1、螺栓軸向應力的超聲波測量王路季獻武張道鋼揚啟璋上海醫療器械高等專科學校（上海200093）華東電力試驗研究院（上海200433）河北 電力試驗研究所（石家莊 050021）北京電力科學研究院（北京100045）一些設備上的關鍵螺栓安裝或緊固時，人們希望能直接準確地控制螺栓的軸向應力，以保證其工作的可靠性，這 點對電力設備尤其具有重要的意義。用超聲波技術研制成功了一種可直接測量螺栓軸向應力的螺栓軸向應力儀，該儀 器可廣泛應用于關鍵設備的緊固測試，進而精確地控制螺栓軸向應力。對用超聲波技術測量螺栓軸向應力的基本原理 進行了介紹，并給出了超聲波螺栓軸向應力儀應用實例。螺栓軸向應力直接測量超聲波技術螺

2、栓作為一種緊固件廣泛應用于大型機械設備、發電機組、橋梁及航空航天器 件。目前人們通常使用力矩板手安裝螺栓，由扭矩推算出螺栓的軸向應力，但這種方法間接得到的軸向力并不可靠， 且力矩板手本身需要定期由較復雜的設備檢驗、校準。即便如此，實際工作中眾多的影響因素還使得扭矩與螺栓的軸 向應力不能一一對應。許多情況下，安裝者用大錘憑經驗擊打板手對螺栓實施緊固，很不準確。因此迫切需要發展一 種無損、快速有效的、能直接測量螺栓緊固應力的新手段。超聲波是一種有效的工業測量用物理量，用超聲波可探測構件內部的損傷及組織結構，還能測量流量、溫度、厚 度及應力等。有關超聲波測應力的方法早就有人提出，這種方法的優點是以被

3、測對象自身為敏感元件，能夠探測構件 內部的應力。超聲波測螺栓軸向緊固應力是一種研究較久且有一定成效的技術，它是超聲波測量應力研究領域里最有 希望得到工業性廣泛應用的技術手段。以前人們較多在理論上對聲速與應力關系進行研究探索，而對工程上的狽賦方 法、手段、儀器的實現及實際使用中存在的問題研究得較少，這使得超聲波測螺栓緊固應力手段沒能在工程上推廣。 本文作者用超聲測量螺栓軸向緊固應力的研究工作，給出了若干螺栓材料的緊固力與超聲波的關系，分析了實際應用 中可能出現的誤差因素，并對電站用螺栓進行了的超聲波測螺栓緊固應力（一種拉伸應力）工作中，超聲波傳播方向與應力方向一致（忽略螺栓扭轉應力的影響），這時

4、縱波聲速（以下簡稱聲速）與應力的近似關系為：注：參加工作的還有沈金坤。劉琦。劉鎮清。梁穗。華儉南等。其中/為/關的常數，為螺栓的軸向應力，C0 為無應力時的聲速，C 為有應力時的聲速。，經簡單的推導可得受緊固應力前后螺栓的聲時差為：通常情況下，根據聲彈理論有for 1；且對于特定的固體材料，其彈性常數及聲速等物理系數是相同的，因此可將式（3）化簡成這樣，只要能夠事先得到螺栓材料的系數A，就能在實際應用中根據 3 得到螺栓的軸向緊固應力必須指出，實際工作中螺栓各部分的直徑可能不同，根據應力與截面積成反比原則可分別定出受力區 不同截面積部分的應力之比，這樣可通過簡單的運算獲得所需的應力。2 螺栓緊

5、固應力與超聲波關系的測量從以上的分析可知，要實現用超聲波測螺栓緊固應力，必須獲得兩者的關系常 數 A.由于超聲波測應力要求聲時的測量精度非常高，作者研制了一種高精度的聲時（也可測量聲速）自動測量裝置， 它的聲時測量精度優于±0.不需要人工調節，可進行全自動測量，并能將數據通過接口傳輸給 PC 機作進一步分析、處理。實驗時螺栓兩端的螺母通過特制的夾具，由30t 材料實驗機進行拉伸，這樣便模擬了螺栓在緊固時的軸向拉伸力。在螺桿中央貼上一片電阻應變片，并由電阻應變儀實時監測螺栓所受的應力，得到的應力值經 12 位 A/D 轉換后送 PC 機，電阻應變片應力儀測量精度為±0.1MP

