螺栓轴向应力的超声波测量

王路①季献武张道钢扬启璋上海医疗器械高等专科学校（上海200093）华东电力试验研究院（上海200433）河北电力试验研究所（石家庄050021）北京电力科学研究院（北京100045）

一些设备上的关键螺栓安装或紧固时，人们希望能直接准确地控制螺栓的轴向应力，以保证其工作的可靠性，这点对电力设备尤其具有重要的意义。用超声波技术研制成功了一种可直接测量螺栓轴向应力的螺栓轴向应力仪，该仪器可广泛应用于关键设备的紧固测试，进而精确地控制螺栓轴向应力。对用超声波技术测量螺栓轴向应力的基本原理进行了介绍，并给出了超声波螺栓轴向应力仪应用实例。

螺栓轴向应力直接测量超声波技术螺栓作为一种紧固件广泛应用于大型机械设备、发电机组、桥梁及航空航天器件。目前人们通常使用力矩板手安装螺栓，由扭矩推算出螺栓的轴向应力，但这种方法间接得到的轴向力并不可靠，且力矩板手本身需要定期由较复杂的设备检验、校准。即便如此，实际工作中众多的影响因素还使得扭矩与螺栓的轴向应力不能一一对应。许多情况下，安装者用大锤凭经验击打板手对螺栓实施紧固，很不准确。因此迫切需要发展一种无损、快速有效的、能直接测量螺栓紧固应力的新手段。

超声波是一种有效的工业测量用物理量，用超声波可探测构件内部的损伤及组织结构，还能测量流量、温度、厚度及应力等。有关超声波测应力的方法早就有人提出，这种方法的优点是以被测对象自身为敏感元件，能够探测构件内部的应力。超声波测螺栓轴向紧固应力是一种研究较久且有一定成效的技术，它是超声波测量应力研究领域里最有希望得到工业性广泛应用的技术手段。以前人们较多在理论上对声速与应力关系进行研究探索，而对工程上的狈赋方法、手段、仪器的实现及实际使用中存在的问题研究得较少，这使得超声波测螺栓紧固应力手段没能在工程上推广。本文作者用超声测量螺栓轴向紧固应力的研究工作，给出了若干螺栓材料的紧固力与超声波的关系，分析了实际应用中可能出现的误差因素，并对电站用螺栓进行了的超声波测螺栓紧固应力（一种拉伸应力）工作中，超声波传播方向与应力方向一致（忽略螺栓扭转应力的影响），这时纵波声速（以下简称声速）与应力的近似关系为：①注：参加工作的还有沈金坤。刘琦。刘镇清。梁穗。华俭南等。

其中/为/关的常数，为螺栓的轴向应力，C0为无应力时的声速，C为有应力时的声速。，经简单的推导可得受紧固应力前后螺栓的声时差为：通常情况下，根据声弹理论有for 1；且对于特定的固体材料，其弹性常数及声速等物理系数是相同的，因此可将式（3）化简成这样，只要能够事先得到螺栓材料的系数A，就能在实际应用中根据3得到螺栓的轴向紧固应力必须指出，实际工作中螺栓各部分的直径可能不同，根据应力与截面积成反比原则可分别定出受力区不同截面积部分的应力之比，这样可通过简单的运算获得所需的应力。

2螺栓紧固应力与超声波关系的测量从以上的分析可知，要实现用超声波测螺栓紧固应力，必须获得两者的关系常数A.由于超声波测应力要求声时的测量精度非常高，作者研制了一种高精度的声时（也可测量声速）自动测量装置，它的声时测量精度优于±0.不需要人工调节，可进行全自动测量，并能将数据通过接口传输给PC机作进一步分析、处理。

实验时螺栓两端的螺母通过特制的夹具，由30t材料实验机进行拉伸，这样便模拟了螺栓在紧固时的轴向拉伸力。在螺杆中央贴上一片电阻应变片，并由电阻应变仪实时监测螺栓所受的应力，得到的应力值经12位A/D转换后送PC机，电阻应变片应力仪测量精度为±0.1MPa.超声波传感器是一种窄脉冲的磁性探头，它能牢牢地吸在铁磁性材料螺栓的一端，探头与螺栓间用甘油作耦合剂，探头同时作为发射与接收超声波的换能器。声时测量装置不断精密地测量螺栓的声时及其变化，并将结果通过串行口送PC机。

