[发明专利]一种预紧件服役应力的无损监测装置和方法

说明书

本发明公开了一种预紧件服役应力的无损监测装置，其包括至少一个预紧件应力采集单元，所述预紧件应力采集单元包括超声体波传感器，可同时产生超声横波和超声纵波，其探头与被测预紧件一端面紧密贴合；超声体波采集仪，与所述超声体波传感器相连，并将所述超声体波传感器产生的超声横波和超声纵波转化为应力数据；其还包括与所述超声体波采集仪相连的监控分析系统，接收所述超声体波采集仪转化的应力数据并分析，以及根据应力分析结果做出监测措施。还公开了用该装置监测预紧件应力的方法，对应力过低、过高或异常情况下的不同服役状态下的被检预紧件采取不同监控措施，以免有危险发生，导致损财害命的发生。

技术领域

本发明属于应力监测技术领域，特别是指一种预紧件服役应力的无损监测装置和方法。

背景技术

螺栓作为工业现场中常用的连接件，普遍应用在航空航天、船舶轮机、桥梁建设、化工设备、新能源等领域的关键设备的连接处。其中，螺栓轴向应力作为影响螺栓性能、寿命以及使用状态的重要因素，愈发受到重视。由于栓体结构的特殊性以及轴向加载后螺纹部分的形变，给螺栓轴向应力测量带来了非常大的不确定性以及测量难度，近几十年来国内外都在积极地探索解决这一问题的办法。

顶盖、蜗壳及锥管等，均是水电站水轮机的关键部件，其结构和功能的完整性直接响机组的安全运行。而螺栓作为这些部分的核心连接部件，使顶盖能够完成装载活动导叶，以及水封形成流道的功能。如果这些位置的螺栓发生松动、失效甚至断裂等故障，会引起重大事故，如水流淹没厂房，甚至人员伤亡。

目前，工业现场常用扭矩扳手或测量螺栓伸长量来间接判断螺栓轴向紧固应力值大小，但由于螺杆滑动摩擦副摩擦力的影响，真正能够使螺栓产生轴向应力的扭矩不到扭矩扳手面板数值的20％，扭矩扳手显示的拧紧数值与实际螺栓的受力状态差异很大，通过对中电十四所的1000多组雷达T/R组件水嘴螺纹口的拧紧应力状态监测分析可知，30％多处于松弛状态而导致30％的水嘴螺纹孔有泄漏隐患、30％多处于拧的过紧状态而导致30％的水嘴螺纹有开裂的隐患，只有30％左右处于良好的拧紧状态。国内外对螺栓轴向应力无损监测开展了脉冲回波反射法、渡越时间法、相位法等技术的研究，但是这些方法由于无法获得已安装螺栓或埋深地脚螺栓的长度而无法有效获取螺栓的服役轴向应力状态。因此，螺栓紧固力和服役应力的现场原位无损监测和连续监测成为工业领域的一个技术难题。

文献检索发现，专利申请号为CN201810124284.3的专利公开了一种基于压电超声晶片的螺栓预紧力实时高精度监测方法及系统，采用压电超声晶片作为超声激励源粘贴于螺栓头部，利用超声波单波飞行时间差随应力值变化规律，实现螺栓预紧力的实时监测。该方法使用单一形式的超声波，将应力仅与螺栓长度变化对应的声时变化量建立联系，忽略了应力对超声声速的影响，监测结果存在明显的误差。

专利申请号为CN201810365953.6的专利公开了一种在役螺栓轴力的监测方法、监测系统及监测装置，综合考虑螺栓的材料常数对螺栓轴力的影响，以及螺母受力区长度和螺母受力区内轴正应力因子对螺栓轴力的影响，利用超声波渡越时间—轴力模型，有效地测量在役螺栓的轴力大小。但该方法中，超声波激发装置和接收装置相对设置在待测在役螺栓的两侧，对耦合状态和激发接收装置的同轴度要求较高，而且，工程现场上使用的螺栓大部分是一端露在外面、另一端在盲孔里或穿过式，现场无法安装监测和监测探头，实践工程难以应用推广，应用价值较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种预紧件服役应力的无损监测装置和方法，用于对在役预紧件的应力进行原位无损监测，预防事故发生，减少损失。

本发明一种预紧件服役应力的无损监测装置，其包括至少一个预紧件应力采集单元，所述预紧件应力采集单元包括

超声体波传感器，可同时产生超声横波和超声纵波，其探头与被测预紧件一端面紧密贴合；

超声体波采集仪，与所述超声体波传感器相连，并将所述超声体波传感器产生的超声横波和超声纵波转化为应力数据；