在工業(yè)領(lǐng)域，螺栓被稱為“工業(yè)之米”，屬于緊固件的范疇，是應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)零件之一，在工程建筑、軌道交通、航空航天等各行各業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色，而作為近十年發(fā)展迅速的風(fēng)電領(lǐng)域也對螺栓等緊固件有著嚴(yán)格的要求。

 

風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)螺栓主要用于重要結(jié)構(gòu)之間的連接，是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵組成部分，影響著風(fēng)電機(jī)組構(gòu)件之間的連接可靠性和整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的服役效果及壽命。據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)電高強(qiáng)螺栓約占整臺機(jī)組螺栓的77%，以某3 MW風(fēng)機(jī)為例，高強(qiáng)度錨栓216支、塔筒螺栓432支、葉片螺栓336支、其他連接件約300支。

 

在復(fù)雜的應(yīng)力、高溫高壓、周期振動等各種惡劣工況下工作，風(fēng)電高強(qiáng)螺栓很容易產(chǎn)生裂紋，這些裂紋一般不易被發(fā)現(xiàn)，但在裂紋發(fā)展一定程度時(shí)，就經(jīng)常會發(fā)生脆性斷裂，從而造成重大安全事故。

 

因此，風(fēng)電高強(qiáng)螺栓原位檢測技術(shù)研究迫在眉睫，為了確保工業(yè)安全，必須盡早發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，以便及時(shí)更換，把隱患扼殺在搖籃中。作為目前無損檢測領(lǐng)域熱度較高的超聲波技術(shù)成為了研究重點(diǎn)，該技術(shù)也逐漸向螺栓軸向應(yīng)力和疲勞裂紋的檢測應(yīng)用發(fā)展。

 

螺栓檢測技術(shù)

 

1.螺栓缺陷檢測技術(shù)

 

目前對螺栓的檢測主要包括出廠或拆卸檢測和原位檢測，其中出廠或拆卸檢測以常規(guī)無損檢測為主，輔以金相檢測分析，原位檢測即是在螺栓服役不拆卸狀態(tài)下進(jìn)行檢測，可以采用超聲檢測技術(shù)。

 

1.磁粉檢測

 

磁粉檢測技術(shù)是一種用于檢測鐵磁體表面或近表面的微細(xì)損害的方法，利用磁粉進(jìn)行螺栓檢測時(shí)，需將螺栓進(jìn)行縱向磁化，在螺栓端面磁化，磁場將與螺紋平行，很難發(fā)現(xiàn)環(huán)向裂紋。對于不允許拆卸或難拆卸的情況，此種方法難以使用。

 

2.滲透檢測

 

滲透檢測可用于檢測結(jié)構(gòu)件表面的裂紋、氣孔、縮孔、疏松等缺陷，可應(yīng)用于檢測有色金屬的鍛件、冶金件、焊接件以及各種陶瓷、玻璃制品，適用于原材料、在制零件、成品零件和在役零件的表面質(zhì)量檢驗(yàn)。

 

3.渦流檢測

 

載有交變直流的檢測線圈接近被檢測的導(dǎo)電試件時(shí)，表面和近表面將感應(yīng)出渦流。通過測定檢測線圈阻抗的變化，即可非破壞性地判斷出被檢件有無缺陷的信息。利用渦流對螺栓進(jìn)行無損檢測無法準(zhǔn)確有效地檢測出螺栓頭與桿結(jié)合部位以及螺紋尾部的缺陷。

 

4.聲發(fā)射檢測

 

聲發(fā)射技術(shù)作為一種動態(tài)無損檢測技術(shù)，被用作監(jiān)測材料損傷現(xiàn)象，而螺栓斷裂前必會在材料層面有顯著的聲發(fā)射現(xiàn)象。彈性波可被傳感器采集并轉(zhuǎn)換為聲發(fā)射信號，這種信號可以作為評判螺栓是否發(fā)生損傷的依據(jù)。但聲發(fā)射檢測技術(shù)對于檢測人員的數(shù)據(jù)處理能力、專業(yè)能力要求較高，運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)檢測原位螺栓無法滿足檢測的時(shí)效性要求。

 

5.超聲檢測

 

