水輪機渦輪螺栓多通道超聲波應力智能監測系統

項興華,薛楚揚,王 晨,李德紅,王志武

(1.國網浙江緊水灘電廠, 麗水 323000;2.武漢大學 動力與機械學院, 武漢 430072)

在水電機組中,許多重要結構部件均是通過螺栓實現連接的,如上下蝸殼、主軸、人孔門等[1]。螺栓安裝的質量直接關系到水電機組的安全。目前,螺栓安裝普遍采用扭矩法或扭矩/轉角法,存在不能準確確定實際預緊力大小的問題,即存在預緊力不足或預緊力過盈的問題。螺栓預緊力過盈,會引起塑性變形,螺栓根部容易產生裂紋;預緊力不足會導致連接不充分,連接處可能產生相對滑動或密封不嚴的問題[2]。俄羅斯的薩揚·舒申斯克水電站,曾因為螺栓-螺母出現松動而引起螺栓疲勞破壞,最終導致了水輪機重大事故[3]。

文章以水輪機渦輪35Cr Mo鋼連接螺栓為研究對象,通過拉伸試驗,測定彈性范圍內35Cr Mo鋼所受應力對應的超聲波橫波/縱波聲時比數值,建立超聲橫波與縱波的傳播聲時比與應力的關系式,通過軟件實現應力實時測定的功能,通過通道轉換器實現24通道測量的循環轉換,并在控制平臺實現數據顯示和功能控制,最終建立了一套基于超聲彈性效應原理的多通道超聲橫縱波螺栓應力智能監測系統。利用該系統,一方面,在螺栓緊固之后,可以即時測定實際預緊力大小以判定預緊力是否處于合理范圍,從而對過盈和應力不足進行補救;另一方面,在機組運行期間,可以監測螺栓的應力值及其變化,隨時判斷其安全性。

1 螺栓軸向預緊力檢測的超聲原理

在處于彈性應力狀態下的彈性固體中,超聲波(彈性波)的傳播速度不僅與材料的二階彈性常數和密度有關,還與高階彈性常數和應力有關,這種應力影響聲波傳播速度的效應稱為應力-聲學效應或聲彈性效應[4]。假設螺栓的長度為L,螺栓所受的應力為軸向應力σ,超聲橫波與縱波的傳播速度分別為vt,vl。則根據聲彈性理論,超聲縱波與橫波的傳播聲時比與應力的關系式為[5]

式中:St,Sl分別為超聲橫波和縱波的傳播聲時;R0為被測螺栓在無應力狀態時縱波與橫波的速度之比;CR為聲速比聲彈性系數。

對于具體螺栓材料,首先,未受應力狀態下測定其超聲波橫波與縱波的傳播聲時,從而確定R0值;然后,在不同彈性應力狀態下,測定其超聲波橫波與縱波的傳播聲時,建立超聲橫波與縱波的傳播聲時比與應力的關系,將此關系作為計算鋼材實際所受彈性應力的計算模型。

2 超聲縱波與橫波的傳播聲時比與應力關系的建立

螺栓起緊固作用的受力狀態必須處于彈性變形范圍內,即其最大承載應力須小于材料的彈性極限σe。在彈性變形范圍內,螺栓受到的應力與其應變之間呈線性關系。通過拉伸試驗,可以測定材料的彈性應力與彈性應變之間的線性關系。同時,在材料進行拉伸的彈性變形過程中,利用超聲儀測定超聲橫波和縱波在螺栓中的傳播時間,建立超聲波的聲時比-應力的關系模型,通過軟件計算得到應力值。根據測定的應力值,判斷螺栓預緊力是否處于安全范圍。

選取規格為M24×137 mm(直徑×長度)的35Cr Mo 鋼 螺 栓 共4 個,分4 次,在 三 思 縱 橫UTM5105電子萬能試驗機上依次施加0,50,100,150,200,250,300 k N 的拉力,同時,利用應力檢測專用超聲儀測定各拉力下的超聲波橫波與縱波在螺栓內部傳播的聲時。對4組試驗數據結果取平均值,獲得聲時-應力的關系。可見,螺栓的軸向應力與超聲橫縱波聲時比之間滿足式(1)中的一階線性關系,關系式為

螺栓軸向應力-橫縱波聲時比曲線如圖1所示,其中曲線斜率表示螺栓的橫縱波聲時比聲彈性系數,截距表示螺栓未受軸向應力時橫縱波的聲時比。式(3)即為通過測定的超聲橫波與縱波的傳播聲時值來得到所受彈性應力的計算模型,將其作為系統軟件的計算依據即可實現彈性應力的測定和計算。

