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1、超声波检测技术在风机塔筒紧固螺栓探伤中的应用介绍中文摘要：塔筒是风力发电机组的主要承重部件，一般由 3 至 4 段短锥型筒通过法兰螺栓连接而成。塔筒高强紧固螺栓连接处所处环境恶劣，受力复杂，易出现裂纹及断裂情况,所以对其螺栓探伤的工作有着重要的意义。如何能检测更小裂纹缺陷,更快更方便的发现缺陷 ,一直是螺栓检测的重点难点，超声检测是目前研究最热的检测技术之一，本文介绍了超声波检测技术在塔筒螺栓检测探伤中的应用。关键词：塔筒，螺栓探伤，超声波检测Abstrcat：Tower drum is the main bearing parts of wind turbine, which is conn
2、ected by 3 to 4 short conical tubes through flange bolts. Because of the bad space environment and complex loading ,the high strength bolts of tower drum easy to appear to the scenario of crack and fracture easily. Its An important topic to research the bolt inspection and how to detect smaller crac
3、k defects effectively has been the focus of the bolt inspection. Ultrasonic testing is one of the hottest testing technology research recently. This paper introduces the application of bolt inspection of drum tower with ultrasonic inspection technology.Key words: tower drum, bolt inspection, ultraso
4、nic inspection1.序言风力发电机由叶片、轮毂、主轴、机舱和塔筒等组成，塔筒是风力发电机组的主要承重部件，大型风力机塔筒一般都在几十米以上，重量为风力机组总重量的 50%以上1。风场的塔筒一般由3 至 4 段短锥型筒通过法兰螺栓连接而成，螺栓连接处所处环境恶劣，受力复杂，易出现松动及裂纹缺陷，这些缺陷一般不易被发现,在缺陷发展一定程度时,造成重大安全事故,严重威胁人生安全。螺栓连接的可靠性直接影响到整个风机机组的可靠性。螺栓缺陷的定量分析结果至关重要，应尽可能早的发现裂纹缺陷,以便及时更换,把隐患扼杀在摇篮中。因此如何能检测更小裂纹缺陷,更快更方便的发现缺陷,一直是螺栓检测的重点难
5、点。目前关于塔筒螺栓连接强度理论分析有对螺栓组联接受轴向载荷或受倾覆力矩的分析等方面2。2.超声波无损检测研究现状超声波技术无损检测技术在近 20 年取得了巨大的发展，并随着计算机和信号处理技术的发展，超声波检测的可靠性已大大加强3，超声检测是目前研究最热的检测技术之一。由于超声波的多样性，故超声检测方法也是多种多样。目前研究最热的就属超声导波检测和相控阵技术。针对螺栓超声检测，目前检测的主流还是采用常规的直探头与小角度纵波斜探头检测。其检测原理为：螺栓上，螺纹之间的间距是一样的，那么超声波遇到每个螺纹并反射被接收换能器所接收到时，其波形在示波仪上呈现一定的规律。若螺栓之间存在裂纹，则示波仪上
6、波形就会出现不规律的波形，从而判断螺纹内存在缺陷裂纹。3.塔筒螺栓超声波无损缺陷检测工艺介绍本文介绍一种风电塔筒高强度螺栓超声波无损缺陷检测工艺，以 DL/T694-2012高强紧固螺栓超声检测技术导则为标准，适用于直径不小于 M32 的低合金高强紧固螺栓的超声检测。3.1 检测前准备（1）将螺栓拆下进行检测，检测表面应打磨，其表面粗糙度应不大于 6.3m。如无法拆卸的螺栓断面应平整且与轴线垂直。（2）超声检测前宏观检查合格。（3）螺栓的检测区域应覆盖螺栓的全体积，应关注应力集中部位，例如接合面附近一至三道螺纹根部（如图 a 区） 、退刀槽附近（b 区）及两区之间受力较大区域（c 区） 。图
