螺栓軸向應(yīng)力的超聲波測(cè)量

1、螺栓軸向應(yīng)力的超聲波測(cè)量王路季獻(xiàn)武張道鋼揚(yáng)啟璋上海醫(yī)療器械高等專(zhuān)科學(xué)校（上海200093）華東電力試驗(yàn)研究院（上海200433）河北 電力試驗(yàn)研究所（石家莊 050021）北京電力科學(xué)研究院（北京100045）一些設(shè)備上的關(guān)鍵螺栓安裝或緊固時(shí)，人們希望能直接準(zhǔn)確地控制螺栓的軸向應(yīng)力，以保證其工作的可靠性，這 點(diǎn)對(duì)電力設(shè)備尤其具有重要的意義。用超聲波技術(shù)研制成功了一種可直接測(cè)量螺栓軸向應(yīng)力的螺栓軸向應(yīng)力儀，該儀 器可廣泛應(yīng)用于關(guān)鍵設(shè)備的緊固測(cè)試，進(jìn)而精確地控制螺栓軸向應(yīng)力。對(duì)用超聲波技術(shù)測(cè)量螺栓軸向應(yīng)力的基本原理 進(jìn)行了介紹，并給出了超聲波螺栓軸向應(yīng)力儀應(yīng)用實(shí)例。螺栓軸向應(yīng)力直接測(cè)量超聲波技術(shù)螺

2、栓作為一種緊固件廣泛應(yīng)用于大型機(jī)械設(shè)備、發(fā)電機(jī)組、橋梁及航空航天器 件。目前人們通常使用力矩板手安裝螺栓，由扭矩推算出螺栓的軸向應(yīng)力，但這種方法間接得到的軸向力并不可靠， 且力矩板手本身需要定期由較復(fù)雜的設(shè)備檢驗(yàn)、校準(zhǔn)。即便如此，實(shí)際工作中眾多的影響因素還使得扭矩與螺栓的軸 向應(yīng)力不能一一對(duì)應(yīng)。許多情況下，安裝者用大錘憑經(jīng)驗(yàn)擊打板手對(duì)螺栓實(shí)施緊固，很不準(zhǔn)確。因此迫切需要發(fā)展一 種無(wú)損、快速有效的、能直接測(cè)量螺栓緊固應(yīng)力的新手段。超聲波是一種有效的工業(yè)測(cè)量用物理量，用超聲波可探測(cè)構(gòu)件內(nèi)部的損傷及組織結(jié)構(gòu)，還能測(cè)量流量、溫度、厚 度及應(yīng)力等。有關(guān)超聲波測(cè)應(yīng)力的方法早就有人提出，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是以被

3、測(cè)對(duì)象自身為敏感元件，能夠探測(cè)構(gòu)件 內(nèi)部的應(yīng)力。超聲波測(cè)螺栓軸向緊固應(yīng)力是一種研究較久且有一定成效的技術(shù)，它是超聲波測(cè)量應(yīng)力研究領(lǐng)域里最有 希望得到工業(yè)性廣泛應(yīng)用的技術(shù)手段。以前人們較多在理論上對(duì)聲速與應(yīng)力關(guān)系進(jìn)行研究探索，而對(duì)工程上的狽賦方 法、手段、儀器的實(shí)現(xiàn)及實(shí)際使用中存在的問(wèn)題研究得較少，這使得超聲波測(cè)螺栓緊固應(yīng)力手段沒(méi)能在工程上推廣。 本文作者用超聲測(cè)量螺栓軸向緊固應(yīng)力的研究工作，給出了若干螺栓材料的緊固力與超聲波的關(guān)系，分析了實(shí)際應(yīng)用 中可能出現(xiàn)的誤差因素，并對(duì)電站用螺栓進(jìn)行了的超聲波測(cè)螺栓緊固應(yīng)力（一種拉伸應(yīng)力）工作中，超聲波傳播方向與應(yīng)力方向一致（忽略螺栓扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的影響），這時(shí)