以上四種常規(guī)無損檢測方法不適于原位螺栓檢測應(yīng)用，超聲檢測具有檢測準(zhǔn)確率高、設(shè)備簡單、操作便捷的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)螺栓的高效原位檢測。目前的研究熱點(diǎn)聚焦在相控陣超聲檢測技術(shù)，其檢測原理如圖1所示。

 

 

通過控制每一個(gè)晶片的激發(fā)時(shí)間，可以達(dá)到控制波陣面的效果。若在某個(gè)位置需要一個(gè)聚焦或者偏轉(zhuǎn)的波陣面，則可根據(jù)不同陣元發(fā)射子波傳播到設(shè)定位置的時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的延遲控制，便可以實(shí)現(xiàn)相控聚焦或者偏轉(zhuǎn)的功能，如圖2所示。各晶片產(chǎn)生的超聲波疊加之后合成的超聲波與單個(gè)相同面積同樣晶片產(chǎn)生的超聲波基本一致。

 

 

 

相控陣超聲檢測等同于同時(shí)擁有許多角度的超聲波，多種角度的探頭同時(shí)工作，具有聚焦功能，可以檢測復(fù)雜工件，缺陷顯示直觀。

 

全聚焦成像是一種新的相控陣成像技術(shù)，是基于全矩陣采集數(shù)據(jù)進(jìn)行的一種后處理成像算法，如圖3所示，全聚焦技術(shù)是對檢測區(qū)域內(nèi)的每一個(gè)像素點(diǎn)都進(jìn)行類似于相控陣技術(shù)的延遲聚焦計(jì)算，使得每個(gè)晶片都接收所有晶片的聲場回波信號，然后進(jìn)行疊加。通過全矩陣捕捉實(shí)現(xiàn)更高精度的分辨率和更高的檢測靈敏度，增強(qiáng)結(jié)果的可視化程度，使得結(jié)果顯示更直觀、更簡潔。

 

全聚焦相控陣技術(shù)具有圖像分辨率高、聚焦效果好、信噪比高、缺陷檢出率高、誤判率低、有效聲場覆蓋范圍寬等優(yōu)勢。

 

2.螺栓應(yīng)力檢測技術(shù)

 

螺栓預(yù)緊力的大小是評價(jià)當(dāng)前螺栓可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)，螺栓在服役過程中所受到的沖擊、振動、動態(tài)負(fù)載及沉降、蠕變、弛豫均會引起螺栓的預(yù)緊力降低。預(yù)緊力異常不僅會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，從而造成經(jīng)濟(jì)的損失，還可能造成更嚴(yán)重的安全事故。

目前，國內(nèi)外針對螺栓應(yīng)力檢測的方法主要有扭矩扳手法、應(yīng)變片法、壓力傳感器法、光纖光柵法、超聲波法等，具體如圖4所示。超聲波法是基于材料的聲彈性效應(yīng)，通過研究螺栓軸向應(yīng)力與超聲波傳播時(shí)間變化，利用發(fā)射和接收時(shí)間差測量螺栓的軸向應(yīng)力。

 

 

螺栓超聲缺陷檢測

 

1.試驗(yàn)對象

 

螺栓超聲缺陷檢測是利用超聲脈沖反射法， 整個(gè)檢測過程在不破壞防腐封閉涂層、不影響正常使用的情況下進(jìn)行，省時(shí)省力，工序簡單。

 

以風(fēng)電機(jī)組大規(guī)格六角頭塔筒螺栓為超聲缺陷檢測研究對象，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組機(jī)型規(guī)格的不同，其塔筒螺栓規(guī)格也有區(qū)別，目前常用的塔筒螺栓有M36、M42、M48、M56、M64五種規(guī)格，長度在200~500 mm范圍之內(nèi)。本次選用了42CrMoA的M56×285塔筒螺栓進(jìn)行試驗(yàn)，如圖5所示。

 

 

2.試驗(yàn)研究與分析

 

為驗(yàn)證螺栓超聲缺陷檢測能力，并對比常規(guī)相控陣超聲檢測和全聚焦相控陣超聲檢測的優(yōu)缺點(diǎn)，首先通過線切割的方式在距螺紋端面26，63，173，225，267 mm五個(gè)位置自制了深度為1.5 mm、寬度為10 mm的缺陷，具體位置如圖6所示。