6、a.超聲波傳感器是一種窄脈沖的磁性探頭，它能牢牢地吸在鐵磁性材料螺栓 的一端，探頭與螺栓間用甘油作耦合劑，探頭同時作為發射與接收超聲波的換能器。聲時測量裝置不斷精密地測量螺 栓的聲時及其變化，并將結果通過串行口送PC 機。是對材質為 20 號碳鋼的螺栓進行聲時一應力關系的測定結果，由圖可見聲時差 3 與應力之間存在良好的線性關系。被測螺栓的直徑為 30mm，總長度為 220mm，兩螺母之間的夾緊距為 130mm.取螺栓的有效夾緊長度為兩螺母之間的夾緊距與螺栓的直徑之和，即：/= 160mm.根據式（5），得到該材質的聲時一應力關系常數A 為 4.582X109.對材質為 NiCu28 2.51

7、.5 的鎳銅合金螺栓的聲速一應力關系測量結果見，被測螺栓的直徑為 12mm，總長度為 110mm，兩螺母之間的夾緊距為 65mm.同理，取螺栓的有效夾緊長度為77mm，得該材料的聲時一應力關系常數A= 5.885X1i. 作者在求上述系 數 A0 寸，將聲時差與應力關系看作為嚴格線性關系，據此構成的線性擬合曲線與實測關系曲線的最大偏差小于9.8MPa. 這種線性擬合雖有一定的偏差，但對形成簡便的工業性測試儀器來看確是有利的。在智能化超聲波螺栓軸向緊固應力儀中只要存有常數A，儀器便可自動推算出應力。從以上的螺栓聲時一應力關系圖來看，材質不同時，系數 A 也有差異。實際上超聲波測螺栓緊固應力時，將

8、螺栓本身作為敏感元件，因此被測材料不同，敏感系數（即系數A）也不同。這從一個側 4 熱力發電。2000（1）面說明， 要使超聲波緊固應力測試技術推廣使用，必須事先進行許多常用螺栓材料的聲時一應力關系標定實驗工作。但超聲波 測螺栓緊固應力技術的一大優點是，在工業性應用時不再需要附加的設備進行定期檢驗與校準。3 超聲波測螺栓應力的實現超聲波測螺栓緊固應力的一種方案是，將各種材料的系數 A 存入以測聲時為基本參量的智能超聲波儀器中，在實際使用中只要鍵入材質及有效夾緊長度，智能儀器通過測量螺栓緊固前后的聲時差即可根據 式（5）推算出螺栓的軸向緊固應力。因此，智能化超聲波螺栓軸向緊固應力儀的核心是微處理

9、器與精密聲時自動測量 單元。3.1 實驗室測量選兩種與聲時一應力關系標定實驗不同尺寸的 20 號碳鋼雙頭螺栓，將它們在拉伸前后（模擬實際的緊固）的聲時測量值記錄在超聲波儀器中。兩根螺栓的直徑分別為 48mm（稱為螺栓 A）、22mm（稱為螺栓 B），螺栓 A 的總長度 248mm，螺栓 B 的總長度 120mm.實驗時緊固螺栓 A 的兩螺母間距為 146mm，取其有效夾緊距為 194mm，緊固螺栓 B 的兩螺母間距為 65mm，取其有效夾緊距為 87mm.給出了兩螺栓在拉伸過程中智能化超聲波螺栓軸向緊固應力儀測得的應力與電阻應變片測得的應力之差的結果（前者減后者）該圖的橫座標應力值以電阻應變片

10、測得的應力 為基準。應力/MPa 超聲波與電阻應變片測得的應力之差阻應變片方法測螺栓緊固力的結果吻合較好，但兩螺栓的超聲波測應力與電阻應變片方法測應力之間有微小的趨勢性誤差。對螺栓 A 來看，兩者測應力的偏差隨應力值的增大有向正值增加趨勢；對螺栓 B 來看，兩者測應力的偏差隨應力值的增大有向負值增加趨勢，分析認為這可能有以下幾個方面影響：（1）螺栓與螺母之間各細紋上的受力處于非理想狀態，使得超聲表 1 某電廠機組螺栓應力測量波方法測螺栓緊固應力中有效夾緊長度有些偏差；（2）如前所述的線性擬合曲線與實測關系曲線有一定的偏差。即使有這些誤差因素，但由于其絕對值并不大，在工程應用上是可以接受的。3.

