CN111220713B - 在役风电螺栓的缺陷和应力智能监督检测***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在役风电螺栓的缺陷和应力智能监督检测***及方法，该***包括风机螺栓、耦合***、集成探头和信号处理***，耦合***包括耦合装置和耦合剂；集成探头通过耦合装置耦合固定在风电螺栓上，集成探头用于检测螺栓缺陷和测量螺栓紧固力信号，并传输给信号处理***对风电螺栓进行监测；本发明适用于风电螺栓的检测智能化，无需人工进入风塔内部进行检测，避免了安全风险，提高了检测精准度，实现了检测的智能化，提高了检测效率，节约了成本。

Description

在役风电螺栓的缺陷和应力智能监督检测***及方法
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，涉及一种在役风电螺栓的缺陷和应力智能监督检测***，适用于在役风电螺栓的检测。
背景技术
目前，风力发电方面已经取得很大的进展，风力发电机由叶片、轮毂、主轴、机舱和塔架等组成，这些部件之间的连接都是采用螺栓连接的方式。塔架是风力发电机组的主要承重部件。大型风力机组塔架高度一般都在几十米以上，质量为风力机组总质量的50％以上。为加工和运输的方便，塔架一般由３～４段短锥型筒通过法兰螺栓连接而成。由于螺栓连接处受力复杂且恶劣，塔架连接部分成为最易失效的地方。
螺栓是一种利用螺纹产生应力以紧固被夹紧件的产品，已被广泛地应用于机械设备、车辆船舶、飞机卫星、铁路桥梁、建筑结构、工具器械、仪器仪表等领域。
螺栓联结是风机装配中的一种重要方式，几乎涉及到风机的所有部件。以双馈机组为例，风机各段塔筒之间、塔筒与机架之间，机架与机头之间，机头与叶片之间等重要的联结都是通过螺栓来实现的。因此，螺栓的安全状况是风机可靠性的重要保证。
现阶段，我国风电机组的螺栓失效问题已经成为风机安全事故的主要原因之一。螺栓失效形式主要为：安装过程中发生滑丝、扭断、屈服、甚至拉断等现象；设备运行过程中发生螺栓断裂，造成风机安全系数降低，严重者甚至造成倒塌事故。螺栓出现这些问题的原因，除了螺栓本身的产品质量不合格外，运行过程中的应力也是造成螺栓失效的主要因素。螺栓是工业装备中的标准配件之一，作为各种设备的连接件，具有施工简单、受力性能好、可拆换、耐疲劳以及在动力荷载作用下不致松动等优点，是目前重要的连接、密封方法。但是，也正因为螺栓的广泛应用，其工作环境也千差万别，往往在复杂的应力、高温高压、周期振动等各种恶劣工况下工作。因此螺栓很容易产生疲劳裂纹。这些疲劳裂纹一般不易被发现，在裂纹发展一定程度时，经常会发生脆性断裂，从而造成重大安全事故，严重威胁人生安全。为了确保工业生产安全，我们必须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点。
通过超声波检测方法研究，比较不同检测工艺的特点，研究螺栓中裂纹类缺陷的检测方法和工艺，提供缺陷定量测定依据，为螺栓强度计算提供可靠的，有效的缺陷几何尺寸。
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。
目前风电螺栓的缺陷采用传统超声，人工到现场进行逐个进行检测，存在安全风险、检测效率低，检测成本大的问题；风电螺栓的应力检测采用人工利用力矩扳手逐个进行测量，存在测量不准确，检测效率低等问题。
发明内容
本发明提供一种在役风电螺栓的缺陷和应力智能监督检测***，用以实现检测智能化和提高检测效率。
本发明另一目的是提供在役风电螺栓的缺陷和应力智能监督检测方法。
本发明的具体技术方案如下：
一种在役风电螺栓的缺陷和应力智能监督检测***，包括风机螺栓、耦合***、集成探头和信号处理***，所述耦合***包括耦合装置和耦合剂；所述耦合装置包括：圆环形器皿和吸附块，圆环形器皿顶部设有加料孔，底部设有出料孔，圆环形器皿内盛装耦合剂；吸附块安装在圆环形器皿底部或内部，用于将圆环形器皿吸附在风电螺栓上；集成探头安装在圆环形器皿底部，并与风电螺栓耦合连接；集成探头用于检测螺栓缺陷和测量螺栓紧固力信号，并传输给信号处理***对风电螺栓进行监测。
进一步地，圆环形器皿内环底部设有一圈出料孔；
进一步地，对应出料孔位置设有导流板，该导流板为向圆环形器皿内侧凸起的倾斜设置的环壁；
进一步地，所述耦合剂采用超声耦合剂；
