在役风机螺栓超声检测新技术研究

黄桥生，胡 熠，刘世刚，柴晓琴

（1.国家能源集团科学技术研究院有限公司，湖北 武汉 430000；2.国能长源湖北新能源公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

风能是一种安全、清洁、可再生的绿色能源，其利用对于经济的可持续发展具有重要的意义。现今能源结构调整、治理环境污染、降低温室气体排放、增强能源的安全已经成为各国所关注的焦点。我国目前加大了对风能的开发利用［1-6］。

我国风电大多分布在高原、海岸、沙漠等偏远地区，设备的检修维护力量难以实现规模化配置［7-9］，使得技术监督工作开展难度较大，且风电企业技术监督模式尚未成熟，未形成统一的标准，大多借鉴较为完善的火力发电技术监督模式［10-19］。

螺栓作为各种设备的连接件，是工业装备中的标准配件之一［20-22］。风电机组在运行过程中，开顺桨、阵风、风切变等因素都可能导致叶片根部螺栓受到冲击、振动，形成交变载荷，螺栓极易产生疲劳裂纹，而这些疲劳裂纹一般不易被发现，在裂纹发展一定程度时，经常会发生断裂，从而造成重大安全事故，严重威胁人身安全。

近几年，湖北某新能源公司风机塔筒螺栓相继发生了几次断裂，严重影响了风电场的安全稳定运行。通过分析断裂的原因发现，除了螺栓本身的产品质量不合格外，运行过程中的应力失衡是造成螺栓失效的主要原因。在役风机螺栓在长期运行中，受周期性载荷作用，很容易发生应力失衡产生疲劳裂纹，造成螺栓断裂失效，严重影响风力发电机组的安全使用。因此，如何在不拆卸风机螺栓的状态下，对螺栓轴向应力进行精准的测量和对疲劳裂纹进行有效的检测是亟待解决的技术问题。

通过开展在役风机螺栓超声检测新技术研究，在不拆卸风机螺栓的状态下，找到精准测量螺栓轴向应力和有效检测疲劳裂纹的方法。

1 螺栓轴向应力测量方法

目前工业上常用扭力扳手，由于螺母与构件的接触面之间及螺母与螺栓的螺纹面之间摩擦系数离散性较大，使得由力矩推算出的轴向应力很不准确，近十几年来国内外都在积极探索用超声波直接测量螺栓轴向应力的方法和手段，超声波测量螺栓应力主要运用的是声弹性原理，螺栓在受力之后超声波的速度会因材料中的应力而产生微小的变化，通过研究螺栓轴向应力与超声波传播时间变化率的关系，可以利用超声波发出和接收的时间来测量螺栓的紧固轴向应力［23-28］。

1.1 试验对象

本项目运用现有的超声波测量螺栓轴向应力技术，以风电场常用的42CrMo 螺栓为研究对象，本次试验以M48×285 mm 双头螺栓为例进行实验。通过按《GB/T 228.1-2010 金属材料拉伸试验方法第一部分：室温试验方法》中规定的方法，在常温环境（22±2）℃下，对螺栓试样进行拉伸试验。在材料弹性范围内，记录检测仪器的纵横波声时差Δt和拉伸试验设备输出的拉应力变化Δσ，通过该曲线计算出声弹性原理中的声时差与轴向应力比值，即可对在役螺栓进行应力测量。图1 为采用拉力机对螺栓式样进行拉伸的示意图。

图1 拉力机拉伸示意图Fig.1 Drawing diagram of tensile machine

3种规格的螺栓分别采用多组拉伸数据进行数据拟合计算声时差与轴向应力比值，再对一根螺栓进行随机数值的拉伸进行应力测量，通过计算随机拉伸值与相应应力测量值的误差，对螺栓应力测量系统的测量能力进行验证。

1.2 数据库建立

通过查询M48×285 mm 螺栓的弹性范围，拉力机的数值设置为50 kN～500 kN，以50 kN为间距，共计11个点位进行声时数据（包含纵波传播时间及横波传播时间）测量，每种规格螺栓根据实际条件测量多组数据进行声时比计算。拉力机的设置界面如图2所示。通过对上述数据进行声时比计算及数据拟合，得到y=ax2+bx+c公式的3组参数结果，数据拟合曲线如图3所示。通过对3组a、b、c进行计算平均，得到最终螺栓的仪器参数设置值。

