦級風電機組安裝螺栓可達上千根，因此螺栓的應力狀態(tài)決定著風電機組的運行質(zhì)量和安全。
目前大型風電螺栓的安裝基本采用力矩扳手，安裝緊固力環(huán)節(jié)缺少必要監(jiān)督；其次，溫度、載荷變化引起的螺栓松動和緊固力變化無法實現(xiàn)在線監(jiān)測，安全隱患無法實時排查。準確測量、監(jiān)測螺栓的緊固力是風電機組質(zhì)量監(jiān)督的關鍵。
超聲波法作為一種無損檢測方法，具有無損傷、無污染、精度高和便攜化等優(yōu)點，在螺栓緊固力檢測領域具有重大應用潛力。
1、縱波單波法研究現(xiàn)狀
縱波單波法就是僅用超聲縱波對螺栓緊固力進行測量的方法。通過測量螺栓服役和未服役狀態(tài)下的渡越時間便可以計算得到螺栓緊固力的大小?？v波單波法是目前測量精度最高、研究時間最長的測量技術。
Smith等根據(jù)政府和公司的公開報告，探討了超聲波聲時測量技術的專業(yè)背景，并通過案例表明超聲波縱波法在螺栓應力檢測領域的巨大潛力。
冉啟芳等通過分析螺栓內(nèi)部影響超聲聲速的因素，改善測量儀器并提出一種形狀因子的縱波法，該方法考慮了螺栓自身形狀和螺母的夾持作用對測量精度的影響，在0.01 μs誤差范圍內(nèi)可準確測量出兩次回波時間，保證了緊固力的測量精度。
Kim等提出了一種模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲應力測量技術，通過分析軸對稱圓柱固體中軸向應力對超聲波波速的影響，建立了線性的聲彈性方程，驗證了超聲波在螺栓中的模態(tài)轉(zhuǎn)換，提高了單波法的測量精度。
張俊等從聲彈性原理出發(fā)創(chuàng)新性地定義兩項材料系數(shù)，并考慮溫度變化對螺栓應力測量的影響，提出一種新的應力數(shù)學模型，并基于此模型開發(fā)的螺栓應力測量系統(tǒng)實現(xiàn)了超聲渡越時間和溫度的精確測量，其應力測量誤差小于5%。螺栓材料系數(shù)的提出為后來學者的研究帶來極大的幫助，測量精度達到了一個更高的維度。
賈雪等建立了一種新型的螺栓應力測試系統(tǒng)，采用高精度傳感器對超聲波和螺栓應力進行測試，根據(jù)實驗結(jié)果分析修正了誤差。圖3為該測試系統(tǒng)的工作原理圖，該測試系統(tǒng)采用小波去噪處理消除了高頻噪聲的干擾，將測量精度上升了一個層級。同時通過建立應力-聲時曲線，可以實時監(jiān)測螺栓應力的狀態(tài)。實時監(jiān)測能力的實現(xiàn)可支撐開發(fā)螺栓應力在線監(jiān)測系統(tǒng)。
圖3 測試系統(tǒng)示意圖
潘勤學等針對螺栓應力分布不均勻以及現(xiàn)有測量模型精度的問題，革命性地將溫度、材料因子和形狀因子有機結(jié)合起來，提出一種有限元法；并通過有限元仿真標定實驗，準確測量出45號鋼的材料因子和M16、M20螺栓的形狀因子；該方法將影響螺栓測量系數(shù)的材料屬性和形狀因子獨立開來，克服了無法精準測量材料因子和形狀因子的問題，為螺栓緊固力測量提供了一個新思路。
