水轮机涡轮螺栓多通道超声波应力智能监测系统

2023-11-22项兴华薛楚扬李德红王志武

无损检测 2023年9期

项兴华,薛楚扬,王晨,李德红,王志武

(1.国网浙江紧水滩电厂, 丽水 323000;2.武汉大学动力与机械学院, 武汉 430072)

在水电机组中,许多重要结构部件均是通过螺栓实现连接的,如上下蜗壳、主轴、人孔门等[1]。螺栓安装的质量直接关系到水电机组的安全。目前,螺栓安装普遍采用扭矩法或扭矩/转角法,存在不能准确确定实际预紧力大小的问题,即存在预紧力不足或预紧力过盈的问题。螺栓预紧力过盈,会引起塑性变形,螺栓根部容易产生裂纹;预紧力不足会导致连接不充分,连接处可能产生相对滑动或密封不严的问题[2]。俄罗斯的萨扬·舒申斯克水电站,曾因为螺栓-螺母出现松动而引起螺栓疲劳破坏,最终导致了水轮机重大事故[3]。

文章以水轮机涡轮35Cr Mo钢连接螺栓为研究对象,通过拉伸试验,测定弹性范围内35Cr Mo钢所受应力对应的超声波横波/纵波声时比数值,建立超声横波与纵波的传播声时比与应力的关系式,通过软件实现应力实时测定的功能,通过通道转换器实现24通道测量的循环转换,并在控制平台实现数据显示和功能控制,最终建立了一套基于超声弹性效应原理的多通道超声横纵波螺栓应力智能监测系统。利用该系统,一方面,在螺栓紧固之后,可以即时测定实际预紧力大小以判定预紧力是否处于合理范围,从而对过盈和应力不足进行补救;另一方面,在机组运行期间,可以监测螺栓的应力值及其变化,随时判断其安全性。

1 螺栓轴向预紧力检测的超声原理

在处于弹性应力状态下的弹性固体中,超声波(弹性波)的传播速度不仅与材料的二阶弹性常数和密度有关,还与高阶弹性常数和应力有关,这种应力影响声波传播速度的效应称为应力-声学效应或声弹性效应[4]。假设螺栓的长度为L,螺栓所受的应力为轴向应力σ,超声横波与纵波的传播速度分别为vt,vl。则根据声弹性理论,超声纵波与横波的传播声时比与应力的关系式为[5]

式中:St,Sl分别为超声横波和纵波的传播声时;R0为被测螺栓在无应力状态时纵波与横波的速度之比;CR为声速比声弹性系数。

对于具体螺栓材料,首先,未受应力状态下测定其超声波横波与纵波的传播声时,从而确定R0值;然后,在不同弹性应力状态下,测定其超声波横波与纵波的传播声时,建立超声横波与纵波的传播声时比与应力的关系,将此关系作为计算钢材实际所受弹性应力的计算模型。

2 超声纵波与横波的传播声时比与应力关系的建立

螺栓起紧固作用的受力状态必须处于弹性变形范围内,即其最大承载应力须小于材料的弹性极限σe。在弹性变形范围内,螺栓受到的应力与其应变之间呈线性关系。通过拉伸试验,可以测定材料的弹性应力与弹性应变之间的线性关系。同时,在材料进行拉伸的弹性变形过程中,利用超声仪测定超声横波和纵波在螺栓中的传播时间,建立超声波的声时比-应力的关系模型,通过软件计算得到应力值。根据测定的应力值,判断螺栓预紧力是否处于安全范围。

选取规格为M24×137 mm(直径×长度)的35Cr Mo 钢螺栓共4 个,分4 次,在三思纵横UTM5105电子万能试验机上依次施加0,50,100,150,200,250,300 k N 的拉力,同时,利用应力检测专用超声仪测定各拉力下的超声波横波与纵波在螺栓内部传播的声时。对4组试验数据结果取平均值,获得声时-应力的关系。可见,螺栓的轴向应力与超声横纵波声时比之间满足式(1)中的一阶线性关系,关系式为

螺栓轴向应力-横纵波声时比曲线如图1所示,其中曲线斜率表示螺栓的横纵波声时比声弹性系数,截距表示螺栓未受轴向应力时横纵波的声时比。式(3)即为通过测定的超声横波与纵波的传播声时值来得到所受弹性应力的计算模型,将其作为系统软件的计算依据即可实现弹性应力的测定和计算。

图1 螺栓轴向应力-横纵波声时比曲线

3 多通道超声波螺栓应力检测系统构建

3.1 系统硬件构成及功能

3.1.1 系统硬件构成

用于单根螺栓的超声波应力检测仪,由超声波主机和超声波换能器构成。为了实现多根螺栓的超声波应力检测,超声波主机发射的信号需要一个转换装置,依次将超声波主机发射的信号施加于各个探头,分别实现检测。信号转换装置又被称为通道转换器。为了实现监控功能,需要将超声波主机的所有功能移植于外部工控机上,因此,该系统的硬件主要包括超声波探头、超声波应力检测仪、外部工控机4个部分。该系统共设置24个超声探头,可检测24根螺栓的实时应力。每个探头和主机构成一个通道,即系统共有24个通道。超声探头直接固定于螺栓的端部,由导线连接于通道转换器上。系统硬件构成如图2所示。

