一种基于相控阵的风电螺栓安全性检测方法与流程

1.本发明涉及风电领域，特别是一种针对与风电高强度螺栓的安全性评价方法，主要涉及评价螺栓应力及内部缺陷的评判方法。


背景技术：

2.目前风电机组容量越来越大，风电叶片，塔筒螺栓在风电机组连接上起到重要作用，需定期对螺栓进行相控阵检测，通过波形判断是否含有内部缺陷，但是无法判断螺栓受力状态。
3.目前我国的风力发电行业无论是装机总容量，还是装机的新增容量，都保持着较快的增长趋势，风电设备中的螺栓作为风机主要的连接部件，如果其质量存在隐患，螺栓预紧力不足的问题，会使螺栓产生失效，从而对风机安全性产生影响。在螺栓预紧力测量方面，顾岳飞在专利《一种应力无损检测方法、装置及设备》中根据螺栓剩余磁化强度和螺栓应力之间的关系，确定所述螺栓剩余磁化强度对应的螺栓应力。胡春华在文章《螺栓应力的超声测量》中推导出超声波声时差与应力之间的线性关系，提出了在线实时监测风电机组轴向应力的方法。在检查螺栓预紧力的同时无法对螺栓内部缺陷进行判别。
4.对螺栓内部缺陷判断时，一般采用相控阵检查螺栓缺陷位置，李旺在《3d全聚焦相控阵检测技术在风电机组螺栓无损探伤中的应用》中阐述了相控阵技术在螺栓内部缺陷的检测能力，通过图像识别功能，实现3d-全聚焦成像检测；肖剑在专利《一种高强螺栓缺陷检测装置》中通过设计一套高强螺栓检测装置，包括超声相控阵主机和与其通过电缆连接的相控阵探头，通过盖板对相控阵探头固定并定位,使其能快速找到螺栓中心，还通过在探头前端加保护膜，大大减少了探头磨损，延长探头寿命。相控阵在检查螺栓内部缺陷方面得到广泛的使用，但是未见对相控阵测量螺栓应力的研究。