进一步地，集成探头设有超声导波探头接口和纵波探头接口，由两个接口向下依次为：吸声材料层、阻尼块、环形压电晶片、环形楔块、圆形压电晶片和圆形楔块，超声导波探头接口通过电缆线与环形压电晶片电连接，纵波探头接口通过电缆线与圆压电晶片电连接，该集成探头还设有探头外壳；纵波探头接口位于顶部中间位置，超声导波探头接口位于顶部纵波探头接口旁侧并与之呈45°倾斜设置；
进一步地，吸声材料层用于吸收晶片背面及四周发散的超声波噪声；
探头外壳为金属外壳，起到支撑固定、保护以及电磁屏蔽等作用。
阻尼块对压电晶片的振动起阻尼作用，减少晶片余震，减小超声波脉冲宽度，提高超声检测分辨力；电缆线连接晶片与探头接口。
环形和圆形楔块采用机玻璃制成，其作用是改变晶片产生的声束角度。
环形和圆形压电晶片采用石英制作而成，起到声电互相转换。
进一步地，还包括视频监视***，信号处理***将信号通过光缆传输给视频监视***；
进一步地，视频监视***为终端计算机，设置于风电场集控室，用于实时监控螺栓检测情况;
一种在役风电螺栓的缺陷和应力智能监督检测方法，包括以下过程：
1）先将每套耦合***安装在每个风电螺栓的端部，耦合***内部填满耦合剂，并使风电螺栓端部覆盖一层耦合剂；
2）集成探头安装在风电螺栓端部，并与耦合剂保持耦合，集成探头通过线缆与信号处理***连接；
3）信号处理***接收并处理信息，并通过光缆与视频监视***进行通信。
本发明具有如下有益效果：
本发明克服了目前风电螺栓的缺陷采用传统超声，人工到现场进行逐个进行检测，存在安全风险、检测效率低，检测成本大的问题；风电螺栓的应力检测采用人工利用力矩扳手逐个进行测量，存在测量不准确，检测效率低等问题。
本发明适用于风电螺栓的检测智能化，无需人工进入风塔内部进行检测，避免了安全风险，一次性自动检测螺栓是否存在缺陷和螺栓的轴向应力，实现了检测的智能化，提高了检测效率，节约了成本。
附图说明
图1为本发明原理框图；
图2为耦合装置结构示意图；
图3为集成探头的结构示意图（也作摘要附图）；
图2中：01-圆环形器皿；02-条形吸附块；03-导流板；04-耦合剂；05-加料孔；
图3中：001-超声导波探头接口、002-纵波探头接口、003-电缆线、004-吸声材料、005-环形楔块、006-圆形楔块、007-环形压电晶片、008-圆形压电晶片、009-阻尼块；010-探头外壳。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细说明。
实施例一：
本发明的在役风电螺栓的缺陷和应力智能监督检测***，原理框图如图1所示，适用于在役风电螺栓的智能监督检测。该***包括风机螺栓、耦合***、集成探头和信号处理***。
集成探头为二合一集成探头，通过耦合装置耦合固定在风电螺栓上，集成探头用于检测螺栓缺陷和测量螺栓紧固力信号，并传输给信号处理***对风电螺栓进行监测。对于需监测的在役风电螺栓，每个配置一个集成探头，并通过耦合装置将集成探头固定连接。
如图2所示，耦合***包括耦合装置和耦合剂04，该***能自动补充耦合剂，耦合剂采用超声耦合剂。耦合装置包括：圆环形器皿01和吸附块，圆环形器皿顶部设有加料孔05，底部设有出料孔，圆环形器皿01内盛装耦合剂；吸附块安装在圆环形器皿底部或内部，用于将圆环形器皿吸附在风电螺栓上；集成探头安装在圆环形器皿底部，并与风电螺栓耦合连接；圆环形器皿内环底部设有一圈出料孔；对应出料孔位置设有导流板03，该导流板03为向圆环形器皿内侧凸起的倾斜设置的环壁。
如图3所示，集成探头设有超声导波探头接口001和纵波探头接口002，由两个接口向下依次为：吸声材料层004、阻尼块009、环形压电晶片007、环形楔块005、圆形压电晶片008和圆形楔块006，超声导波探头接口01通过电缆线003与环形压电晶片007电连接，纵波探头接口002通过电缆线与圆压电晶片008电连接，该集成探头还设有探头外壳010；纵波探头接口002位于顶部中间位置，超声导波探头接口001位于顶部纵波探头接口旁侧并与之呈45°倾斜设置。
具体地说明，两个接口向下依次设有吸声材料层、阻尼块、环形压电晶片和环形楔块；超声导波探头接口经电缆线与所述环形压电晶片电连接；阻尼块穿过环形压电晶片和环形楔块的内环孔向下延伸，连接纵波探头接口的电缆线继续穿过该延伸段与环形压电晶片电连接，环形压电晶片外端设有圆形楔块。