是对材质为20号碳钢的螺栓进行声时一应力关系的测定结果，由图可见声时差3与应力之间存在良好的线性关系。被测螺栓的直径为30mm，总长度为220mm，两螺母之间的夹紧距为130mm.取螺栓的有效夹紧长度为两螺母之间的夹紧距与螺栓的直径之和，即：/= 160mm.根据式（5），得到该材质的声时一应力关系常数A为4.582X109.对材质为NiCu28―2.5―1.5的镍铜合金螺栓的声速一应力关系测量结果见，被测螺栓的直径为12mm，总长度为110mm，两螺母之间的夹紧距为65mm.同理，取螺栓的有效夹紧长度为77mm，得该材料的声时一应力关系常数A= 5.885X1i.作者在求上述系数A0寸，将声时差与应力关系看作为严格线性关系，据此构成的线性拟合曲线与实测关系曲线的最大偏差小于9.8MPa.这种线性拟合虽有一定的偏差，但对形成简便的工业性测试仪器来看确是有利的。在智能化超声波螺栓轴向紧固应力仪中只要存有常数A，仪器便可自动推算出应力。

从以上的螺栓声时一应力关系图来看，材质不同时，系数A也有差异。实际上超声波测螺栓紧固应力时，将螺栓本身作为敏感元件，因此被测材料不同，敏感系数（即系数A）也不同。这从一个侧4热力发电。2000（1）面说明，要使超声波紧固应力测试技术推广使用，必须事先进行许多常用螺栓材料的声时一应力关系标定实验工作。但超声波测螺栓紧固应力技术的一大优点是，在工业性应用时不再需要附加的设备进行定期检验与校准。

3超声波测螺栓应力的实现超声波测螺栓紧固应力的一种方案是，将各种材料的系数A存入以测声时为基本参量的智能超声波仪器中，在实际使用中只要键入材质及有效夹紧长度，智能仪器通过测量螺栓紧固前后的声时差即可根据式（5）推算出螺栓的轴向紧固应力。因此，智能化超声波螺栓轴向紧固应力仪的核心是微处理器与精密声时自动测量单元。

3.1实验室测量选两种与声时一应力关系标定实验不同尺寸的20号碳钢双头螺栓，将它们在拉伸前后（模拟实际的紧固）的声时测量值记录在超声波仪器中。两根螺栓的直径分别为48mm（称为螺栓A）、22mm（称为螺栓B），螺栓A的总长度248mm，螺栓B的总长度120mm.实验时紧固螺栓A的两螺母间距为146mm，取其有效夹紧距为194mm，紧固螺栓B的两螺母间距为65mm，取其有效夹紧距为87mm.给出了两螺栓在拉伸过程中智能化超声波螺栓轴向紧固应力仪测得的应力与电阻应变片测得的应力之差的结果（前者减后者）该图的横座标应力值以电阻应变片测得的应力为基准。

应力/MPa超声波与电阻应变片测得的应力之差阻应变片方法测螺栓紧固力的结果吻合较好，但两螺栓的超声波测应力与电阻应变片方法测应力之间有微小的趋势性误差。对螺栓A来看，两者测应力的偏差随应力值的增大有向正值增加趋势；对螺栓B来看，两者测应力的偏差随应力值的增大有向负值增加趋势，分析认为这可能有以下几个方面影响：（1）螺栓与螺母之间各细纹上的受力处于非理想状态，使得超声表1某电厂机组螺栓应力测量波方法测螺栓紧固应力中有效夹紧长度有些偏差；（2）如前所述的线性拟合曲线与实测关系曲线有一定的偏差。即使有这些误差因素，但由于其绝对值并不大，在工程应用上是可以接受的。

3.2现场测量现场测量是在某发电厂机组检修时进行的，被测双头螺栓的总长度为400mm、直径为50mm，材质为45CiMo.由于螺栓使用部位较重要，安装时用定力矩板手使得每根螺栓最终的紧固力矩一致。现场安装者确实使每根螺栓的紧固力矩相同，紧固螺栓的两螺母间距为296mm.本项工作测量了工件上所有螺栓的应力值。由于超声波螺栓轴向紧固应力仪测应力仅需螺栓的一个端面即可，因此测试工作方便迅速，为检修带来了便利，其中典型的10根螺栓测量结果见表1.从表1可了解到，尽管安装时每根螺栓的紧固力矩基本相同，但每根螺栓由超声波螺栓轴向紧固应力仪测得的应力值相差还是较大。由于作者研制仪器测量偏差一般在数个MPa，因此，可以认为这里的应力偏差主要是定力矩板手由力矩转换成螺栓轴向应力包含了各种摩擦系数不确定引的误差，这种误差有时确实相当大。经过仪器测试，使得检修人员直观地了解到螺栓的轴向紧固应力状态，通过进一步紧固调整，准确地控制了每根螺栓的轴向应力值。