4、縱波聲速（以下簡(jiǎn)稱(chēng)聲速）與應(yīng)力的近似關(guān)系為：注：參加工作的還有沈金坤。劉琦。劉鎮(zhèn)清。梁穗。華儉南等。其中/為/關(guān)的常數(shù)，為螺栓的軸向應(yīng)力，C0 為無(wú)應(yīng)力時(shí)的聲速，C 為有應(yīng)力時(shí)的聲速。，經(jīng)簡(jiǎn)單的推導(dǎo)可得受緊固應(yīng)力前后螺栓的聲時(shí)差為：通常情況下，根據(jù)聲彈理論有for 1；且對(duì)于特定的固體材料，其彈性常數(shù)及聲速等物理系數(shù)是相同的，因此可將式（3）化簡(jiǎn)成這樣，只要能夠事先得到螺栓材料的系數(shù)A，就能在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù) 3 得到螺栓的軸向緊固應(yīng)力必須指出，實(shí)際工作中螺栓各部分的直徑可能不同，根據(jù)應(yīng)力與截面積成反比原則可分別定出受力區(qū) 不同截面積部分的應(yīng)力之比，這樣可通過(guò)簡(jiǎn)單的運(yùn)算獲得所需的應(yīng)力。2 螺栓緊

5、固應(yīng)力與超聲波關(guān)系的測(cè)量從以上的分析可知，要實(shí)現(xiàn)用超聲波測(cè)螺栓緊固應(yīng)力，必須獲得兩者的關(guān)系常 數(shù) A.由于超聲波測(cè)應(yīng)力要求聲時(shí)的測(cè)量精度非常高，作者研制了一種高精度的聲時(shí)（也可測(cè)量聲速）自動(dòng)測(cè)量裝置， 它的聲時(shí)測(cè)量精度優(yōu)于±0.不需要人工調(diào)節(jié)，可進(jìn)行全自動(dòng)測(cè)量，并能將數(shù)據(jù)通過(guò)接口傳輸給 PC 機(jī)作進(jìn)一步分析、處理。實(shí)驗(yàn)時(shí)螺栓兩端的螺母通過(guò)特制的夾具，由30t 材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸，這樣便模擬了螺栓在緊固時(shí)的軸向拉伸力。在螺桿中央貼上一片電阻應(yīng)變片，并由電阻應(yīng)變儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)螺栓所受的應(yīng)力，得到的應(yīng)力值經(jīng) 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換后送 PC 機(jī)，電阻應(yīng)變片應(yīng)力儀測(cè)量精度為±0.1MP

6、a.超聲波傳感器是一種窄脈沖的磁性探頭，它能牢牢地吸在鐵磁性材料螺栓 的一端，探頭與螺栓間用甘油作耦合劑，探頭同時(shí)作為發(fā)射與接收超聲波的換能器。聲時(shí)測(cè)量裝置不斷精密地測(cè)量螺 栓的聲時(shí)及其變化，并將結(jié)果通過(guò)串行口送PC 機(jī)。是對(duì)材質(zhì)為 20 號(hào)碳鋼的螺栓進(jìn)行聲時(shí)一應(yīng)力關(guān)系的測(cè)定結(jié)果，由圖可見(jiàn)聲時(shí)差 3 與應(yīng)力之間存在良好的線性關(guān)系。被測(cè)螺栓的直徑為 30mm，總長(zhǎng)度為 220mm，兩螺母之間的夾緊距為 130mm.取螺栓的有效夾緊長(zhǎng)度為兩螺母之間的夾緊距與螺栓的直徑之和，即：/= 160mm.根據(jù)式（5），得到該材質(zhì)的聲時(shí)一應(yīng)力關(guān)系常數(shù)A 為 4.582X109.對(duì)材質(zhì)為 NiCu28 2.51