劉家斌等基于聲彈性效應研制了一套自動化螺栓軸向應力超聲波渡越時間標定系統(tǒng)，解決了測試系統(tǒng)效率不高、自動化不足的問題。圖4為該標定系統(tǒng)物理原理圖，該測量系統(tǒng)通過對不同螺栓的加載，利用FPGA和RS485，系統(tǒng)便可自動測量出對應的渡越時間，直接輸出最終結(jié)果。測量系統(tǒng)的自動化、實時化特點在風電機組螺栓的在線監(jiān)測領域具有極高的應用價值，自動化測量系統(tǒng)可大大減少現(xiàn)場測量工作量，實現(xiàn)螺栓緊固力快速、準確的測量，對于工業(yè)應用具有極高的價值。
圖4 系統(tǒng)原理圖
為進一步研究風電變槳軸承螺栓預緊力的檢測方法，同時為預防風電機組螺栓失效及預緊力監(jiān)測提供依據(jù)，孫越等在螺栓緊固力測量的理論和實驗基礎上，對風電機組螺栓緊固力進行了標定實驗。采用COMSOL分析法和最小二乘法擬合渡越時間、聲時差、應力之間的關系，實現(xiàn)檢測誤差小于3%，能夠滿足工業(yè)應用的需求。
Nikravesh等通過對各種螺栓應力方法進行對比，肯定了縱波法在測量精度方面的優(yōu)越性，并指出縱波法測量技術需要同時測量螺栓服役和未服役時的超聲波渡越時間，測量精度高，適用于螺栓安裝過程中的緊固力測量；同時高精度自動化測量系統(tǒng)的實現(xiàn)為縱波法的工業(yè)化應用提供了技術支撐。但由于無法測量在役螺栓無應力狀態(tài)下的渡越時間，縱波法的應用范圍受到限制，此時就要利用縱橫雙波法實現(xiàn)在役螺栓的緊固力測量。
2、縱橫雙波法研究現(xiàn)狀
縱橫雙波法只須測量在役螺栓縱橫波的渡越時間便可得到螺栓緊固力，應用范圍廣。由于橫波測量技術的換能器、精度等限制，渡越時間難以準確測量。同時受其他因素的影響，縱橫雙波法也尚未得到大規(guī)模應用。
吳克成等針對縱波法局限性首先提出縱橫雙波法應力測量技術，同時對螺栓形狀、溫度等影響因素進行分析研究，結(jié)果表明雙波法緊固力的測量精度滿足工程要求，這為解決在役螺栓技術監(jiān)督問題提供了數(shù)據(jù)支撐，也為后來學者指引了新的研究方向。
何存富等利用縱橫雙波法開展了群栓實驗，也證明了縱橫雙波法測量螺栓緊固力的可行性。
江澤濤等系統(tǒng)性研究了螺栓應力與材料特性、夾持長度、溫度和聲時之間的關系，并提出一種新的數(shù)學模型，簡化了計算過程，同時保證了測量精度。
徐春廣等在聲彈性原理的基礎上提出一種快速準確測量螺栓緊固力的方法，該方法不僅消除了溫度和彈性變形的影響，而且適用于螺栓長度未知的情況；同時分類討論了螺栓在低載荷與高載荷不同情況下螺栓軸向應力測量系數(shù)的狀況，得到不同載荷條件下應力測量系數(shù)的計算方法，大大提高了縱橫雙波法的測量精度，使得工業(yè)應用成為可能。
Herdovics等提出一種溫度迭代補償方法，利用超聲波入射波進行相位估計，然后進行超聲波傳播速度變化估計，每一步后對激勵相位差和傳播速度差進行補償，從而進行更加精確的估計。
縱橫雙波法應用實驗中，嚴勇等對10.9級42CrMoA風電螺栓的緊固力進行了實地測量，通過分析測試系統(tǒng)延時誤差和溫度誤差對不同測試方法測量精度的影響，開發(fā)出一套聲速標定系統(tǒng)。圖5為該標定系統(tǒng)的工作原理圖，在系統(tǒng)軸向應力采集模式下，先由計算機的主機發(fā)出信號指令并輸出特定脈沖信號，通過換能器激發(fā)縱橫雙波的入射波信號，回波信號經(jīng)過帶通濾波、增益，由系統(tǒng)數(shù)字電路精密計算出雙波相應渡越時間，從而計算螺栓緊固力。該方法克服了橫波難以測量的難題，測量誤差小于5%，完全滿足工程應用的要求，具有較高的工業(yè)化應用潛力。