技术实现要素：

5.针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种基于相控阵的风电螺栓安全性检测方法，可有效解决对风电螺栓进行高效安全性检测的问题。
6.本发明解决的技术方案是：一种基于相控阵的风电螺栓安全性检测方法，包括以下步骤：
7.步骤一：螺栓应力标定
8.选择与待测部件材质规格相同的螺栓进行标定，制作与待测部件相同结构尺寸的标定平台，螺栓穿装在标定平台的螺栓穿孔内，由旋装在螺栓上的螺母固定；
9.螺栓表面粘贴用于检测螺栓应力的应变片；
10.应变片与应变仪相连，应变仪连接有显示器，用于显示应力示数，从而得到螺栓的预紧力；
11.将相控阵探头放置在螺母所在段的螺栓端面上，相控阵探头与相控阵检测装置(7)相连；
12.通过力矩扳手，转动螺母，施加目标预紧力f1，首先将相控阵始波调至波幅的80％，记录增益值db1，在该条件下将底波波幅调整至80％，记录下此刻的dbla，计算两者之差δdb1＝db1-db1a；
13.通过力矩扳手，转动螺母，施加目标预紧力上限f2，首先将相控阵始波调至波幅的80％，记录增益值db2，在该条件下将底波波幅调整至80％，记录下此刻的db2a，计算两者之差δdb2＝db2-db2a；
14.通过力矩扳手，转动螺母，施加目标预紧力下限f3，首先将相控阵始波调至波幅的80％，记录增益值db3，在该条件下将底波波幅调整至80％，记录下此刻的db3a，计算两者之差δdb3＝db3-db3a；
15.步骤二：现场测试
16.将相控阵探头置于现场螺栓端面，若底波前出现其他波形或未见底波，说明螺栓存在内部缺陷，直接判废；
17.若出现底波，未见始波与底波之间波形，说明未见内部缺陷，将初始波调至波幅的80％，记录此时增益值dbx，然后将底波波幅调整至80％，记录增益值dbxa，计算两者之差δdbx＝dbx-dbxa；
18.若δdbx处于δdb2与δdb3之间，合格；
19.若δdbx大于δdb2，判断为螺栓过紧；
20.若δdbx小于δdb3，判断为螺栓松动。
21.本发明方法简单，巧妙地使用了相控阵设备对螺栓的预紧力情况进行快速判断，当螺栓收到轴向应力时，会对螺栓内部晶粒大小产生变化，将始波调整至80％时所需要的增益值略有差别，因此要先记录始波增益值，当螺栓受到轴向拉力不同时，螺栓内部晶粒的变化及螺栓长度的变化造成始波的衰减不同，将底波调整至波幅的80％所需增益值也不同，底波调整至80％时增益值减去始波波幅80％原始增益值，即为应力带来的增益值变化，应力大增益差值大，应力小增益差值小，因此通过增益差值的不同可以判断螺栓的受力状态。与现有技术相比，本发明通过调节波幅计算增益差值可以在螺栓裂纹检测的同时判断螺栓应力状态，节约工作时间；通过标定实验设置螺栓过紧，过松的上限预警值，通过增益差值实现螺栓预紧状态的简单快速判别，大大提高了检测效率，有良好的社会和经济效益。
附图说明
22.图1为本发明螺栓应力标定连接示意图。
23.图2为本发明方法逻辑流程图。
具体实施方式
24.以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
25.由图1-2给出，本发明一种基于相控阵的风电螺栓安全性检测方法，包括以下步骤：
26.步骤一：螺栓应力标定
27.选择与待测部件材质规格相同的螺栓进行标定，制作与待测部件相同结构尺寸的标定平台，螺栓穿装在标定平台的螺栓穿孔内，由旋装在螺栓上的螺母4固定；
28.螺栓表面粘贴用于检测螺栓应力的应变片6；
29.应变片与应变仪8相连，应变仪8连接有显示器，用于显示应力示数，从而得到螺栓的预紧力；
30.具体换算方法如下：
31.σ＝∈
×e32.式中：σ代表应力，∈代表应变，e代表弹性模量；
33.f＝σ
×s34.式中：f代表螺栓轴向应力，即为预紧力，s代表螺栓截面积；
35.将相控阵探头5放置在螺母所在段的螺栓端面上，相控阵探头与相控阵检测装置(7)相连；
36.通过力矩扳手，转动螺母，施加目标预紧力f1，首先将相控阵始波调至波幅的80％，记录增益值db1，在该条件下将底波波幅调整至80％，记录下此刻的db1a，计算两者之差δdb1＝db1
‑‑
db1a；
37.通过力矩扳手，转动螺母，施加目标预紧力上限f2，首先将相控阵始波调至波幅的80％，记录增益值db2，在该条件下将底波波幅调整至80％，记录下此刻的db2a，计算两者之差δdb2＝db2-db2a；
38.通过力矩扳手，转动螺母，施加目标预紧力下限f3，首先将相控阵始波调至波幅的80％，记录增益值db3，在该条件下将底波波幅调整至80％，记录下此刻的db3a，计算两者之差δdb3＝db3-db3a；