7、.5 的鎳銅合金螺栓的聲速一應(yīng)力關(guān)系測(cè)量結(jié)果見(jiàn)，被測(cè)螺栓的直徑為 12mm，總長(zhǎng)度為 110mm，兩螺母之間的夾緊距為 65mm.同理，取螺栓的有效夾緊長(zhǎng)度為77mm，得該材料的聲時(shí)一應(yīng)力關(guān)系常數(shù)A= 5.885X1i. 作者在求上述系 數(shù) A0 寸，將聲時(shí)差與應(yīng)力關(guān)系看作為嚴(yán)格線性關(guān)系，據(jù)此構(gòu)成的線性擬合曲線與實(shí)測(cè)關(guān)系曲線的最大偏差小于9.8MPa. 這種線性擬合雖有一定的偏差，但對(duì)形成簡(jiǎn)便的工業(yè)性測(cè)試儀器來(lái)看確是有利的。在智能化超聲波螺栓軸向緊固應(yīng)力儀中只要存有常數(shù)A，儀器便可自動(dòng)推算出應(yīng)力。從以上的螺栓聲時(shí)一應(yīng)力關(guān)系圖來(lái)看，材質(zhì)不同時(shí)，系數(shù) A 也有差異。實(shí)際上超聲波測(cè)螺栓緊固應(yīng)力時(shí)，將

8、螺栓本身作為敏感元件，因此被測(cè)材料不同，敏感系數(shù)（即系數(shù)A）也不同。這從一個(gè)側(cè) 4 熱力發(fā)電。2000（1）面說(shuō)明， 要使超聲波緊固應(yīng)力測(cè)試技術(shù)推廣使用，必須事先進(jìn)行許多常用螺栓材料的聲時(shí)一應(yīng)力關(guān)系標(biāo)定實(shí)驗(yàn)工作。但超聲波 測(cè)螺栓緊固應(yīng)力技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)是，在工業(yè)性應(yīng)用時(shí)不再需要附加的設(shè)備進(jìn)行定期檢驗(yàn)與校準(zhǔn)。3 超聲波測(cè)螺栓應(yīng)力的實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)螺栓緊固應(yīng)力的一種方案是，將各種材料的系數(shù) A 存入以測(cè)聲時(shí)為基本參量的智能超聲波儀器中，在實(shí)際使用中只要鍵入材質(zhì)及有效夾緊長(zhǎng)度，智能儀器通過(guò)測(cè)量螺栓緊固前后的聲時(shí)差即可根據(jù) 式（5）推算出螺栓的軸向緊固應(yīng)力。因此，智能化超聲波螺栓軸向緊固應(yīng)力儀的核心是微處理

9、器與精密聲時(shí)自動(dòng)測(cè)量 單元。3.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)量選兩種與聲時(shí)一應(yīng)力關(guān)系標(biāo)定實(shí)驗(yàn)不同尺寸的 20 號(hào)碳鋼雙頭螺栓，將它們?cè)诶烨昂螅M實(shí)際的緊固）的聲時(shí)測(cè)量值記錄在超聲波儀器中。兩根螺栓的直徑分別為 48mm（稱(chēng)為螺栓 A）、22mm（稱(chēng)為螺栓 B），螺栓 A 的總長(zhǎng)度 248mm，螺栓 B 的總長(zhǎng)度 120mm.實(shí)驗(yàn)時(shí)緊固螺栓 A 的兩螺母間距為 146mm，取其有效夾緊距為 194mm，緊固螺栓 B 的兩螺母間距為 65mm，取其有效夾緊距為 87mm.給出了兩螺栓在拉伸過(guò)程中智能化超聲波螺栓軸向緊固應(yīng)力儀測(cè)得的應(yīng)力與電阻應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)力之差的結(jié)果（前者減后者）該圖的橫座標(biāo)應(yīng)力值以電阻應(yīng)變片