圖5 系統(tǒng)原理圖
劉廣興等從聲彈性原理從發(fā)，提出一種基于螺栓縱橫雙波渡越時間的聲時比值法，解決了在役螺栓緊固力測量的問題。與其他方法相比，比值法大大簡化了數(shù)學模型，可操作性更強，具有很好的應用前景。
材料表面缺陷將對超聲信號的傳導產(chǎn)生非線性影響，在此基礎上，李相亨等將實際工程應用中螺栓預拉力的檢測方法進行對比分析，研究了螺栓有效應力長度對螺栓緊固力超聲測量的影響，并修正了有效應力長度的計算公式，確定螺栓有效應力長度精確范圍；同時研究了超聲波耦合劑對螺栓緊固力測量的影響，并找到一種性價比高的耦合劑，提高了雙波測量螺栓緊固力的精度和經(jīng)濟性。
針對目前縱橫雙波測量精度不高的問題，通過對溫度補償、夾持長度、材料系數(shù)等方面的系統(tǒng)性分析，整體誤差已經(jīng)可以控制在5%以內(nèi)，在實驗室層面實現(xiàn)了螺栓緊固力的高精測量。
在役的風電機組螺栓由于受到交變載荷和環(huán)境溫濕度的影響，隨著時間的變化會發(fā)生應力松弛，增加倒塌的風險。而風電機組的技術監(jiān)督工作無法擰下螺栓，只能利用雙波法進行螺栓緊固力的精確加固。此時若采用扭矩法進行螺栓加固，無法實現(xiàn)螺栓的精準加固。螺栓過松會導致部件松動，過緊則可能導致螺栓斷裂、機組倒塌，帶來嚴重的經(jīng)濟損失。
3、電磁超聲法研究現(xiàn)狀
相對于傳統(tǒng)的壓電超聲技術，電磁超聲是一種非接觸性測量技術，不需耦合劑便可直接利用電磁耦合方法激勵和接收超聲波，避免了因耦合劑誤差導致的緊固力測量誤差，同時擁有更高的測量精度。
Kogia等研究了電磁超聲換能器在高溫情況下激發(fā)縱波檢測大型設備，并利用仿真模擬電磁超聲換能器的材料、尺寸參數(shù)和工作條件進行驗證，拓寬了電磁超聲換能器在高溫條件下的適用范圍。電磁超聲在工業(yè)領域常用于測厚和探傷等方面，近些年開始應用于螺栓的緊固力測量。
Liu等針對電磁超聲換能器效率問題，通過數(shù)值分析對永磁鐵、線圈參數(shù)進行優(yōu)化，并對7075鋁合金螺栓進行實驗，驗證了模型的有效性。
丁旭等基于波型轉(zhuǎn)換的單傳感器螺栓軸力超聲測量原理，研制出一套在役螺栓軸力電磁超聲測量系統(tǒng)，圖6為該測量系統(tǒng)的原理圖。利用該系統(tǒng)完成了對M24、M26、M28和M30螺栓的緊固力測量，克服了耦合劑對測量過程的干擾作用，展現(xiàn)出壓電超聲所缺少的穩(wěn)定性，誤差小于10%，能夠滿足工程需要。
圖6 系統(tǒng)原理圖
王文軍等提出了一種基于模式轉(zhuǎn)換的電磁超聲螺栓緊固力測量方法，通過分析超聲波反射線路建立了雙波聲時與螺栓緊固力之間的數(shù)學模型，實現(xiàn)了對高強度螺栓應力的工程化測量。
岑鑫系統(tǒng)性研究了電磁超聲測量技術的原理和方法，并針對電磁超聲換能器效率低、信號弱的問題，通過COMSOL仿真分析，優(yōu)化設計了一種新型換能器，圖7為換能器的結(jié)構示意圖。該換能器實現(xiàn)所測誤差小于5%，為進一步提高電磁超聲測量技術的精度提供了新思路。
