在役風(fēng)機螺栓超聲檢測新技術(shù)研究

黃橋生，胡 熠，劉世剛，柴曉琴

（1.國家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，湖北 武漢 430000；2.國能長源湖北新能源公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

風(fēng)能是一種安全、清潔、可再生的綠色能源，其利用對于經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。現(xiàn)今能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、治理環(huán)境污染、降低溫室氣體排放、增強能源的安全已經(jīng)成為各國所關(guān)注的焦點。我國目前加大了對風(fēng)能的開發(fā)利用［1-6］。

我國風(fēng)電大多分布在高原、海岸、沙漠等偏遠(yuǎn)地區(qū)，設(shè)備的檢修維護(hù)力量難以實現(xiàn)規(guī)模化配置［7-9］，使得技術(shù)監(jiān)督工作開展難度較大，且風(fēng)電企業(yè)技術(shù)監(jiān)督模式尚未成熟，未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，大多借鑒較為完善的火力發(fā)電技術(shù)監(jiān)督模式［10-19］。

螺栓作為各種設(shè)備的連接件，是工業(yè)裝備中的標(biāo)準(zhǔn)配件之一［20-22］。風(fēng)電機組在運行過程中，開順槳、陣風(fēng)、風(fēng)切變等因素都可能導(dǎo)致葉片根部螺栓受到?jīng)_擊、振動，形成交變載荷，螺栓極易產(chǎn)生疲勞裂紋，而這些疲勞裂紋一般不易被發(fā)現(xiàn)，在裂紋發(fā)展一定程度時，經(jīng)常會發(fā)生斷裂，從而造成重大安全事故，嚴(yán)重威脅人身安全。

近幾年，湖北某新能源公司風(fēng)機塔筒螺栓相繼發(fā)生了幾次斷裂，嚴(yán)重影響了風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運行。通過分析斷裂的原因發(fā)現(xiàn)，除了螺栓本身的產(chǎn)品質(zhì)量不合格外，運行過程中的應(yīng)力失衡是造成螺栓失效的主要原因。在役風(fēng)機螺栓在長期運行中，受周期性載荷作用，很容易發(fā)生應(yīng)力失衡產(chǎn)生疲勞裂紋，造成螺栓斷裂失效，嚴(yán)重影響風(fēng)力發(fā)電機組的安全使用。因此，如何在不拆卸風(fēng)機螺栓的狀態(tài)下，對螺栓軸向應(yīng)力進(jìn)行精準(zhǔn)的測量和對疲勞裂紋進(jìn)行有效的檢測是亟待解決的技術(shù)問題。

通過開展在役風(fēng)機螺栓超聲檢測新技術(shù)研究，在不拆卸風(fēng)機螺栓的狀態(tài)下，找到精準(zhǔn)測量螺栓軸向應(yīng)力和有效檢測疲勞裂紋的方法。

1 螺栓軸向應(yīng)力測量方法

目前工業(yè)上常用扭力扳手，由于螺母與構(gòu)件的接觸面之間及螺母與螺栓的螺紋面之間摩擦系數(shù)離散性較大，使得由力矩推算出的軸向應(yīng)力很不準(zhǔn)確，近十幾年來國內(nèi)外都在積極探索用超聲波直接測量螺栓軸向應(yīng)力的方法和手段，超聲波測量螺栓應(yīng)力主要運用的是聲彈性原理，螺栓在受力之后超聲波的速度會因材料中的應(yīng)力而產(chǎn)生微小的變化，通過研究螺栓軸向應(yīng)力與超聲波傳播時間變化率的關(guān)系，可以利用超聲波發(fā)出和接收的時間來測量螺栓的緊固軸向應(yīng)力［23-28］。

1.1 試驗對象

本項目運用現(xiàn)有的超聲波測量螺栓軸向應(yīng)力技術(shù)，以風(fēng)電場常用的42CrMo 螺栓為研究對象，本次試驗以M48×285 mm 雙頭螺栓為例進(jìn)行實驗。通過按《GB/T 228.1-2010 金屬材料拉伸試驗方法第一部分：室溫試驗方法》中規(guī)定的方法，在常溫環(huán)境（22±2）℃下，對螺栓試樣進(jìn)行拉伸試驗。在材料彈性范圍內(nèi)，記錄檢測儀器的縱橫波聲時差Δt和拉伸試驗設(shè)備輸出的拉應(yīng)力變化Δσ，通過該曲線計算出聲彈性原理中的聲時差與軸向應(yīng)力比值，即可對在役螺栓進(jìn)行應(yīng)力測量。圖1 為采用拉力機對螺栓式樣進(jìn)行拉伸的示意圖。

圖1 拉力機拉伸示意圖Fig.1 Drawing diagram of tensile machine

3種規(guī)格的螺栓分別采用多組拉伸數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合計算聲時差與軸向應(yīng)力比值，再對一根螺栓進(jìn)行隨機數(shù)值的拉伸進(jìn)行應(yīng)力測量，通過計算隨機拉伸值與相應(yīng)應(yīng)力測量值的誤差，對螺栓應(yīng)力測量系統(tǒng)的測量能力進(jìn)行驗證。

1.2 數(shù)據(jù)庫建立

通過查詢M48×285 mm 螺栓的彈性范圍，拉力機的數(shù)值設(shè)置為50 kN～500 kN，以50 kN為間距，共計11個點位進(jìn)行聲時數(shù)據(jù)（包含縱波傳播時間及橫波傳播時間）測量，每種規(guī)格螺栓根據(jù)實際條件測量多組數(shù)據(jù)進(jìn)行聲時比計算。拉力機的設(shè)置界面如圖2所示。通過對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行聲時比計算及數(shù)據(jù)擬合，得到y(tǒng)=ax2+bx+c公式的3組參數(shù)結(jié)果，數(shù)據(jù)擬合曲線如圖3所示。通過對3組a、b、c進(jìn)行計算平均，得到最終螺栓的儀器參數(shù)設(shè)置值。

