[发明专利]一种在线测量高温螺栓轴力的超声探头

说明书

本发明涉及一种测量高温螺栓轴力的一体式和分体式超声探头，一体式超声探头直立安装，分体式超声探头弯曲安装。所述的一体式测量高温螺栓轴力的超声探头可分别激发与接受SH0波和A0波；所述的分体式测量高温螺栓轴力的超声探头，包括可激发与接受SH0波的SH0探头，和可激发与接受A0波的A0探头，两探头需配合使用。本发明基于SH0波与A0波传播时声波能量集中在螺栓中央，且当螺栓轴力变化时SH0波与A0波的波速变化不同的特性，引入波导杆作为高温螺栓与易受温度影响的超声换能器之间的传播媒介，确保超声换能器能长时间在舒适环境中稳定工作，以达到测量高温环境下的螺栓轴力的目的。

技术领域

本发明涉及一种在线测量高温螺栓轴力的超声探头，具体涉及在线测量高温螺栓轴力的一体式超声探头和分体式超声探头，该装置可对高温环境中的螺栓轴力进行在线长期测量。属于超声无损检测领域。

背景技术

压力容器、管道等承压类特种设备广泛用于石化、电力、冶金等国民经济支柱领域，大多在高温高压等严苛环境下工作。近年来，随着减碳增效的需求增大，承压设备朝着高参数、重型化和长寿命服役等极端化方向发展，螺栓是这些承压类设备装配的关键元件，螺栓轴力变化引起的泄漏是行业最大的安全隐患。施加于螺栓上的预紧力对于螺栓的使用状态、性能和寿命都有较大的影响。预紧力太小容易导致联接的不可靠，工作时产生振动松弛、结构滑移等现象；预紧力太大就会增加螺栓的负荷，使螺栓极易断裂，从而削弱该节点的承载力，严重时可能诱发结构失稳；而由于交变载荷引发的螺栓松动且很难被检测到，最终造成巨大破坏与损失。因此，实时监测螺栓轴力对于确保螺栓组装结构的稳定性和可靠性至关重要。

常用螺栓轴力的测量方法有扭矩扳手法，黏贴应变片法，应力垫圈法，植入应变片法，植入光纤光栅法、超声波测量技术等。在工程中，施工人员常采用扭矩扳手法控制连接结构中的螺栓轴力，手动扭矩扳手或气动、液压或电动扳手通常用于通过拧紧扭矩间接控制螺栓预载。这种方法操作简单，成本低，但对螺栓轴力的测量精确不高；黏贴应变片法是工程中常用的螺栓轴力测量方法，通过测量螺栓表面的应变，计算出被测螺栓表面的应力，实现螺栓轴力检测。但应变片在高温中会发生应力松弛现象，无法满足长期监测的需求；应力垫圈法是将压力传感器做成垫圈的外形，将其像普通垫圈一样装在螺栓头的下方，监测螺栓的轴向力。但是这种方式改变了连接件原有的安装标准，无法大量使用；植入应变片法与植入光纤光栅法类似，均需在螺栓顶端沿轴向加工一个小孔，并在其中埋入应变片(或光纤光栅应变传感器)，应变片(或光纤光栅应变传感器)在螺栓内部感知螺栓变形，进而实时测量螺栓轴力。这类方法改变了螺栓的强度，高温高压类装置的密封不允许这种操作。

为了寻找一种不对螺栓有任何改变的螺栓轴力测量方法，US2012222485A1和EP1776571A1专利发布了基于超声波测量技术的螺栓轴力测量系统，提升了部件连接稳固性和可靠性。CN109781332A、CN109668672A通过超声波测量螺栓自由状态和紧固状态下的声时差，基于所述声时差计算螺栓的伸长量，进而求出螺栓轴力，达到对螺栓轴力测量的目的。CN108387338A公开了一种基于压电超声晶片的螺栓轴力实时高精度检测方法及系统。利用超声波单波飞行时间差随应力值变化规律，建立起超声波飞行时间差与螺栓轴力之间的高精度拟合关系，实现螺栓轴力的实时检测。但是这些方法不能对高温螺栓在役期间的螺栓轴力进行长期监测。

为了设计一种在线测量高温螺栓轴力的超声探头，本专利利用SH0波与A0波传播时声波能量集中在螺栓中央的特性，设计波导杆作为高温螺栓与易受温度影响的换能器之间的声波传播媒介，确保超声换能器能长时间稳定工作，以达到精确测量高温环境下的螺栓轴力的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为高温环境下螺栓轴力的在线监测提供一种可靠的、便捷的超声测量探头。

本发明是通过下述技术方案实现的：