图2 超声波应力检测仪系统硬件构成

3.1.2 超声换能器

根据测定弹性应力的特定需要,开发了专用压电式超声横纵波探头,能够同时发射和接收频率为2.5 MHz的超声横波与纵波。换能器内置具有压电效应的横波晶片和纵波晶片,在高频电脉冲的作用下,能将电能转换成声能,激发超声波;反之,当换能器接收超声波时,能将声能转换成电能[4]。超声换能器规格为ϕ16 mm×20 mm,由结构外壳、接头、2根电缆线、压电晶片、阻尼块以及保护膜组成,其内部结构如图3所示。工作时,超声仪发出高频脉冲信号,通过电缆线传输至压电晶片时,产生逆压电效应,激发压电晶片振动产生超声波。纵波压电晶片产生垂直于晶片的振动,形成纵波;横波压电晶片产生平行于晶片的振动,形成横波。同时,超声换能器接收反射而回的纵波和横波,并传输给超声仪。

图3 超声换能器的内部结构

3.1.3 超声波应力检测主机

超声波应力检测主机通过不同电路和微处理器实现各项功能。主机电路主要包括发射电路、接收电路、声时采集电路3个主电路和其他辅助电路。微处理器选用单片机。超声波应力检测仪系统构成如图4所示,模拟电路结构如图5所示。其工作过程为:由发射电路发射的高压冲击波激励探头,产生超声纵波和横波并在材料中传播,传播中经材料界面反射后被接收电路接收,经过单片机计算处理后,在液晶显示器上显示相关数值,同时在外部工控机上显示和存储。

图4 超声波应力检测仪系统构成

图5 超声波应力检测仪模拟电路结构

3.1.4 通道转换器

通道转换器由2块集成电路板组成,每块电路板控制12个探头发射和接收超声横波与纵波,构成24个超声波检测通道,实现脉冲信号采集的转换功能。每一个通道上均装有用作通道切换的电磁继电器,由系统软件控制通道切换,通道切换时间约为1.5 s。

3.1.5 外部工控机

选用普通兼容计算机作为外部工控机,置于宽阔的水轮机外部平台,便于操作和监控。用通信线缆将其与超声波应力检测主机连接。外部工控机包含超声波应力检测主机的所有软件及功能,可实现操控系统的检查功能。

3.2 系统软件部分组成

软件系统包括驱动程序和系统软件两部分。系统驱动程序用于驱动系统运行,并在时序上协调各硬件功能模块的功能实现,包括超声纵波和横波的发射和接收。系统软件实现滤波、声时数据记录、螺栓应力值计算、显示、报警等功能,保证仪器的应力测量精度、抗干扰性和工作稳定性等。系统还构建了人机交流平台。系统软件的具体功能如下所述。

(1) 主显示界面:为人工主要操作界面,对超声波螺栓应力智能监测系统的声时测量和应力计算结果、波形信号提供实时显示,呈现方式为多级菜单。

(2) 自动检测:对选定的被测螺栓以一定时间间隔自动进行应力检测。

(3) 参数设置:对检测参数进行输入、选择和测量,主要包括螺栓材料、螺栓类型、螺栓长度、螺栓夹紧长度等。

(4) 数据测量:同时检测多个螺栓的轴向应力值,通过继电器切换通道的时间间隔为1.5 s,每轮测量完成后进入下轮检测的间隔时间可自行设置。

(5) 数据记录:实时检测超声横纵波波形,实时测量螺栓应力并记录。

(6) 数据分析:存储和调用螺栓应力测量结果,并生成应力检测报告。

(7) 文件管理:导入或导出参数文件、报表文件、屏幕截图等。

(8) 报警:在测量值超出预设紧固力范围时进行示警。

软件所用的编程语言为C++,软件部分模块结构示意如图6所示,系统软件功能构建如图7所示。其中,温度补偿模块的功能是:工件温度波动比较大而引起内部超声波传播声时发生改变时,对应力测量值的偏差进行补偿。

图6 系统软件部分模块结构示意

图7 系统软件功能构建

3.3 试验验证

3.3.1 力学性能结果及拉力范围的确定

35Cr Mo钢拉伸获得的拉力和强度指标结果如表1所示,由表1可知,35Cr Mo钢的屈服强度平均值为665 MPa,对应的拉力为301 k N。当拉力小于301 k N时,钢材基本处于弹性变形范围内,因此在超声波纵波和横波测定时,确定试验加力范围为0～300 k N。实际试验时,选择在拉力为0,50,100,150,200,250,300 k N时,进行超声波纵波和横波传播时长的测定。

表1 35Cr Mo钢强度指标k N·MPa-1

3.3.2 螺栓标定曲线的建立及分析

35Cr Mo钢试样在拉力为0,50,100,150,200,250,300 k N时,测定超声波横波和纵波的传播时长结果如表2所示。以表2数据计算其声时比,结果如表3所示。利用表3中的数据和对应的拉力,进行单组数据和取平均值后的超声波横波和纵波声时比-应力关系拟合,拟合结果如图8所示。由图8可知,在弹性变形范围内,35Cr Mo钢的超声波声时比值会随着弹性应力的增加而下降。同一个试件所受到的轴向弹性应力与声时比值满足式(1)中的线性关系;图中每一条直线的斜率和截距都有所差异,这与螺栓材料内部晶粒度大小有关[6]。取平均值后,得到35Cr Mo钢声时比-应力关系曲线,为