 

在利用超聲波法檢測螺栓缺陷情況前，需要了解被檢測螺栓的規(guī)格、材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式；按產(chǎn)品技術(shù)條件校準(zhǔn)檢測系統(tǒng)；清理或打磨檢測端面的氧化銹斑、油污以及防腐鍍層脫落造成的端面不平等。

 

為驗(yàn)證常規(guī)相控陣超聲檢測和全聚焦相控陣超聲檢測應(yīng)用于螺栓無損檢測的效果，利用不同設(shè)備對該試驗(yàn)螺栓進(jìn)行檢測。

對螺栓進(jìn)行超聲缺陷檢測時(shí)，將超聲探頭直接貼合在涂滿耦合劑的檢測端面，然后通過旋轉(zhuǎn)探頭角度觀察檢測結(jié)果圖像，確定螺栓狀態(tài)，超聲檢測結(jié)果為平行于探頭方向的豎直扇形掃描內(nèi)部成像，由于缺陷的位置不在同一豎直線上，因此需要探頭旋轉(zhuǎn)到不同的角度才能檢測到不同的缺陷，具體檢測結(jié)果如圖7和圖8所示。

 

從圖中可以看到，當(dāng)螺栓無損傷時(shí)，螺紋信號穩(wěn)定清晰，間隔均勻，沿深度方向能量逐漸降低，圖像顏色也隨之變淺，光桿回波幅度較低，無明顯顯示；當(dāng)螺栓有損傷時(shí)，螺紋部分的損傷會使原均勻的螺紋信號間出現(xiàn)異常信號，光桿部分的損傷在掃描圖像中會存在顏色突變。

根據(jù)上述檢測結(jié)果圖，將檢測結(jié)果總結(jié)如表1所示，常規(guī)相控陣超聲檢測檢出率為80%，檢測位置絕對精度誤差不超過4 mm；全聚焦相控陣超聲檢測缺陷檢出率為100%，檢測位置絕對精度誤差不超過3 mm。

 

表1 試驗(yàn)螺栓超聲缺陷檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)

常規(guī)和全聚焦相控陣超聲檢測均能滿足螺栓缺陷檢測要求，全聚焦相控陣超聲檢測檢出率高、誤判率低，且工作效率高，但設(shè)備價(jià)格高，對于長度在400 mm以上的螺栓，檢測能力低于常規(guī)相控陣超聲檢測。

 

3.原位檢測

 

利用常規(guī)相控陣超聲檢測儀對螺栓進(jìn)行原位缺陷檢測，共計(jì)檢測60根螺栓。檢測過程中發(fā)現(xiàn)螺栓出現(xiàn)異常信號，在55 mm左右處存在缺陷，將此螺栓進(jìn)行拆卸，并利用鐵刷等物理工具進(jìn)行表面處理，檢測及實(shí)際結(jié)果如圖9所示，缺陷大致為長4 mm、寬1.5 mm、深1.5 mm的蝕坑。

 

通過相控陣超聲檢測的實(shí)際應(yīng)用證明，該技術(shù)可滿足螺栓缺陷原位檢測使用，而且檢測靈敏度高，能檢測長度長、距離遠(yuǎn)的缺陷。在風(fēng)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行中具有重要的技術(shù)支持作用，在生產(chǎn)、使用、維護(hù)等過程中都可以發(fā)揮一定的作用。

 

螺栓超聲應(yīng)力檢測

 

1.檢測對象

 

以風(fēng)電場常用的42CrMoA的葉片螺栓為研究對象，本次檢測對象為M36×767的雙頭螺栓。利用超聲波法檢測螺栓預(yù)緊力時(shí)，按照以下四個(gè)步驟進(jìn)行：

 

① 螺栓超聲系數(shù)標(biāo)定；

 

② 參考螺栓測試；

 

③ 設(shè)置儀器參數(shù)和螺栓編號；

 

④ 檢測及數(shù)據(jù)處理。

 

2.試驗(yàn)標(biāo)定

 