39.步骤二：现场测试
40.将相控阵探头置于现场螺栓端面，若底波前出现其他波形或者未见底波，说明螺栓存在内部缺陷，直接判废；
41.若出现底波，未见始波与底波之间波形，说明未见内部缺陷，将初始波调至波幅的80％，记录此时增益值dbx，然后将底波波幅调整至80％，记录增益值dbxa，计算两者之差δdbx＝dbx-dbxa；
42.若δdbx处于δdb2与δdb3之间，合格；
43.若δdbx大于δdb2，判断为螺栓过紧；
44.若δdbx小于δdb3，判断为螺栓松动。
45.为保证使用效果，所述标定平台包括第一法兰盘1和第二法兰盘2，第一法兰盘1和第二法兰盘2上开有与螺栓相对应的、上下贯通的螺栓穿孔，第一法兰盘1和第二法兰盘2上下叠放在一起，螺栓穿装在螺栓穿孔内，由旋装在螺栓螺纹段3a上的螺母4压紧固定。
46.所述应变片6粘贴在螺栓的非螺纹段上，应变片有沿螺栓轴向均布的多个(如图1所示，有2个应变片)，最终采集的螺栓应变量取多个应变片测量结果的平均值。
47.所述目标预紧力f1(f)通过下式计算：
[0048][0049]
式中：
[0050]
m-扭矩；k-扭矩系数；d-螺纹公称直径，f＝f1，为目标预紧力；
[0051]
目标预紧力上限f2及下限值f3选择参照《vdi2230高强度螺栓连接的系统计算》：
[0052]
对于现场扭矩法拧紧螺栓预紧时，f2取1.17f；
[0053]
对于现场扭矩法拧紧螺栓预紧时，f3取0.83f；
[0054]
对于现场采用液压拧紧螺栓预紧时，f2取1.09f；
[0055]
对于现场采用液压拧紧螺栓预紧时，f3取0.91f。
[0056]
本发明经实际应用，均取得了良好的技术效果，应用例如下：
[0057]
针对于某塔筒连接螺栓，采用扭矩法控制螺栓预紧力，螺栓规格为m36mm，螺栓长度为150mm，扭矩系数为0.1，设计扭矩为1500nm。
[0058]
步骤一：计算螺栓设计预紧力及上下限值；
[0059][0060][0061][0062]
螺栓施加预紧力为417kn，即f1＝417kn；σ1＝409.88mpa
[0063]
施加预紧力控制上限值为1.17p；即f2＝1.17
×
417＝487.89kn，σ2＝479.56mpa；
[0064]
施加预紧力控制下限值为0.83p；即f2＝0.83
×
417＝346.11kn；σ3＝340.20mpa
[0065]
步骤二：在实验台上施加预紧力
[0066]
2.1将需要标定螺栓置于标定平台，施加417kn预紧力，应力数据通过应变仪控制，应变仪控制数据409.88mpa；将相控阵探头置于螺栓端面；将始波调至波幅80％处，记录此时增益值db1＝42.6db；由于声波衰减，此时底波波幅不足80％，通过调整增益值，调整底波波幅至80％，记录此时增益值db1a＝63.2db；计算两者之差δdb1＝db1-db1a＝20.6db。
[0067]
2.2施加487.89kn预紧力，应力数据通过应变仪控制，将相控阵探头置于螺栓端面；将始波调至波幅80％处，记录此时增益值db2＝42.9db；由于声波衰减，此时底波波幅不足80％，通过调整增益值，调整底波波幅至80％，记录此时增益值db21＝66.7db，计算两者之差δdb2＝db2-db2a＝23.8db。
[0068]
2.3施加346.11kn预紧力，应力数据通过应变仪控制，将相控阵探头置于螺栓端面；将始波调至波幅80％处，记录此时增益值db3＝42.1db；由于声波衰减，此时底波波幅不足80％，通过调整增益值，调整底波波幅至80％，记录此时增益值db31＝58.9db，计算两者之差δdb3＝db3-db3a＝16.8db。
[0069]
步骤三：现场测试
[0070]
针对于某风电机组叶片螺栓进行检测，螺栓共计20颗，根据前期标定实验结果，增益差值小于16.8db，判断为螺栓松动，增益插值位于16.8-23.8db之间，应力正常，增益差值大于23.8db，判断螺栓过紧。
[0071]
检测结果如表1所示；经过检查发现，第1、8、10、14、18号螺栓增益差值小于16.8db，螺栓松动，第13号螺栓增益差值大于23.8db，螺栓过紧；
[0072]
记录1、8、10、14、18号此刻螺栓位置，采用1500nm螺栓力矩扳手对螺栓进行紧固，发现螺栓位置产生变化，证明螺栓确实松动。测试结果准确。
[0073]
记录13号螺栓位置，将螺栓松掉，采用1500nm螺栓力矩扳手对螺栓重新进行紧固，
再次测量，记录增益差值20.5db，螺栓应力正常。
[0074]
表1现场检查结果
[0075]

