應(yīng)用背景
薩某水電站2號(hào)機(jī)組因超負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致水輪機(jī)頂蓋的錨定螺栓被拉斷。斷裂后，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件及頂蓋在巨大水壓下向上拋出，破壞廠房結(jié)構(gòu)，引發(fā)水淹廠房的連鎖災(zāi)害，造成75人死亡、13人受傷，多臺(tái)機(jī)組完全損毀。
山西某風(fēng)電場(chǎng)43#塔筒從中、下段法蘭連接處折斷倒塌，主機(jī)隨同塔筒上段和中段朝著主導(dǎo)風(fēng)向北偏西60度方向，法蘭盤脖頸距端部12mm處撕裂近三分之二（連接螺栓83孔），三分之一螺栓斷裂（42個(gè)），中塔筒下法蘭約三分之一撕裂隨中塔筒倒下。
預(yù)緊力（或軸力）是螺栓連接設(shè)計(jì)和使用的唯一指標(biāo)，超過(guò) 80%的螺栓失效是由于初始緊固螺栓預(yù)緊力不足導(dǎo)致。
主因1：疲勞斷裂
螺栓由于扭矩法考慮不足造成預(yù)緊力不足，在交變應(yīng)力下使螺栓產(chǎn)生疲勞裂紋，最終擴(kuò)展發(fā)生了斷裂。斷裂位置多位于螺栓與螺母螺紋接觸的第一齒應(yīng)力較集中處。葉片螺栓居多。
主因2：螺栓受剪后疲勞斷裂
預(yù)緊力不足導(dǎo)致被連接件連接件在運(yùn)行中產(chǎn)生滑移和錯(cuò)位，碰磨和剪切螺栓，螺桿表面損傷形成裂紋源引起疲勞斷裂。葉片螺栓居多。
主因3：過(guò)載斷裂
主要源于裝配時(shí)預(yù)緊力過(guò)小或失效，從而導(dǎo)致一部分螺栓承受過(guò)大載荷，當(dāng)載荷大于螺栓的抗拉強(qiáng)度時(shí)，螺栓發(fā)生斷裂。常見(jiàn)于塔筒螺栓。
產(chǎn)品價(jià)值
直接測(cè)量螺栓受力情況及預(yù)緊力衰減的變化情況：通過(guò)超聲縱波測(cè)量螺栓按當(dāng)前設(shè)計(jì)工藝安裝完成后，不同分布螺栓安裝后的受力（預(yù)緊力）情況，和一段時(shí)間內(nèi)螺栓受力（預(yù)緊力衰減）的變化情況。
驗(yàn)證、確定緊固工藝：通過(guò)超聲縱波測(cè)量試驗(yàn)?zāi)軌蚩煽俊⑼暾牡贸霭惭b之后的螺栓軸力及軸力的損失量。保裝配質(zhì)量，并對(duì)關(guān)鍵部位螺栓實(shí)現(xiàn)周期性的軸力測(cè)量。
有助于提高機(jī)械連接的安全性和可靠性，避免因螺栓松動(dòng)或斷裂導(dǎo)致的設(shè)備故障或安全事故。
技術(shù)原理
螺栓預(yù)緊力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是根據(jù)聲彈性理論，通過(guò)測(cè)量超聲波在螺栓等緊固件中傳輸時(shí)間的變化，計(jì)算出螺栓應(yīng)力、軸力、伸長(zhǎng)量等數(shù)值。結(jié)合數(shù)字、可視化報(bào)表組合的形式展示各個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備的最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，給出報(bào)警信息。
解決方案
系統(tǒng)組成-總體架構(gòu)
超聲波螺栓檢測(cè)原理
螺栓在自由狀態(tài)下，螺栓內(nèi)部不存在預(yù)緊力，而螺栓在緊固狀態(tài)下，由于預(yù)緊力的作用，螺栓將發(fā)生形變，因此此時(shí)螺栓的變形量為ΔL，螺栓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依據(jù)ΔL與預(yù)緊力F之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，計(jì)算得到預(yù)緊力F，該數(shù)學(xué)關(guān)系如下：
其中，F(xiàn)為螺栓的預(yù)緊力；E為螺栓材質(zhì)的彈性模量；S為螺栓截面積；ΔL 為螺栓的變形量；L為螺栓副的裝夾長(zhǎng)度。
螺栓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)射和接收超聲波脈沖電信號(hào)、測(cè)量并計(jì)算發(fā)射和回波電信號(hào)之間時(shí)間差。螺栓在自由狀態(tài)下，發(fā)射和接收電信號(hào)之間的時(shí)間差為T0，螺栓在緊固狀態(tài)下，螺栓發(fā)射和接收電信號(hào)之間的時(shí)間差為T1，由此依據(jù)電信號(hào)收發(fā)時(shí)間差與螺栓的變形量的關(guān)系，得到螺栓的變形量：
公式中v為機(jī)械縱波在螺栓內(nèi)的傳播速度。圖1為超聲波螺栓軸力測(cè)量示意圖，圖2 超聲波螺栓軸力測(cè)試原理框圖。
方案優(yōu)勢(shì)
通過(guò)超聲波換能器能直接測(cè)量螺栓所承受的軸向應(yīng)力，測(cè)量誤差小，該方法具有更高的測(cè)量精度。螺栓的應(yīng)力函數(shù)一旦建立就可以實(shí)時(shí)地在線監(jiān)測(cè)螺栓的應(yīng)力狀態(tài)。可以檢測(cè)在役螺栓，判斷螺栓的松緊狀態(tài)。
應(yīng)用場(chǎng)景
頂蓋螺栓探頭安裝
機(jī)組拐臂螺栓
案例展示
升船機(jī)翻版閘關(guān)鍵螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)
機(jī)組拐臂螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)
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