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1、螺栓应力测量的超声波法综述2l31994INFORMATIONONE!Q垦?21?螺栓应力测量的超声波法综述华北电力学院王璋寺梁立德威郭铁桥7t3t,3摘要全面介绍丁超声波螺拴预紧力的测量方法,讨论影响测量精度的主要因素,井给出了饪正补偿的方法.最后结合电力系统的具体情况,指出了此方法在ca;-中应用时必须解决的几个理论和技术难点.关键词螺棰预应力超声波剐量温度补偿,.一一些进展4.本文垒面介绍了超声波螺检1引言螺拴是工程中普遍应用的一种联接方式,施加于其上的预应力对于联接件的性螺检中,如果预紧力过大,就会导致垫片压渍,法兰变形过大等机械损伤;反之,假设螺栓预紧力缺乏,不但会引起泄漏,而且还会
2、加剧联接部件的振动,造成接口松脱等故障.在电厂中,由于不能很好地控制汽轮发电机组中大轴联接螺栓的预紧力,导致大轴弯曲而诱发汽轮发电机组轴系的振动.同样,在管路中那么会造成高压气体的泄漏.因此,在工程中对螺栓预紧力控制的必要性是众所周知的.但是,由于许多难以预测的因素直接影晌着螺检预紧力精度的控制,在现场安装过程中如何精确地控制预紧力的大小,以及如何对在役螺栓预紧力进行监测,一直是一个亟待解决的问题.传统的控制螺栓预紧力的工具,如扭力扳手,液压拉伸器等部局限于安装时预在役螺栓的剩余预紧力那么完垒是不可能的.在过去的十多年内,国外提出了一种新的监测控制螺栓预紧力的方法超声儆了一些理论和实验研究工作
3、,取得了一预紧力的测量方法,讨论影响测量精度的后结合电力系统的具体情况,指出了此方法在电厂中应用时必须解决的几个理论和技术难点.2螺栓应力测量的原理螺栓应力测量的原理是声弹性理论在工程中的应用.根据声弹性理论的观点,来说是非线性的,但在工程应用的精度范围内,以进行应力分析测量为目的时,把际测量时的超声波的类型不同,超声波螺栓应力测量有以下两种根本方法.把螺栓的应力状态看成单向应力状(=0)时的超声纵波传播速度,表示螺栓应力(o->O)时的超声纵波传播速度,由声弹性理论可知(p0,z,均为材料常数)V=()(1)P.1一(2)p2十厶u?22?电力情报1994或(3)式(3j中的一说明沿张
4、应力方向传播的超声纵波速度随着应力增_大而减小.A为比例系数.也有变化,此变化对超声波在螺栓中传播的时蒯有影响.假设用,J和L分别表示=0和>0时螺栓的长度,那么:一I(4)丁E假定超声纵波沿螺检垒长往返一次所需要的时间在0和>0时分别为t和f,于是有:(5)r=V0(1一)而相对时间变化率:=1Af00一理论分析和实验测量都说明,A是很小的,且A?1,故可近似假定1一A1,假设令K=1/E+A,那么得:一At:K或:(8)此式说明,螺检中的正应力与超声纵波在其中传播时间的相对变化量成正比.在用理论或实验确定了螺栓材料参数后,就可由实测的超声纵波传播相对时闷变化量Af/f.确定螺栓
5、中的应力值.在超声纵波测量螺栓应力的过程中,需要知道无应力时螺栓的长度(或传播时间),这对工程中已紧固好的螺栓来说是此难点.假定螺栓为单向应力状态,那么超声纵,横渡在螺栓内沿轴向传播的速度分别为:()_(1丽UP)烈十J.(卜(-_盯)VTo(10式中的下标T,L分别表示横波和纵态.由式(9),(10)可推得:c(等哇(?_2)式中比例系数K,K可由实验测定,这样只要能测得超声波传播时问的相对变化量就可由式(I1)(I2)分别计算出参数N.和N一并且定义:.Do一等L于是由式(11),(12)可推得:oN)/(JvKlN0KT)(13)此式中,N与材料有关,可通过理论测定时,对于同一批螺栓仅傲
6、一次实验就可确定.在实际测量中,只要测得超声纵波在螺栓中的传播时间f和超声横渡在螺栓的传播时间f就可由式(13)确定螺栓中的应力岳3王璋奇等:螺栓应力测量的超声波祛综述?23?3影响测量精度的因素在用超声波测量螺检应力时,其精度要受到很多因素的影响,除了测量系统本身的误差外,还有以下几个方面的影响必须予以考虑,以采取措施消除它们对测量精度的影响.工程实际中联接件螺检的几何形状如图l所示(各符号意义见图).图1螺栓和螺纹形状示意目围2螺栓的At/t-r由线一般来说,在螺纹局部和螺杆局部螺检内的应力沿轴向分布是不均匀的,因此,由前面公式(8)或(13)求出的都是平均值.假设要知遭螺杆局部的应力,那
7、么必须引入形状因子,它与螺纹类型及螺检表示为(超声纵渡测量法和超声纵横波测量法中几何修正参数相同):K=K.一N)/(KLN0KT)(14)确定形状因子的方法有近似计算法和实验法.(1)用近似理论确定形状因子从理论上可得到形状因子的近似计算(15)共中:(争)(1ann孚+tann孚)+(e+e2)1r3.7/d(1+1.2s/df)12i【而_J(2)用实验法测定K,对同一螺栓改变e1+e2的长度,量绘制变化前后超声波(横渡,纵波均可)的声应力曲线,即At/f曲线(如图2所示),由两组曲线的斜率M和M就可求得K的值.在实验数据处理时,为了方便起见,把K的计算公式(15)改写成:0其中:L.=