技术特征：
1.一种基于相控阵的风电螺栓安全性检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：螺栓应力标定选择与待测部件材质规格相同的螺栓进行标定，制作与待测部件相同结构尺寸的标定平台，螺栓穿装在标定平台的螺栓穿孔内，由旋装在螺栓上的螺母(4)固定；螺栓表面粘贴用于检测螺栓应力的应变片(6)；应变片与应变仪(8)相连，应变仪(8)连接有显示器，用于显示应力示数，从而得到螺栓的预紧力；将相控阵探头(5)放置在螺母所在段的螺栓端面上，相控阵探头与相控阵检测装置(7)相连；通过力矩扳手，转动螺母，施加目标预紧力f1，首先将相控阵始波调至波幅的80％，记录增益值db1，在该条件下将底波波幅调整至80％，记录下此刻的db1a，计算两者之差δdb1＝db1-db1a；通过力矩扳手，转动螺母，施加目标预紧力上限f2，首先将相控阵始波调至波幅的80％，记录增益值db2，在该条件下将底波波幅调整至80％，记录下此刻的db2a，计算两者之差δdb2＝db2-db2a；通过力矩扳手，转动螺母，施加目标预紧力下限f3，首先将相控阵始波调至波幅的80％，记录增益值db3，在该条件下将底波波幅调整至80％，记录下此刻的db3a，计算两者之差δdb3＝db3-db3a；步骤二：现场测试将相控阵探头置于现场螺栓端面，若底波前出现其他波形或未见底波，说明螺栓存在内部缺陷，直接判废；若出现底波，未见始波与底波之间波形，说明未见内部缺陷，将初始波调至波幅的80％，记录此时增益值dbx，然后将底波波幅调整至80％，记录增益值dbxa，计算两者之差δdbx＝dbx-dbxa；若δdbx处于δdb2与δdb3之间，合格；若δdbx大于δdb2，判断为螺栓过紧；若δdbx小于δdb3，判断为螺栓松动。2.根据权利要求1所述的基于相控阵的风电螺栓安全性检测方法，其特征在于，所述标定平台包括第一法兰盘(1)和第二法兰盘(2)，第一法兰盘(1)和第二法兰盘(2)上开有与螺栓相对应的、上下贯通的螺栓穿孔，第一法兰盘(1)和第二法兰盘(2)上下叠放在一起，螺栓穿装在螺栓穿孔内，由旋装在螺栓螺纹段(3a)上的螺母(4)压紧固定。3.根据权利要求1所述的基于相控阵的风电螺栓安全性检测方法，其特征在于，所述应变片(6)粘贴在螺栓的非螺纹段上，应变片有沿螺栓轴向均布的多个，最终采集的螺栓应变量取多个应变片测量结果的平均值。4.根据权利要求1所述的基于相控阵的风电螺栓安全性检测方法，其特征在于，所述目标预紧力f1通过下式计算：式中：
m-扭矩；k-扭矩系数；d-螺纹公称直径，f＝f1，为目标预紧力；对于现场扭矩法拧紧螺栓预紧时，f2取1.17f；对于现场扭矩法拧紧螺栓预紧时，f3取0.83f；对于现场采用液压拧紧螺栓预紧时，f2取1.09f；对于现场采用液压拧紧螺栓预紧时，f3取0.91f。

技术总结
本发明涉及一种基于相控阵的风电螺栓安全性检测方法，巧妙地使用了相控阵设备对螺栓的预紧力情况进行快速判断，通过调节波幅计算增益差值可以在螺栓裂纹检测的同时判断螺栓应力状态，节约工作时间；通过标定实验设置螺栓过紧，过松的上限预警值，通过增益差值实现螺栓预紧状态的简单快速判别，大大提高了检测效率，有良好的社会和经济效益。有良好的社会和经济效益。有良好的社会和经济效益。


技术研发人员：赖右福 王昊 朱国斌 刘立群 蔡金柱 陈松威 师晓飞 王常青 李雪飞 王东辉 句光宇 邓辉 范章帅
受保护的技术使用者：中国大唐集团科学技术研究院有限公司中南电力试验研究院
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/7/13