在工業領域，螺栓被稱為“工業之米”，屬于緊固件的范疇，是應用最廣泛的基礎零件之一，在工程建筑、軌道交通、航空航天等各行各業中扮演著至關重要的角色，而作為近十年發展迅速的風電領域也對螺栓等緊固件有著嚴格的要求。

 

風電機組高強螺栓主要用于重要結構之間的連接，是風電機組的關鍵組成部分，影響著風電機組構件之間的連接可靠性和整個風電機組的服役效果及壽命。據統計，風電高強螺栓約占整臺機組螺栓的77%，以某3 MW風機為例，高強度錨栓216支、塔筒螺栓432支、葉片螺栓336支、其他連接件約300支。

 

在復雜的應力、高溫高壓、周期振動等各種惡劣工況下工作，風電高強螺栓很容易產生裂紋，這些裂紋一般不易被發現，但在裂紋發展一定程度時，就經常會發生脆性斷裂，從而造成重大安全事故。

 

因此，風電高強螺栓原位檢測技術研究迫在眉睫，為了確保工業安全，必須盡早發現裂紋缺陷，以便及時更換，把隱患扼殺在搖籃中。作為目前無損檢測領域熱度較高的超聲波技術成為了研究重點，該技術也逐漸向螺栓軸向應力和疲勞裂紋的檢測應用發展。

 

螺栓檢測技術

 

1.螺栓缺陷檢測技術

 

目前對螺栓的檢測主要包括出廠或拆卸檢測和原位檢測，其中出廠或拆卸檢測以常規無損檢測為主，輔以金相檢測分析，原位檢測即是在螺栓服役不拆卸狀態下進行檢測，可以采用超聲檢測技術。

 

1.磁粉檢測

 

磁粉檢測技術是一種用于檢測鐵磁體表面或近表面的微細損害的方法，利用磁粉進行螺栓檢測時，需將螺栓進行縱向磁化，在螺栓端面磁化，磁場將與螺紋平行，很難發現環向裂紋。對于不允許拆卸或難拆卸的情況，此種方法難以使用。 

 

2.滲透檢測

 

滲透檢測可用于檢測結構件表面的裂紋、氣孔、縮孔、疏松等缺陷，可應用于檢測有色金屬的鍛件、冶金件、焊接件以及各種陶瓷、玻璃制品，適用于原材料、在制零件、成品零件和在役零件的表面質量檢驗。

 

3.渦流檢測

 

載有交變直流的檢測線圈接近被檢測的導電試件時，表面和近表面將感應出渦流。通過測定檢測線圈阻抗的變化，即可非破壞性地判斷出被檢件有無缺陷的信息。利用渦流對螺栓進行無損檢測無法準確有效地檢測出螺栓頭與桿結合部位以及螺紋尾部的缺陷。 

 

4.聲發射檢測

 

聲發射技術作為一種動態無損檢測技術，被用作監測材料損傷現象，而螺栓斷裂前必會在材料層面有顯著的聲發射現象。彈性波可被傳感器采集并轉換為聲發射信號，這種信號可以作為評判螺栓是否發生損傷的依據。但聲發射檢測技術對于檢測人員的數據處理能力、專業能力要求較高，運用聲發射技術檢測原位螺栓無法滿足檢測的時效性要求。

 

5.超聲檢測

 

以上四種常規無損檢測方法不適于原位螺栓檢測應用，超聲檢測具有檢測準確率高、設備簡單、操作便捷的優點，可以實現螺栓的高效原位檢測。目前的研究熱點聚焦在相控陣超聲檢測技術，其檢測原理如圖1所示。

 

通過控制每一個晶片的激發時間，可以達到控制波陣面的效果。若在某個位置需要一個聚焦或者偏轉的波陣面，則可根據不同陣元發射子波傳播到設定位置的時間進行相應的延遲控制，便可以實現相控聚焦或者偏轉的功能，如圖2所示。各晶片產生的超聲波疊加之后合成的超聲波與單個相同面積同樣晶片產生的超聲波基本一致。

 

 

相控陣超聲檢測等同于同時擁有許多角度的超聲波，多種角度的探頭同時工作，具有聚焦功能，可以檢測復雜工件，缺陷顯示直觀。

 