圖1 螺栓軸向應力-橫縱波聲時比曲線

3 多通道超聲波螺栓應力檢測系統構建

3.1 系統硬件構成及功能

3.1.1 系統硬件構成

用于單根螺栓的超聲波應力檢測儀,由超聲波主機和超聲波換能器構成。為了實現多根螺栓的超聲波應力檢測,超聲波主機發射的信號需要一個轉換裝置,依次將超聲波主機發射的信號施加于各個探頭,分別實現檢測。信號轉換裝置又被稱為通道轉換器。為了實現監控功能,需要將超聲波主機的所有功能移植于外部工控機上,因此,該系統的硬件主要包括超聲波探頭、超聲波應力檢測儀、外部工控機4個部分。該系統共設置24個超聲探頭,可檢測24根螺栓的實時應力。每個探頭和主機構成一個通道,即系統共有24個通道。超聲探頭直接固定于螺栓的端部,由導線連接于通道轉換器上。系統硬件構成如圖2所示。

圖2 超聲波應力檢測儀系統硬件構成

3.1.2 超聲換能器

根據測定彈性應力的特定需要,開發了專用壓電式超聲橫縱波探頭,能夠同時發射和接收頻率為2.5 MHz的超聲橫波與縱波。換能器內置具有壓電效應的橫波晶片和縱波晶片,在高頻電脈沖的作用下,能將電能轉換成聲能,激發超聲波;反之,當換能器接收超聲波時,能將聲能轉換成電能[4]。超聲換能器規格為?16 mm×20 mm,由結構外殼、接頭、2根電纜線、壓電晶片、阻尼塊以及保護膜組成,其內部結構如圖3所示。工作時,超聲儀發出高頻脈沖信號,通過電纜線傳輸至壓電晶片時,產生逆壓電效應,激發壓電晶片振動產生超聲波。縱波壓電晶片產生垂直于晶片的振動,形成縱波;橫波壓電晶片產生平行于晶片的振動,形成橫波。同時,超聲換能器接收反射而回的縱波和橫波,并傳輸給超聲儀。

圖3 超聲換能器的內部結構

3.1.3 超聲波應力檢測主機

超聲波應力檢測主機通過不同電路和微處理器實現各項功能。主機電路主要包括發射電路、接收電路、聲時采集電路3個主電路和其他輔助電路。微處理器選用單片機。超聲波應力檢測儀系統構成如圖4所示,模擬電路結構如圖5所示。其工作過程為:由發射電路發射的高壓沖擊波激勵探頭,產生超聲縱波和橫波并在材料中傳播,傳播中經材料界面反射后被接收電路接收,經過單片機計算處理后,在液晶顯示器上顯示相關數值,同時在外部工控機上顯示和存儲。

圖4 超聲波應力檢測儀系統構成

圖5 超聲波應力檢測儀模擬電路結構

3.1.4 通道轉換器

通道轉換器由2塊集成電路板組成,每塊電路板控制12個探頭發射和接收超聲橫波與縱波,構成24個超聲波檢測通道,實現脈沖信號采集的轉換功能。每一個通道上均裝有用作通道切換的電磁繼電器,由系統軟件控制通道切換,通道切換時間約為1.5 s。

3.1.5 外部工控機

選用普通兼容計算機作為外部工控機,置于寬闊的水輪機外部平臺,便于操作和監控。用通信線纜將其與超聲波應力檢測主機連接。外部工控機包含超聲波應力檢測主機的所有軟件及功能,可實現操控系統的檢查功能。

3.2 系統軟件部分組成

軟件系統包括驅動程序和系統軟件兩部分。系統驅動程序用于驅動系統運行,并在時序上協調各硬件功能模塊的功能實現,包括超聲縱波和橫波的發射和接收。系統軟件實現濾波、聲時數據記錄、螺栓應力值計算、顯示、報警等功能,保證儀器的應力測量精度、抗干擾性和工作穩定性等。系統還構建了人機交流平臺。系統軟件的具體功能如下所述。

(1) 主顯示界面:為人工主要操作界面,對超聲波螺栓應力智能監測系統的聲時測量和應力計算結果、波形信號提供實時顯示,呈現方式為多級菜單。

(2) 自動檢測:對選定的被測螺栓以一定時間間隔自動進行應力檢測。

(3) 參數設置:對檢測參數進行輸入、選擇和測量,主要包括螺栓材料、螺栓類型、螺栓長度、螺栓夾緊長度等。

(4) 數據測量:同時檢測多個螺栓的軸向應力值,通過繼電器切換通道的時間間隔為1.5 s,每輪測量完成后進入下輪檢測的間隔時間可自行設置。

(5) 數據記錄:實時檢測超聲橫縱波波形,實時測量螺栓應力并記錄。

(6) 數據分析:存儲和調用螺栓應力測量結果,并生成應力檢測報告。

(7) 文件管理:導入或導出參數文件、報表文件、屏幕截圖等。

(8) 報警:在測量值超出預設緊固力范圍時進行示警。

軟件所用的編程語言為C++,軟件部分模塊結構示意如圖6所示,系統軟件功能構建如圖7所示。其中,溫度補償模塊的功能是:工件溫度波動比較大而引起內部超聲波傳播聲時發生改變時,對應力測量值的偏差進行補償。