圖7 換能器結(jié)構圖
高珊用控制變量法研究了永磁鐵高度、寬度和線圈提離距離三個參數(shù)對洛倫茲力和磁通密度峰值的影響，結(jié)合電路板（PCB）總結(jié)出洛倫茲力和磁通密度峰值的影響規(guī)律；利用優(yōu)化后的換能器參數(shù)在COMSOL軟件中研究電磁超聲換能器工作狀態(tài)，并根據(jù)最大峰值過零點法對回波信號求得超聲波渡越時間，從而實現(xiàn)螺栓緊固力的測量。
Cheng等通過對風電機組的風力渦輪機進行檢測，建立了電磁超聲換能器激發(fā)衍射縱波的模型，并詳細分析了材料、距離等對傳感器阻抗的影響，證明了換能器能夠很好實現(xiàn)對衍射縱波接收，展現(xiàn)了電磁超聲在風電機組檢測中的潛力。
目前電磁超聲測量螺栓軸向應力作為一個比較新穎的方向，主要圍繞建立換能器和螺栓仿真模型應力測量兩個方向開展研究。而仿真模型大都停留在二維模型方面，因此在今后的研究中對于螺紋的影響需要重點考慮。尤其在鐵塔地腳螺栓的應力測量中，螺紋對于小尺寸螺栓的影響是不可忽視的。如何建立更優(yōu)的螺紋仿真模型也是一個重要的研究方向。
3、結(jié)束語
隨著國內(nèi)外學者的不斷努力，超聲測量理論和設備日趨成熟，測量精度也不斷提高。縱波法和縱橫雙波法在風電機組技術監(jiān)督方面發(fā)揮著越來越重要的作用，但目前仍存在一些問題限制了超聲波測量技術的工業(yè)化應用，主要有以下幾點：
(1) 縱波法和縱橫雙波法的測量原理都是假設螺栓應力均勻分布，但螺栓實際應力并不均勻，難以實現(xiàn)應力的定量分析，限制了緊固力測量精度。
(2) 風電螺栓中的渡越時間及應力區(qū)與零應力區(qū)的時間分配是影響螺栓緊固力測量的主要問題，如何標定超聲波應力區(qū)真實渡越時間是解決螺栓緊固力標定的關鍵。
(3) 螺栓上下端面粗糙度也會對超聲波聲時標定造成誤差，聲時標定通常要求納秒級別。粗糙度的標定誤差越大，對螺栓渡越時間和緊固力的標定精度影響越大。
(4) 電磁換能器普遍存在效率低、信號弱和信噪比低的問題，大大限制了電磁超聲測量技術的發(fā)展。提高換能器的效率是電磁超聲技術規(guī)?；瘧玫年P鍵。未來仍需要繼續(xù)優(yōu)化換能器的結(jié)構和零部件，對換能器開展更深入的研究。
(5) 目前測量系統(tǒng)重量、體積均太大，只適用實驗室測量。未來測量系統(tǒng)要朝著小型化、智能化、便攜化方向發(fā)展，實現(xiàn)現(xiàn)場螺栓緊固力的實地實時測量。
作者：魏祥賽1,2，劉廣興1,2，張丙法1,2，崔偉壇1,2，蒲英俊2
工作單位：1. 國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院
2. 山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司
來源：山東電力技術
轉(zhuǎn)自：智能緊固件及緊固工具
來源：Internet
關于我們 聯(lián)系我們 營業(yè)執(zhí)照 全國服務電話：400-818-0021 嘉峪檢測版權所有 備案號：京ICP備14047019號-2 
京公網(wǎng)安備11010802046783號