全聚焦成像是一種新的相控陣成像技術，是基于全矩陣采集數據進行的一種后處理成像算法，如圖3所示，全聚焦技術是對檢測區域內的每一個像素點都進行類似于相控陣技術的延遲聚焦計算，使得每個晶片都接收所有晶片的聲場回波信號，然后進行疊加。通過全矩陣捕捉實現更高精度的分辨率和更高的檢測靈敏度，增強結果的可視化程度，使得結果顯示更直觀、更簡潔。

全聚焦相控陣技術具有圖像分辨率高、聚焦效果好、信噪比高、缺陷檢出率高、誤判率低、有效聲場覆蓋范圍寬等優勢。

 

2.螺栓應力檢測技術

 

螺栓預緊力的大小是評價當前螺栓可靠性的關鍵指標，螺栓在服役過程中所受到的沖擊、振動、動態負載及沉降、蠕變、弛豫均會引起螺栓的預緊力降低。預緊力異常不僅會導致結構失效，從而造成經濟的損失，還可能造成更嚴重的安全事故。

目前，國內外針對螺栓應力檢測的方法主要有扭矩扳手法、應變片法、壓力傳感器法、光纖光柵法、超聲波法等，具體如圖4所示。超聲波法是基于材料的聲彈性效應，通過研究螺栓軸向應力與超聲波傳播時間變化，利用發射和接收時間差測量螺栓的軸向應力。

 

螺栓超聲缺陷檢測

 

1.試驗對象

 

螺栓超聲缺陷檢測是利用超聲脈沖反射法， 整個檢測過程在不破壞防腐封閉涂層、不影響正常使用的情況下進行，省時省力，工序簡單。

 

以風電機組大規格六角頭塔筒螺栓為超聲缺陷檢測研究對象，根據風電機組機型規格的不同，其塔筒螺栓規格也有區別，目前常用的塔筒螺栓有M36、M42、M48、M56、M64五種規格，長度在200~500 mm范圍之內。本次選用了42CrMoA的M56×285塔筒螺栓進行試驗，如圖5所示。

 

2.試驗研究與分析

 

為驗證螺栓超聲缺陷檢測能力，并對比常規相控陣超聲檢測和全聚焦相控陣超聲檢測的優缺點，首先通過線切割的方式在距螺紋端面26，63，173，225，267 mm五個位置自制了深度為1.5 mm、寬度為10 mm的缺陷，具體位置如圖6所示。

在利用超聲波法檢測螺栓缺陷情況前，需要了解被檢測螺栓的規格、材質和結構形式；按產品技術條件校準檢測系統；清理或打磨檢測端面的氧化銹斑、油污以及防腐鍍層脫落造成的端面不平等。

 

為驗證常規相控陣超聲檢測和全聚焦相控陣超聲檢測應用于螺栓無損檢測的效果，利用不同設備對該試驗螺栓進行檢測。

對螺栓進行超聲缺陷檢測時，將超聲探頭直接貼合在涂滿耦合劑的檢測端面，然后通過旋轉探頭角度觀察檢測結果圖像，確定螺栓狀態，超聲檢測結果為平行于探頭方向的豎直扇形掃描內部成像，由于缺陷的位置不在同一豎直線上，因此需要探頭旋轉到不同的角度才能檢測到不同的缺陷，具體檢測結果如圖7和圖8所示。

從圖中可以看到，當螺栓無損傷時，螺紋信號穩定清晰，間隔均勻，沿深度方向能量逐漸降低，圖像顏色也隨之變淺，光桿回波幅度較低，無明顯顯示；當螺栓有損傷時，螺紋部分的損傷會使原均勻的螺紋信號間出現異常信號，光桿部分的損傷在掃描圖像中會存在顏色突變。

根據上述檢測結果圖，將檢測結果總結如表1所示，常規相控陣超聲檢測檢出率為80%，檢測位置絕對精度誤差不超過4 mm；全聚焦相控陣超聲檢測缺陷檢出率為100%，檢測位置絕對精度誤差不超過3 mm。

 

表1 試驗螺栓超聲缺陷檢測結果統計

常規和全聚焦相控陣超聲檢測均能滿足螺栓缺陷檢測要求，全聚焦相控陣超聲檢測檢出率高、誤判率低，且工作效率高，但設備價格高，對于長度在400 mm以上的螺栓，檢測能力低于常規相控陣超聲檢測。

 

3.原位檢測

 