10、測(cè)得的應(yīng)力 為基準(zhǔn)。應(yīng)力/MPa 超聲波與電阻應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)力之差阻應(yīng)變片方法測(cè)螺栓緊固力的結(jié)果吻合較好，但兩螺栓的超聲波測(cè)應(yīng)力與電阻應(yīng)變片方法測(cè)應(yīng)力之間有微小的趨勢(shì)性誤差。對(duì)螺栓 A 來(lái)看，兩者測(cè)應(yīng)力的偏差隨應(yīng)力值的增大有向正值增加趨勢(shì)；對(duì)螺栓 B 來(lái)看，兩者測(cè)應(yīng)力的偏差隨應(yīng)力值的增大有向負(fù)值增加趨勢(shì)，分析認(rèn)為這可能有以下幾個(gè)方面影響：（1）螺栓與螺母之間各細(xì)紋上的受力處于非理想狀態(tài)，使得超聲表 1 某電廠機(jī)組螺栓應(yīng)力測(cè)量波方法測(cè)螺栓緊固應(yīng)力中有效夾緊長(zhǎng)度有些偏差；（2）如前所述的線性擬合曲線與實(shí)測(cè)關(guān)系曲線有一定的偏差。即使有這些誤差因素，但由于其絕對(duì)值并不大，在工程應(yīng)用上是可以接受的。3.

11、2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量是在某發(fā)電廠機(jī)組檢修時(shí)進(jìn)行的，被測(cè)雙頭螺栓的總長(zhǎng)度為400mm、直徑為50mm，材質(zhì)為45CiMo.由于螺栓使用部位較重要，安裝時(shí)用定力矩板手使得每根螺栓最終的緊固力矩一致?，F(xiàn)場(chǎng)安裝者確實(shí)使每根螺 栓的緊固力矩相同，緊固螺栓的兩螺母間距為 296mm.本項(xiàng)工作測(cè)量了工件上所有螺栓的應(yīng)力值。由于超聲波螺栓軸向緊固應(yīng)力儀測(cè)應(yīng)力僅需螺栓的一個(gè)端面即可，因此測(cè)試工作方便迅速，為檢修帶來(lái)了便利，其中典型的10 根螺栓測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表 1.從表 1 可了解到，盡管安裝時(shí)每根螺栓的緊固力矩基本相同，但每根螺栓由超聲波螺栓軸向緊固應(yīng)力儀測(cè)得的應(yīng)力值相差還是較大。由于作者研制儀器測(cè)量偏差一般在數(shù)

12、個(gè) MPa，因此，可以認(rèn)為這里的應(yīng)力偏差主要是定力矩板手由力矩轉(zhuǎn)換成螺栓軸向應(yīng)力包含了各種摩擦系數(shù)不確定引的誤差，這種誤差有時(shí)確實(shí)相當(dāng)大。經(jīng)過(guò)儀器測(cè)試， 使得檢修人員直觀地了解到螺栓的軸向緊固應(yīng)力狀態(tài)，通過(guò)進(jìn)一步緊固調(diào)整，準(zhǔn)確地控制了每根螺栓的軸向應(yīng)力值。螺栓序號(hào)應(yīng)力/MPa（下轉(zhuǎn)第 63 頁(yè)）經(jīng)驗(yàn)交流減少?lài)?guó)產(chǎn) SF6 微水儀耗氣量大的措施金華電業(yè)局（浙江金華321001） 徐康健 SF6 氣體濕度是 SF6 電氣設(shè)備運(yùn)行中的一項(xiàng)主要質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行氣的濕度檢測(cè)由 SF6 微水儀完成。進(jìn)口微水儀（或露點(diǎn)儀）由于價(jià)格昂貴，一般只有少數(shù)單位使用，而價(jià)格較低的國(guó)產(chǎn)微水儀在檢修單位被廣泛使用。目