螺栓序号应力/MPa（下转第63页）经验交流减少国产SF6微水仪耗气量大的措施金华电业局（浙江金华321001）徐康健SF6气体湿度是SF6电气设备运行中的一项主要质量控制标准。现场运行气的湿度检测由SF6微水仪完成。进口微水仪（或露点仪）由于价格昂贵，一般只有少数单位使用，而价格较低的国产微水仪在检修单位被广泛使用。目前国产SF6微水仪主要有三种型号：成都分析仪器厂的USI型、上海唐山仪表厂的DWS型及郑州光力公司的GLM型。USI型和DWS型采用P25电解池吸收电解电量的测定原理（电解法），GLM型则采用进口薄膜式氧化铝湿度传感技术（阻容法）。这三种仪器都有耗气量大的缺点，有必要采取措施克服之。

1仪器的干燥多数检修单位的微水仪干燥工作往往于检修前在化验室进行，仪器带到现场后就不再干燥（原因是氮气瓶笨重不便携带）。检修中的测试工作并不都连续进行，尤其遇阴雨天，测量时就要消耗更多的SF6气体。

建议使用适合现场用的8L小氮气瓶，在每天测量前先用氮气干燥仪器，可有效降低测量时的耗气量。

为提高干燥效果，USI型仪器内装有干燥器，而其它两种仪器没有，故在干燥时最好在氮气瓶减压阀出口处接一干燥器。

2降低或不用旁通流量为了减少采样系统外界水分对测量的影响，除应使用尽可能短的渗透性、吸附性小的管道及在测量前进行干燥等措施外，USI型和DWS型还采用了旁通技术。它通过增大采样总量使大部分污染水经旁路直接放空。当旁通流量为1L/min，测量流量为100mL/min时，由采样系统带来的污染水只有9%进入电解池。旁通技术的优点是显而易见的，但它是以增大耗气量10倍为代价的。实践证明，当仪器干燥后，气路污染很小且被测气样系湿度相对较高的运行气时，降低旁通流量甚至不用旁通，其试验相对偏差并不大。

曾对某运行中的SF6气体做过对比试验，当采用旁通技术测得该开关SF6湿度体积分数为238X106后再将旁通阀关闭，仪器显示的湿度上升到251X106（相对偏差为5.4%）。这种既满足试验要求又可降低耗气量的方法确实值得一用。

3减少测量时间电解池工作时水分的吸收和电解是不平衡的，仪器表头读数到最高值后由快到慢逐渐下降，其变化量与电解时间成指数关系。从理论上说，完全达到平衡需无穷大的时间，实际上表头读数降到一定值后，湿度对时间的变化率就已很小，在这种接近稳定的情况下读数是个近似值，误差不会大（GLM型情况也相似）。尽管如此，有时所需的测量时间仍较长，还会消耗很多SF6气体。这时可利用湿度读数降至标准以下即终止测量的办法，将耗气量减少到最低限度，也就是说，虽未测出湿度的近似值，但已满足工作要求。例如，某开关SF6气体湿度的运行标准为300X10+6体积分数，当仪器湿度读数降至290X10+6即读数时，该SF6气体的湿度在试验报告上应写成“<290X1（T6体积分数”其表示湿度在290X104以下，符合标准要求。

4结语理论与实验都说明了超声波声时差的方法测螺栓紧固应力是可行的，在建立的各种材料应力一声时差关系基础上研制的仪器具有推广应用价值。

超声波法测应力仅需螺栓的一个端面，工业性应用时不再需要附加的设备进行定期校验与校准，这给电站现场测量带来便利。该方法测量迅速，自动给出螺栓的轴向应力，通过应力测试仪器自行换算还可给出螺栓的伸长量及载荷。由于此方法是以被测件本身作为敏感器件，轴向应力是直接得到的真正的螺栓轴向应力，对设计与安装人员都有利用价值，它将从根本上改变螺栓紧固的随意状态。

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