8、争)(tanh孚+tanh孚)】Liz=争).)这样便得到:1LAt,tf0卉一2式公蝻-24一即:古击由此可解得:fl8)r19)=,M/MH,一式中:,_0=,_0+,_1,_D:.,_D+,_12把实测得到的M,M和,_,_代入此式那么可得,_再将,_.和实测得到的有关数据代入式(16)即可求得形状因子.总的来说,用实验得到的形状因子与理论计算结果相差很小,又由于实验测定方法中,/f的曲线斜率(,M)对形状因子影响很大,故在确定斜率(,)时必须倍加小心.因此,在一般实测中,建议采用理论近似公式计算,而实验掼4定法那么用于精度校核.温度和应力对超声波的速度都有影响.当O-:0时,超声波速度
9、只受温度的影响,这一影响是由于温度对弹性常数及间的关系是由晶格的非谐振性所制约的,性理论可推知:超声渡的传播速度与温度成线性关系,于是,当温度由参考温度r,变化到测定温度r,时,无应力状态下,试件的长度和声速分别为:L0(一L0(r,0)【l+(r,一T0)(21)0(一V0(r,0)【1+p(TT0)J(22)式中下标0表示无应力状态,为温度对超声波速度的影响系数,为材料的热胀系数.由此可推知,温度变化所引起的超声波(以纵波为例)在试件中传播的时问相对变化量:J:k/)6T(23)当应力0时,由应力,温度变化所引起的超声波(以纵波为例)在试件中传播的时间相对变化量:【=(一口)T+Ko-(2
10、4)f0.从理论上讲.式中应为,的函数,但通过实验发现,在温度变化大时.随r,的变化非常小,几乎可以略去不计.故这里可以认为与r,无关.由式(23),(24)可看出温度对超声波法测量螺栓应力的精度有很大影响,对于钢制螺栓,温度每变化1将会引起大度变化之闻的关系为线性关系且在温度变化不大的情况下.它与应力大小无关.也就是说温度变化对f/fo-关系的曲线斜率几乎没有影响而仅对它的零点有影响.但必须注意,当温度变化较大时,必须考虑温度对的影响.此时,温度不仅影响f/f的斜率这种情况下如何修正还有待进一步研究.33应力状态的影响在前面的讨论中,我们假定螺拴中的应力是均匀分布的单轴应力.但实际中,由于螺
11、栓结构的限制,或外加载荷的原因,而不能保证单轴应力的条件,此时那么必须加以修正.在大多数情况下,由于能够近似满足单轴应力条件,故不需要考虑应力状态的影响.当螺栓中有扭转剪应力时,单轴应3亡常奇等:螺检应力测量的起波法综述25力的条件不能满足,但实验研究说明,扭转势应刀对趟卢波在螺拴中传播律影响各对螺拴中超声波传播规律的影响程度问越较复杂,还有待1:进一步探|寸.4超声螺栓应力测量法在电厂中均应用前景据我们所知,还没有电厂应用超声波应力测量控制和监测螺栓中的预应力究其原因,不仅因为超声波应力测量珐是一种才面世不久的新技术,更重要的是电厂用螺栓还有许多特殊的问题有侍于人们去解决.前面已经讲到,温度
12、对超声波应力测量的精度影响很大,在温度变化不大的情况下可以假定温度变化对At/一曲线斜率没有影响,而仅影响它的零点位置.不难发现,由于电厂中工作部件的温度都很高,很难满足温度变化不大的条件,因而在高温情况下如何修正和补偿温度变化对测量精度的影响是人们用超声波应力测量法监控电厂用螺栓预应力时必须解决的一个难题.电厂用螺栓声弹性系数,高阶弹性系数的测量数据很难找到,这也是限制此方法应用的另一个原因.于是,对这类材料的声弹性系数,高阶弹性系数进行测量是电厂所用螺栓,由于工作环境舶恶劣性和载荷的复杂性,很难满足单轴应力条件.因此必须研究应力状态对超声波传播规律的影响问题,以便对测量结果进行修正补偿.在
13、仪器设备方面,国内还没有成熟的都是在实验室或者利用现有的超声波测量仪,配合示波器进行测量呵供选用的探使用必须解决高温测量问题,研制在高温环境下能正常工作的探头(现有的探头,在1o0左右,性能就变得很差).另外,研究专用的小型便携式高精度超声波螺栓测量装置也是非常必要的.在成功解决上述几个主要问题之后.把超声波螺拴应力测量技术应用到电厂操作人员精确控制汽轮发电机组联接螺栓的预应力,以提高机组运行的可靠性,延长寿命.控制监测汽缸盖的固定螺栓,以及热力管道联接件等的预应力,可以撼少安垒生产,减少意外事故都具有重要意义.参考文献ofResidualStressinaPatchWeldedDisk.ExpMech,l987(7)2JDeputatUltrasonicTechniqueforMeasuringStressinScrews.9thWorld.ConferenceonNDT,19793BEGordonMeasurementofAppliedandResidualStressesUsinganUItrasonic.1980(2)t.1982(I)5吴克成淋水深螺栓应力超声测量方法的改良华中工学院,1988(I)6何存富,吴克成温度对螺栓紧固应力超声测量的影响研究实验力学,l993(3)(修改稿日期:993-1卜24)