13、前 國(guó)產(chǎn) SF6 微水儀主要有三種型號(hào)：成都分析儀器廠的 USI 型、上海唐山儀表廠的 DWS 型及鄭州光力公司的 GLM 型。USI 型和 DWS 型采用 P25 電解池吸收電解電量的測(cè)定原理（電解法），GLM 型則采用進(jìn)口薄膜式氧化鋁濕度傳感技術(shù)（阻容法）。這三種儀器都有耗氣量大的缺點(diǎn)，有必要采取措施克服之。1 儀器的干燥多數(shù)檢修單位的微水儀干燥工作往往于檢修前在化驗(yàn)室進(jìn)行，儀器帶到現(xiàn)場(chǎng)后就不再干燥（原因是氮 氣瓶笨重不便攜帶）。檢修中的測(cè)試工作并不都連續(xù)進(jìn)行，尤其遇陰雨天，測(cè)量時(shí)就要消耗更多的SF6 氣體。建議使用適合現(xiàn)場(chǎng)用的 8L 小氮?dú)馄?，在每天測(cè)量前先用氮?dú)飧稍飪x器，可有效降低測(cè)量

14、時(shí)的耗氣量。為提高干燥效果，USI 型儀器內(nèi)裝有干燥器，而其它兩種儀器沒(méi)有，故在干燥時(shí)最好在氮?dú)馄繙p壓閥出口處接一干燥器。2 降低或不用旁通流量為了減少采樣系統(tǒng)外界水分對(duì)測(cè)量的影響，除應(yīng)使用盡可能短的滲透性、吸附性小的管道及 在測(cè)量前進(jìn)行干燥等措施外，USI 型和 DWS 型還采用了旁通技術(shù)。它通過(guò)增大采樣總量使大部分污染水經(jīng)旁路直接放空。當(dāng)旁通流量為1L/min，測(cè)量流量為100mL/min 時(shí)，由采樣系統(tǒng)帶來(lái)的污染水只有9%進(jìn)入電解池。旁通技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，但它是以增大耗氣量10 倍為代價(jià)的。實(shí)踐證明，當(dāng)儀器干燥后，氣路污染很小且被測(cè)氣樣系濕度相對(duì)較高的運(yùn)行氣時(shí)，降低旁通流量甚至不用

15、旁通，其試驗(yàn)相對(duì)偏差并不大。曾對(duì)某運(yùn)行中的 SF6 氣體做過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，當(dāng)采用旁通技術(shù)測(cè)得該開(kāi)關(guān) SF6 濕度體積分?jǐn)?shù)為 238X106 后再將旁通閥關(guān)閉，儀器顯示的濕度上升到 251X106（相對(duì)偏差為 5.4%）。這種既滿(mǎn)足試驗(yàn)要求又可降低耗氣量的方法確實(shí)值得一用。 3 減少測(cè)量時(shí)間電解池工作時(shí)水分的吸收和電解是不平衡的，儀器表頭讀數(shù)到最高值后由快到慢逐漸下降，其變化量與電解時(shí)間成指數(shù)關(guān)系。從理論上說(shuō)，完全達(dá)到平衡需無(wú)窮大的時(shí)間，實(shí)際上表頭讀數(shù)降到一定值后，濕度對(duì)時(shí)間 的變化率就已很小，在這種接近穩(wěn)定的情況下讀數(shù)是個(gè)近似值，誤差不會(huì)大（GLM 型情況也相似）。盡管如此，有時(shí)所需的測(cè)量時(shí)間仍較長(zhǎng)，還會(huì)消耗很多 SF6 氣體。這時(shí)可利用濕度讀數(shù)降至標(biāo)準(zhǔn)以下即終止測(cè)量的辦法，將耗氣量減少到最低限度，也就是說(shuō)，雖未測(cè)出濕度的近似值，但已滿(mǎn)足工作要求。例如，某開(kāi)關(guān) SF6 氣體濕度的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)為 300X10+6 體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)儀器濕度讀數(shù)降至 290X10+6 即讀數(shù)時(shí)，該 SF6 氣體的濕度在試驗(yàn)報(bào)告上應(yīng)寫(xiě)成“<290X1（T6 體積分?jǐn)?shù)” 其表示濕度在 290X104 以