圖6 系統軟件部分模塊結構示意

圖7 系統軟件功能構建

3.3 試驗驗證

3.3.1 力學性能結果及拉力范圍的確定

35Cr Mo鋼拉伸獲得的拉力和強度指標結果如表1所示,由表1可知,35Cr Mo鋼的屈服強度平均值為665 MPa,對應的拉力為301 k N。當拉力小于301 k N時,鋼材基本處于彈性變形范圍內,因此在超聲波縱波和橫波測定時,確定試驗加力范圍為0～300 k N。實際試驗時,選擇在拉力為0,50,100,150,200,250,300 k N時,進行超聲波縱波和橫波傳播時長的測定。

表1 35Cr Mo鋼強度指標k N·MPa-1

3.3.2 螺栓標定曲線的建立及分析

35Cr Mo鋼試樣在拉力為0,50,100,150,200,250,300 k N時,測定超聲波橫波和縱波的傳播時長結果如表2所示。以表2數據計算其聲時比,結果如表3所示。利用表3中的數據和對應的拉力,進行單組數據和取平均值后的超聲波橫波和縱波聲時比-應力關系擬合,擬合結果如圖8所示。由圖8可知,在彈性變形范圍內,35Cr Mo鋼的超聲波聲時比值會隨著彈性應力的增加而下降。同一個試件所受到的軸向彈性應力與聲時比值滿足式(1)中的線性關系;圖中每一條直線的斜率和截距都有所差異,這與螺栓材料內部晶粒度大小有關[6]。取平均值后,得到35Cr Mo鋼聲時比-應力關系曲線,為

表2 35Cr Mo鋼超聲橫波與縱波傳播時長測量結果

表3 螺栓超聲橫波聲時與縱波聲時比

圖8 35Cr Mo鋼聲時比-應力關系擬合結果

式中:σ為軸向彈性應力;Sl/St為縱波與橫波聲時比;曲線斜率表示聲速比聲彈性系數的倒數1/CR;截距表示未受軸向應力時超聲縱波與橫波的聲速比與聲速比聲彈性系數的比值R0/CR。

3.4 實際螺栓驗證及誤差分析

為了驗證所得出的彈性應力-聲時關系模型的準確性,選取同一批次4組試件,隨機選擇試驗力大小,進行實際應力測定和超聲波應力測定,并計算相對誤差,結果如表4所示。可知,利用超聲波縱波與橫波測定的應力值與實際應力值之間的誤差在0.04%～2.08%,其誤差完全可以滿足工程要求。

表4 試件應力檢測值及誤差

4 現場測定結果

利用該螺栓應力智能檢測系統,對水輪機渦輪12根螺栓進行實際軸向應力測定,結果如表5所示。

根據GB/T 15468-2020《水輪機基本技術條件》,正常工作和開停機時螺栓所受的綜合應力一般不超過螺栓材料屈服強度σs的2/3,此外,螺栓在施擰時的最大預緊力不得超過材料屈服強度σs的7/8。由表1可知,所測量螺栓的軸向應力值均在要求范圍內。

5 結論

(1) 針對35Cr Mo鋼螺栓軸向彈性應力測定,開發了一種專用超聲橫波-縱波探頭。由專用超聲橫波-縱波探頭、通道轉換器、超聲儀、外部工控機,構建了一套24通道超聲波水輪機螺栓軸向彈性應力智能檢測系統。

(2) 基于FPGA技術及數據算法,通過開發的系統軟件,實現了利用超聲橫波-縱波測定和計算35Cr Mo鋼螺栓軸向彈性應力的功能。

(3) 經拉伸試驗測定,在彈性范圍內35Cr Mo鋼螺栓超聲波縱波與橫波聲時比與彈性應力的關系為σ=-49 943.118Sl/St+90 393.469,以此作為利用超聲波測定35Cr Mo鋼螺栓軸向彈性應力的計算模型。

(4) 水輪機渦輪螺栓軸向應力實際測定結果表明,螺栓軸向應力值均滿足標準要求。