图2 拉力机设置界面Fig.2 Setting interface of tensile machine

为测得M48×285mm 螺栓的弹性范围，同种规格、材质螺栓开展了5 组试验，每组试验结果显示，纵、横波传播时间数据偏差不超过0.2 μs。如拉力为50 kN，纵波传播时间范围为96.905 μs～96.794 μs，横波传播时间范围为176.939 μs～175.909 μs。纵、横波传播时间（声时比）呈线性关系，见图3中M48×285mm螺栓数据拟合曲线。

图3 M48×285 mm螺栓数据拟合曲线Fig.3 Fitting curve of bolt(M48×285 mm)data

1.3 数据验证

将上述得到的公式参数内置于螺栓应力检测仪中，对螺栓施加3次随机数值的拉力（如图4所示），同时采用螺栓应力检测仪进行测量，验证测量精度。验证数据结果如图5 所示。可见，当拉力机器加载分别为136 kN、288 kN 和464 kN 时，仪器测量值分别为136 kN、289.5 kN、466.5 kN，绝对误差分别为0 kN、1.5 kN、2.5 kN，测量精度误差分别为0.00%、0.52%、0.54%（如图5所示）。

图4 M48×285mm螺栓数据验证Fig.4 Bolt(M48×285mm)data validation

图5 M48×285mm螺栓验证结果Fig.5 Bolt(M48×285mm)verification results

试验结果表明，采用此方法测应力时，当应力小于螺栓材料本身的弹性范围时，其应力的测量精度误差小于±5%。

2 超声导波检测技术

2.1 试验对象

选择长度为400 mm，直径为48 mm的风电场常用的10.9 级42CrMo 螺栓为本次研究的试样。每个螺栓上采用线切割在3个部位切割3处人工槽，从外端部向内依次为裂纹1、裂纹2、裂纹3，每处裂纹均有0.5 mm、1.0 mm、2.0 mm的3种深度，沿着周向均匀分布，如图6所示。

2.2 试验研究

对同一位置不同深度的裂纹开展检测试验（探头在外端部上进行扫查检测），频率选为5 MHz。对裂纹2，选取裂纹深度分别为1.0 mm、2.0 mm的缺陷进行检测。1.0 mm人工槽反射信号，增益为33.2 dB（A）时，波幅为满屏的42.4%；2.0 mm 人工槽反射信号，增益为33.2 dB（A）时，波幅为满屏65.9%。均能显示出缺陷信号，由图7、图8 可知，随着缺陷深度增加，缺陷回波逐渐增大，图像颜色逐渐加深。

图7 1.0 mm人工槽反射信号Fig.7 Artificial slot reflection signal(1.0 mm)

图8 2.0 mm人工槽反射信号Fig.8 Artificial slot reflection signal(2.0 mm)

距离不同相同深度裂纹检测，激励频率选为5 MHz，对深度均为1.0 mm 的裂纹1 和裂纹3 进行检测，裂纹1 距离外端部30 mm，裂纹3 距离外端部385 mm。裂纹1，增益为35.6 dB（A），波幅为满屏62%；裂纹3，增益为35.6 dB（A），波幅为满屏59%。由图9 可知，随着缺陷位置的变化，裂纹均能检测到信号。随着缺陷距离增加，缺陷回波逐渐减小，图像颜色逐渐变浅。

图9 距离不同相同深度模拟裂纹检测信号Fig.9 Simulated crack detection signal with different distances and the same depth

试验结果表明，超声柱面导波能用来检测螺栓中各个位置和各种尺寸的缺陷，缺陷深度与缺陷周向尺寸与缺陷回波信号存在线性关系，这种线性关系为螺栓中缺陷定量评估提供了依据。

3 结语

1）围绕超声螺栓紧固力测量技术，开展试验研究，获取了螺栓应力拟合曲线，曲线拟合内置仪器后进行测量，测量的螺栓轴向应力与拉力机加载的应力的测量精度误差小于±5%，表明了采用超声纵横波测量螺栓轴向应力的可靠性。

2）在螺栓的不同位置和深度制作了人工缺陷，采用超声柱面导波对人工缺陷进行检测，从缺陷深度和位置方面进行了较为系统的分析，开展了不同位置、不同深度的模拟裂纹缺陷的检测，得出随着缺陷位置和距离的变化，均能检测到裂纹信号。随着缺陷深度变大，缺陷回波逐渐增大，图像颜色逐渐加深。随着缺陷距离增加，缺陷回波逐渐减小，图像颜色逐渐变浅。

3）采用超声波新技术对螺栓进行系统检测，保证风力发电机组可靠性和安全性具有重要意义，其应用前景非常广阔。