應用背景

薩某水電站2號機組因超負荷運行，導致水輪機頂蓋的錨定螺栓被拉斷。斷裂后，機組轉動部件及頂蓋在巨大水壓下向上拋出，破壞廠房結構，引發水淹廠房的連鎖災害，造成75人死亡、13人受傷，多臺機組完全損毀。

山西某風電場43#塔筒從中、下段法蘭連接處折斷倒塌，主機隨同塔筒上段和中段朝著主導風向北偏西60度方向，法蘭盤脖頸距端部12mm處撕裂近三分之二（連接螺栓83孔），三分之一螺栓斷裂（42個），中塔筒下法蘭約三分之一撕裂隨中塔筒倒下。

預緊力（或軸力）是螺栓連接設計和使用的唯一指標，超過 80%的螺栓失效是由于初始緊固螺栓預緊力不足導致。

主因1：疲勞斷裂

螺栓由于扭矩法考慮不足造成預緊力不足，在交變應力下使螺栓產生疲勞裂紋，最終擴展發生了斷裂。斷裂位置多位于螺栓與螺母螺紋接觸的第一齒應力較集中處。葉片螺栓居多。

主因2：螺栓受剪后疲勞斷裂

預緊力不足導致被連接件連接件在運行中產生滑移和錯位，碰磨和剪切螺栓，螺桿表面損傷形成裂紋源引起疲勞斷裂。葉片螺栓居多。

主因3：過載斷裂

主要源于裝配時預緊力過小或失效，從而導致一部分螺栓承受過大載荷，當載荷大于螺栓的抗拉強度時，螺栓發生斷裂。常見于塔筒螺栓。

產品價值

直接測量螺栓受力情況及預緊力衰減的變化情況：通過超聲縱波測量螺栓按當前設計工藝安裝完成后，不同分布螺栓安裝后的受力（預緊力）情況，和一段時間內螺栓受力（預緊力衰減）的變化情況。

驗證、確定緊固工藝：通過超聲縱波測量試驗能夠可靠、完整的得出安裝之后的螺栓軸力及軸力的損失量。保裝配質量，并對關鍵部位螺栓實現周期性的軸力測量。 

有助于提高機械連接的安全性和可靠性，避免因螺栓松動或斷裂導致的設備故障或安全事故。

技術原理

螺栓預緊力在線監測系統是根據聲彈性理論，通過測量超聲波在螺栓等緊固件中傳輸時間的變化，計算出螺栓應力、軸力、伸長量等數值。結合數字、可視化報表組合的形式展示各個監測設備的最新監測數據，給出報警信息。

解決方案

系統組成-總體架構

超聲波螺栓檢測原理

螺栓在自由狀態下，螺栓內部不存在預緊力，而螺栓在緊固狀態下，由于預緊力的作用，螺栓將發生形變，因此此時螺栓的變形量為ΔL，螺栓監測系統依據ΔL與預緊力F之間的數學關系，計算得到預緊力F，該數學關系如下：

其中，F為螺栓的預緊力；E為螺栓材質的彈性模量；S為螺栓截面積；ΔL 為螺栓的變形量；L為螺栓副的裝夾長度。

螺栓監測系統發射和接收超聲波脈沖電信號、測量并計算發射和回波電信號之間時間差。螺栓在自由狀態下，發射和接收電信號之間的時間差為T0，螺栓在緊固狀態下，螺栓發射和接收電信號之間的時間差為T1，由此依據電信號收發時間差與螺栓的變形量的關系，得到螺栓的變形量：

公式中v為機械縱波在螺栓內的傳播速度。圖1為超聲波螺栓軸力測量示意圖，圖2 超聲波螺栓軸力測試原理框圖。

方案優勢

通過超聲波換能器能直接測量螺栓所承受的軸向應力，測量誤差小，該方法具有更高的測量精度。螺栓的應力函數一旦建立就可以實時地在線監測螺栓的應力狀態。可以檢測在役螺栓，判斷螺栓的松緊狀態。

應用場景

頂蓋螺栓探頭安裝

機組拐臂螺栓

案例展示

升船機翻版閘關鍵螺栓預緊力監測

機組拐臂螺栓預緊力監測