利用常規相控陣超聲檢測儀對螺栓進行原位缺陷檢測，共計檢測60根螺栓。檢測過程中發現螺栓出現異常信號，在55 mm左右處存在缺陷，將此螺栓進行拆卸，并利用鐵刷等物理工具進行表面處理，檢測及實際結果如圖9所示，缺陷大致為長4 mm、寬1.5 mm、深1.5 mm的蝕坑。

通過相控陣超聲檢測的實際應用證明，該技術可滿足螺栓缺陷原位檢測使用，而且檢測靈敏度高，能檢測長度長、距離遠的缺陷。在風電機組的安全、穩定運行中具有重要的技術支持作用，在生產、使用、維護等過程中都可以發揮一定的作用。

 

螺栓超聲應力檢測

 

1.檢測對象

 

以風電場常用的42CrMoA的葉片螺栓為研究對象，本次檢測對象為M36×767的雙頭螺栓。利用超聲波法檢測螺栓預緊力時，按照以下四個步驟進行：

 

① 螺栓超聲系數標定；

 

② 參考螺栓測試；

 

③ 設置儀器參數和螺栓編號；

 

④ 檢測及數據處理。 

 

2.試驗標定

 

通過拉力試驗機對螺栓超聲系數進行標定，根據螺栓彈性范圍、工作應力以及設備標定需求，將標定拉力范圍為150~450 kN，以75 kN為間距，設置5個點位進行該型號螺栓的聲時數據測量。拉力機試驗界面如圖10所示。

 

為準確測得螺栓的超聲系數，利用兩根同規格、同材質螺栓分別開展了3組試驗。標定時超聲縱波和橫波信號如圖11所示。

應力檢測儀進行聲時比計算及數據擬合，得到超聲波各項系數，通過多組數據求平均得到螺栓的標定系數，標定報告如表2所示。

表2 葉片螺栓標定報告

 

3.原位檢測

 

利用已標定的超聲波系數，通過手持式超聲應力檢測儀對某風電場安裝后的葉片螺栓進行檢測，首先對零應力螺栓進行檢測，獲得如圖12所示的超聲波信號圖，信噪比較高，可以有效測得螺栓零應力狀態。

 

 

然后對128根原位葉片螺栓進行檢測，通過手動選波的方式對螺栓力值進行修正，檢測數據如圖13所示。

 

本批次螺栓安裝預緊軸力設計值為350 kN， 由于扭矩法安裝螺栓預緊力存在很大散差，現場將設計預緊力的±30%作為偏差范圍，經過對檢測結果的數據分析，本批次葉片螺栓平均軸力為352 kN，4根存在欠擰問題，2根存在超擰問題，對該部分螺栓進行復驗，檢測結果仍存在問題，所以對該部分螺栓進行了重新預緊。

 

結論

 

風電機組對于高強螺栓原位檢測有著強烈需求，原因歸納如下：

 

1.風電機組制造難度大、周期長、造價成本高，高強螺栓失效會導致局部系統失效、甚至是風電機組整體失效；

 

2.國內高強螺栓等風電零部件存在疲勞強度低、耐腐蝕性能差、壽命短等問題；

 

3.葉片螺栓、錨栓、塔筒螺栓等與傳統標準件規格尺寸、服役環境、失效行為、維護方法等均存在較大差異，傳統標準件檢測技術與經驗并不完全適用。

 

將超聲技術應用于風電高強螺栓原位檢測具有以下幾個優勢：

 

1.超聲應力檢測對螺栓應力變化表現敏感，對于螺栓原位應力檢測操作簡單、效率高，在常規葉片螺栓的應力檢測中可以準確把控各螺栓應力值趨勢和應力散差。

 

2.超聲缺陷檢測技術檢測圖像直觀，便于清晰地識別缺陷，據試驗統計，缺陷檢出率可達80%以上，針對1.5 mm深度的缺陷，準確率在90%以上。

 

3.從試驗和原位檢測兩方面考慮，超聲檢測技術可滿足風電高強螺栓原位檢測需求，對于保證風電機組安全運行具有重要意義。

 

作者：賈艷偉，楊中桂，鄭翔南，李夢晗，趙智壘

工作單位：中船海為高科技有限公司、中國船舶集團有限公司第七一三研究所、河南省預應力高強度栓接結構連接件工程研究中心

來源：機電產品開發與創新

轉自：智能緊固件及緊固工具