圖2 拉力機設(shè)置界面Fig.2 Setting interface of tensile machine

為測得M48×285mm 螺栓的彈性范圍，同種規(guī)格、材質(zhì)螺栓開展了5 組試驗，每組試驗結(jié)果顯示，縱、橫波傳播時間數(shù)據(jù)偏差不超過0.2 μs。如拉力為50 kN，縱波傳播時間范圍為96.905 μs～96.794 μs，橫波傳播時間范圍為176.939 μs～175.909 μs。縱、橫波傳播時間（聲時比）呈線性關(guān)系，見圖3中M48×285mm螺栓數(shù)據(jù)擬合曲線。

圖3 M48×285 mm螺栓數(shù)據(jù)擬合曲線Fig.3 Fitting curve of bolt(M48×285 mm)data

1.3 數(shù)據(jù)驗證

將上述得到的公式參數(shù)內(nèi)置于螺栓應(yīng)力檢測儀中，對螺栓施加3次隨機數(shù)值的拉力（如圖4所示），同時采用螺栓應(yīng)力檢測儀進(jìn)行測量，驗證測量精度。驗證數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5 所示。可見，當(dāng)拉力機器加載分別為136 kN、288 kN 和464 kN 時，儀器測量值分別為136 kN、289.5 kN、466.5 kN，絕對誤差分別為0 kN、1.5 kN、2.5 kN，測量精度誤差分別為0.00%、0.52%、0.54%（如圖5所示）。

圖4 M48×285mm螺栓數(shù)據(jù)驗證Fig.4 Bolt(M48×285mm)data validation

圖5 M48×285mm螺栓驗證結(jié)果Fig.5 Bolt(M48×285mm)verification results

試驗結(jié)果表明，采用此方法測應(yīng)力時，當(dāng)應(yīng)力小于螺栓材料本身的彈性范圍時，其應(yīng)力的測量精度誤差小于±5%。

2 超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)

2.1 試驗對象

選擇長度為400 mm，直徑為48 mm的風(fēng)電場常用的10.9 級42CrMo 螺栓為本次研究的試樣。每個螺栓上采用線切割在3個部位切割3處人工槽，從外端部向內(nèi)依次為裂紋1、裂紋2、裂紋3，每處裂紋均有0.5 mm、1.0 mm、2.0 mm的3種深度，沿著周向均勻分布，如圖6所示。

2.2 試驗研究

對同一位置不同深度的裂紋開展檢測試驗（探頭在外端部上進(jìn)行掃查檢測），頻率選為5 MHz。對裂紋2，選取裂紋深度分別為1.0 mm、2.0 mm的缺陷進(jìn)行檢測。1.0 mm人工槽反射信號，增益為33.2 dB（A）時，波幅為滿屏的42.4%；2.0 mm 人工槽反射信號，增益為33.2 dB（A）時，波幅為滿屏65.9%。均能顯示出缺陷信號，由圖7、圖8 可知，隨著缺陷深度增加，缺陷回波逐漸增大，圖像顏色逐漸加深。

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

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

距離不同相同深度裂紋檢測，激勵頻率選為5 MHz，對深度均為1.0 mm 的裂紋1 和裂紋3 進(jìn)行檢測，裂紋1 距離外端部30 mm，裂紋3 距離外端部385 mm。裂紋1，增益為35.6 dB（A），波幅為滿屏62%；裂紋3，增益為35.6 dB（A），波幅為滿屏59%。由圖9 可知，隨著缺陷位置的變化，裂紋均能檢測到信號。隨著缺陷距離增加，缺陷回波逐漸減小，圖像顏色逐漸變淺。

圖9 距離不同相同深度模擬裂紋檢測信號Fig.9 Simulated crack detection signal with different distances and the same depth

試驗結(jié)果表明，超聲柱面導(dǎo)波能用來檢測螺栓中各個位置和各種尺寸的缺陷，缺陷深度與缺陷周向尺寸與缺陷回波信號存在線性關(guān)系，這種線性關(guān)系為螺栓中缺陷定量評估提供了依據(jù)。

3 結(jié)語

1）圍繞超聲螺栓緊固力測量技術(shù)，開展試驗研究，獲取了螺栓應(yīng)力擬合曲線，曲線擬合內(nèi)置儀器后進(jìn)行測量，測量的螺栓軸向應(yīng)力與拉力機加載的應(yīng)力的測量精度誤差小于±5%，表明了采用超聲縱橫波測量螺栓軸向應(yīng)力的可靠性。

2）在螺栓的不同位置和深度制作了人工缺陷，采用超聲柱面導(dǎo)波對人工缺陷進(jìn)行檢測，從缺陷深度和位置方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析，開展了不同位置、不同深度的模擬裂紋缺陷的檢測，得出隨著缺陷位置和距離的變化，均能檢測到裂紋信號。隨著缺陷深度變大，缺陷回波逐漸增大，圖像顏色逐漸加深。隨著缺陷距離增加，缺陷回波逐漸減小，圖像顏色逐漸變淺。

3）采用超聲波新技術(shù)對螺栓進(jìn)行系統(tǒng)檢測，保證風(fēng)力發(fā)電機組可靠性和安全性具有重要意義，其應(yīng)用前景非常廣闊。