11、2 現場測量現場測量是在某發電廠機組檢修時進行的，被測雙頭螺栓的總長度為400mm、直徑為50mm，材質為45CiMo.由于螺栓使用部位較重要，安裝時用定力矩板手使得每根螺栓最終的緊固力矩一致。現場安裝者確實使每根螺 栓的緊固力矩相同，緊固螺栓的兩螺母間距為 296mm.本項工作測量了工件上所有螺栓的應力值。由于超聲波螺栓軸向緊固應力儀測應力僅需螺栓的一個端面即可，因此測試工作方便迅速，為檢修帶來了便利，其中典型的10 根螺栓測量結果見表 1.從表 1 可了解到，盡管安裝時每根螺栓的緊固力矩基本相同，但每根螺栓由超聲波螺栓軸向緊固應力儀測得的應力值相差還是較大。由于作者研制儀器測量偏差一般在數

12、個 MPa，因此，可以認為這里的應力偏差主要是定力矩板手由力矩轉換成螺栓軸向應力包含了各種摩擦系數不確定引的誤差，這種誤差有時確實相當大。經過儀器測試， 使得檢修人員直觀地了解到螺栓的軸向緊固應力狀態，通過進一步緊固調整，準確地控制了每根螺栓的軸向應力值。螺栓序號應力/MPa（下轉第 63 頁）經驗交流減少國產 SF6 微水儀耗氣量大的措施金華電業局（浙江金華321001） 徐康健 SF6 氣體濕度是 SF6 電氣設備運行中的一項主要質量控制標準。現場運行氣的濕度檢測由 SF6 微水儀完成。進口微水儀（或露點儀）由于價格昂貴，一般只有少數單位使用，而價格較低的國產微水儀在檢修單位被廣泛使用。目

13、前 國產 SF6 微水儀主要有三種型號：成都分析儀器廠的 USI 型、上海唐山儀表廠的 DWS 型及鄭州光力公司的 GLM 型。USI 型和 DWS 型采用 P25 電解池吸收電解電量的測定原理（電解法），GLM 型則采用進口薄膜式氧化鋁濕度傳感技術（阻容法）。這三種儀器都有耗氣量大的缺點，有必要采取措施克服之。1 儀器的干燥多數檢修單位的微水儀干燥工作往往于檢修前在化驗室進行，儀器帶到現場后就不再干燥（原因是氮 氣瓶笨重不便攜帶）。檢修中的測試工作并不都連續進行，尤其遇陰雨天，測量時就要消耗更多的SF6 氣體。建議使用適合現場用的 8L 小氮氣瓶，在每天測量前先用氮氣干燥儀器，可有效降低測量

14、時的耗氣量。為提高干燥效果，USI 型儀器內裝有干燥器，而其它兩種儀器沒有，故在干燥時最好在氮氣瓶減壓閥出口處接一干燥器。2 降低或不用旁通流量為了減少采樣系統外界水分對測量的影響，除應使用盡可能短的滲透性、吸附性小的管道及 在測量前進行干燥等措施外，USI 型和 DWS 型還采用了旁通技術。它通過增大采樣總量使大部分污染水經旁路直接放空。當旁通流量為1L/min，測量流量為100mL/min 時，由采樣系統帶來的污染水只有9%進入電解池。旁通技術的優點是顯而易見的，但它是以增大耗氣量10 倍為代價的。實踐證明，當儀器干燥后，氣路污染很小且被測氣樣系濕度相對較高的運行氣時，降低旁通流量甚至不用

15、旁通，其試驗相對偏差并不大。曾對某運行中的 SF6 氣體做過對比試驗，當采用旁通技術測得該開關 SF6 濕度體積分數為 238X106 后再將旁通閥關閉，儀器顯示的濕度上升到 251X106（相對偏差為 5.4%）。這種既滿足試驗要求又可降低耗氣量的方法確實值得一用。 3 減少測量時間電解池工作時水分的吸收和電解是不平衡的，儀器表頭讀數到最高值后由快到慢逐漸下降，其變化量與電解時間成指數關系。從理論上說，完全達到平衡需無窮大的時間，實際上表頭讀數降到一定值后，濕度對時間 的變化率就已很小，在這種接近穩定的情況下讀數是個近似值，誤差不會大（GLM 型情況也相似）。盡管如此，有時所需的測量時間仍較長，還會消耗很多 SF6 氣體。這時可利用濕度讀數降至標準以下即終止測量的辦法，將耗氣量減少到最低限度，也就是說，雖未測出濕度的近似值，但已滿足工作要求。例如，某開關 SF6 氣體濕度的運行標準為 300X10+6 體積分數，當儀器濕度讀數降至 290X10+6 即讀數時，該 SF6 氣體的濕度在試驗報告上應寫成“<290X1（T6 體積分數” 其表示濕度在 290X104 以