7、1 螺栓检测重点受力区3.2.检测工艺（1 ）采用小角度纵波斜探头进行超声检测。（2 ）采用 PXUT-350C 型 A 型超声波探伤仪。检测面（3 ）小角度纵波斜探头的折射角应根据探测的螺纹区长度及端面直径来确定4，本次应用中选取为 6至 8.5，频率为 5MHz，探头晶片尺寸如表 1 所示。表 1 探头晶片尺寸螺栓规格 M56 M56，M100 M100晶片尺寸 7mm12mm 9mm12mm 13mm13mm（4 ）单斜探头声速轴线水平偏离角不应大于 2，主声速在垂直方向不应有明显的双峰或多峰。（5 ）探头中心频率允许偏差应为0.5MHz。（6 ）试块型号为 LS-I,采用 20 号优质
8、碳素结构钢加工制成。（7 ）扫描速度在 LS-I 试块上按深度定位法调整，扫描时基线比例应根据螺栓（螺纹）长度而定，最大检测范围应至少达到时基线满刻度的 80%。（8 ）将 LS-I 试块上与被检测螺栓最远端螺纹距离相近的 1mm 横孔最高反射波，调整到 80%屏高作为基准灵敏角，再根据被检螺栓的规格和结构形式提高一定的增益作为检测灵敏度，如表 2 所示。当检测范围超过 200mm 时，每增加 10mm，应在原有的检测灵敏度基础上再增加 1dB。表 2螺栓形式 被检部位 检测灵敏度 判废灵敏度本侧 1mm-6dB 1mm-4dB低合金螺栓 无中心孔刚性对侧 1mm-14dB 1mm-10dB（
9、9）对无中心孔单头螺栓的扫描方式是从一侧端面一次扫查本侧；螺栓端面沿径向齿根方向作锯齿型扫查。（10）采用半波高度（6dB）法测定缺陷指示长度，移动探头，找到缺陷最强反射波，将波调整到80%屏高，向左或向右移动探头，当波高降至 40%屏高是，在探头中心线所对应的螺栓上做好标记，然后向右（或向左）移动探头，同样使波高降到 40%屏高并做好标记，两标记间的距离即为缺陷的指示长度。3.3 评定（1）凡判定为裂纹的螺栓应判定为废品。（2）刚性螺栓裂纹判定规定：缺陷信号波幅不小于 1mm-4dB 反射当量，且指示长度不小于10mm，应判定为裂纹。（3）缺陷信号的识别a.波形：裂纹波形、清晰、陡直、尖锐。
10、b.底波变化：对于较大的裂纹底波明显减弱甚至消失。C.螺纹波的变化：紧靠裂纹波之后的螺纹波由于裂纹波的遮而消失或减弱。d.有裂纹与无裂纹时的波形观察：图 1 波形观察4、工程应用本文按照 DL/T694-2012 标准，采用上述检测工艺对某风场 45#风机上、中、下塔筒共 375 个高强紧固螺栓（42 CrMo）,包括基础环与下塔筒连接螺栓 (1140)、中下塔筒连接螺栓(1125)、中上塔筒连接螺栓（1110）进行超声波检测，螺栓不用拆卸，由于螺栓齿根产生的裂纹通常出现在螺栓紧固结合面附近的第 13 道螺纹处，且沿着螺栓的横断面发展成为横向裂纹，用纵波小角度斜探头放在螺栓端面上检测，主要声束
11、正好与裂纹面垂直，信号非常强烈，有利于发现裂纹。螺栓 42 CrMo 是一种不带孔的刚性螺栓，裂纹波形特点是裂纹波形清晰、陡直、尖锐，部位一般在结合面附件 12 道螺纹处，对于较大的裂纹，底波明显减弱甚至消失，紧靠裂纹波之后的螺纹将由于裂纹的遮挡而消失或减弱。在对上述 375 个螺栓进行超声波检测时，反射波形在荧光屏上出现螺纹多次且有一定的规律，没有裂纹波形，说明螺栓合格。5. 结论综上所述，采用纵波小角度斜探头的超声波检测能解决塔筒连接螺栓探伤的问题，但是对齿根裂纹信号和假信号的辨识，需要进一步的发展和研究，正确使用超声波检测方法是帮助提高螺栓探伤的准确性和工作效率的关键。参考文献1 李宗福，张有闻. 风力发电机塔架设计综述J. 低温建筑技术，2007， （4 ）：79-81.2 濮良贵, 纪名刚 . 机械设计M . 北京: 高等教育出版社, 2000.3张俊 .基于声弹性原理的超声波螺栓紧固力测量技术研究D. 浙江大学，2005.4宋世桥.在用高压螺栓 M64 超声波检测的探讨 J.无损探伤，2008,2（32）.