通過拉力試驗(yàn)機(jī)對螺栓超聲系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)螺栓彈性范圍、工作應(yīng)力以及設(shè)備標(biāo)定需求，將標(biāo)定拉力范圍為150~450 kN，以75 kN為間距，設(shè)置5個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行該型號螺栓的聲時(shí)數(shù)據(jù)測量。拉力機(jī)試驗(yàn)界面如圖10所示。

 

 

為準(zhǔn)確測得螺栓的超聲系數(shù)，利用兩根同規(guī)格、同材質(zhì)螺栓分別開展了3組試驗(yàn)。標(biāo)定時(shí)超聲縱波和橫波信號如圖11所示。

 

應(yīng)力檢測儀進(jìn)行聲時(shí)比計(jì)算及數(shù)據(jù)擬合，得到超聲波各項(xiàng)系數(shù)，通過多組數(shù)據(jù)求平均得到螺栓的標(biāo)定系數(shù)，標(biāo)定報(bào)告如表2所示。

表2 葉片螺栓標(biāo)定報(bào)告

 

 

3.原位檢測

 

利用已標(biāo)定的超聲波系數(shù)，通過手持式超聲應(yīng)力檢測儀對某風(fēng)電場安裝后的葉片螺栓進(jìn)行檢測，首先對零應(yīng)力螺栓進(jìn)行檢測，獲得如圖12所示的超聲波信號圖，信噪比較高，可以有效測得螺栓零應(yīng)力狀態(tài)。

 

 

 

然后對128根原位葉片螺栓進(jìn)行檢測，通過手動選波的方式對螺栓力值進(jìn)行修正，檢測數(shù)據(jù)如圖13所示。

 

 

本批次螺栓安裝預(yù)緊軸力設(shè)計(jì)值為350 kN， 由于扭矩法安裝螺栓預(yù)緊力存在很大散差，現(xiàn)場將設(shè)計(jì)預(yù)緊力的±30%作為偏差范圍，經(jīng)過對檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，本批次葉片螺栓平均軸力為352 kN，4根存在欠擰問題，2根存在超擰問題，對該部分螺栓進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，檢測結(jié)果仍存在問題，所以對該部分螺栓進(jìn)行了重新預(yù)緊。

 

結(jié)論

 

風(fēng)電機(jī)組對于高強(qiáng)螺栓原位檢測有著強(qiáng)烈需求，原因歸納如下：

 

1.風(fēng)電機(jī)組制造難度大、周期長、造價(jià)成本高，高強(qiáng)螺栓失效會導(dǎo)致局部系統(tǒng)失效、甚至是風(fēng)電機(jī)組整體失效；

 

2.國內(nèi)高強(qiáng)螺栓等風(fēng)電零部件存在疲勞強(qiáng)度低、耐腐蝕性能差、壽命短等問題；

 

3.葉片螺栓、錨栓、塔筒螺栓等與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)件規(guī)格尺寸、服役環(huán)境、失效行為、維護(hù)方法等均存在較大差異，傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)件檢測技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)并不完全適用。

 

將超聲技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電高強(qiáng)螺栓原位檢測具有以下幾個(gè)優(yōu)勢：

 

1.超聲應(yīng)力檢測對螺栓應(yīng)力變化表現(xiàn)敏感，對于螺栓原位應(yīng)力檢測操作簡單、效率高，在常規(guī)葉片螺栓的應(yīng)力檢測中可以準(zhǔn)確把控各螺栓應(yīng)力值趨勢和應(yīng)力散差。

 

2.超聲缺陷檢測技術(shù)檢測圖像直觀，便于清晰地識別缺陷，據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，缺陷檢出率可達(dá)80%以上，針對1.5 mm深度的缺陷，準(zhǔn)確率在90%以上。

 

3.從試驗(yàn)和原位檢測兩方面考慮，超聲檢測技術(shù)可滿足風(fēng)電高強(qiáng)螺栓原位檢測需求，對于保證風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行具有重要意義。

 

作者：賈艷偉，楊中桂，鄭翔南，李夢晗，趙智壘

工作單位：中船海為高科技有限公司、中國船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所、河南省預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度栓接結(jié)構(gòu)連接件工程研究中心

來源：機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新

轉(zhuǎn)自：智能緊固件及緊固工具

 

 

 

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