吸声材料层004用于吸收晶片背面及四周发散的超声波噪声；探头外壳010为金属外壳，起到支撑固定、保护以及电磁屏蔽等作用。阻尼块009对压电晶片的振动起阻尼作用，减少晶片余震，减小超声波脉冲宽度，提高超声检测分辨力；电缆线003连接晶片与探头接口。楔块采用机玻璃制成，其作用是改变晶片产生的声束角度。压电晶片采用石英制作而成，起到声电互相转换。
集成探头的工作原理：
晶片产生的声束通过楔块和耦合剂层从螺栓端部进入螺栓工件，再从螺栓的另一端底部反射回来后接受回波，圆形压电晶片检测回波的飞行时间，从而测量螺栓应力；环形压电晶片用于检测回波的波形，用于分析螺栓是否存在缺陷。
实施例二：
本实例可选设计在于，还包括视频监视***，如图1所示，信号处理***将信号通过光缆传输给视频监视***；视频监视***为终端计算机，设置于风电场集控室，用于实时监控螺栓检测情况。信号处理***可以分为两个***，分别为检测螺栓缺陷***和测量螺栓紧固力***。检测螺栓缺陷***可分为信号采集、信号分析、结果诊断和报警***几部分。测量螺栓紧固力***可分为信号采集、信号运算和预警***。
实施例三：
本发明在役风电螺栓的缺陷和应力智能监督检测方法，采用实施例一***，检测包括以下过程：
1）先将每套耦合***安装在每个风电螺栓的端部，耦合***内部填满耦合剂，并使风电螺栓端部覆盖一层耦合剂；
2）每套集成探头安装在风电螺栓端部，并与耦合剂保持耦合，集成探头通过线缆与信号处理***连接；
3）信号处理***接收并处理信息，且通过光缆与视频监视***进行通信。
耦合***的圆环形器皿顶部套装在风电螺栓上，圆环形器皿底部连接集成探头，保证集成探头与风电螺栓耦合连接。
集成探头具有检测螺栓缺陷和测量螺栓紧固力的能力，超声导波探头接口用于检测螺栓缺陷，纵波探头接口用于测量螺栓应力。检测螺栓缺陷***采用超声柱面导波技术，通过采集探头传输的超声波信号对螺栓进行检测。测量螺栓紧固力***采用超声测量螺栓声弹性原理，通过采集集成探头传输的超声波信号对螺栓紧固力进行测量。
光缆设置于设置于每台风机上，用于通过光缆传递检测信息至视频监视***。视频监视***为终端计算机，设置于风电场集控室，用于实时监控螺栓检测情况。耦合***安装在每个螺栓的端部，耦合***内部填满耦合剂，并使螺栓端部覆盖一层耦合剂。集成探头安装在螺栓端部，与耦合剂保持耦合，集成探头通过探头线与信号处理***连接。打开信号处理***和视频监视***，并调试设备，使得信号处理***通过光缆与视频监视***连通。

Claims (8)

1.一种在役风电螺栓的缺陷和应力智能监督检测***，包括风机螺栓、耦合***、集成探头和信号处理***，其特征在于：
所述耦合***包括耦合装置和耦合剂；所述耦合装置包括：圆环形器皿和吸附块，圆环形器皿顶部设有加料孔，底部设有出料孔，圆环形器皿内盛装耦合剂；吸附块安装在圆环形器皿底部或内部，用于将圆环形器皿吸附在风电螺栓上；集成探头安装在圆环形器皿底部，并与风电螺栓耦合连接；
集成探头用于检测螺栓缺陷和测量螺栓紧固力信号，并传输给信号处理***对风电螺栓进行监测；集成探头设有超声导波探头接口和纵波探头接口，由两个接口向下依次为：吸声材料层、阻尼块、环形压电晶片、环形楔块、圆形压电晶片和圆形楔块，超声导波探头接口通过电缆线与环形压电晶片电连接，纵波探头接口通过电缆线与圆压电晶片电连接，该集成探头还设有探头外壳；纵波探头接口位于顶部中间位置，超声导波探头接口位于顶部纵波探头接口旁侧并与之呈45°倾斜设置；检测时：
1）先将每套耦合***安装在每个风电螺栓的端部，耦合***内部填满耦合剂，并使风电螺栓端部覆盖一层耦合剂；
2）每套集成探头安装在风电螺栓端部，并与耦合剂保持耦合，集成探头通过线缆与信号处理***连接；
3）信号处理***接收并处理信息，且通过光缆与视频监视***进行通信；
耦合***的圆环形器皿顶部套装在风电螺栓上，圆环形器皿底部连接集成探头，使集成探头与风电螺栓耦合连接；超声导波探头接口用于检测螺栓缺陷，纵波探头接口用于测量螺栓应力。
2.根据权利要求1所述在役风电螺栓的缺陷和应力智能监督检测***，其特征在于：圆环形器皿内环底部设有一圈出料孔。
3.根据权利要求2所述在役风电螺栓的缺陷和应力智能监督检测***，其特征在于：对应出料孔位置设有导流板，该导流板为向圆环形器皿内侧凸起的倾斜设置的环壁。
4.根据权利要求3所述在役风电螺栓的缺陷和应力智能监督检测***，其特征在于：所述耦合剂采用超声耦合剂。
5.根据权利要求1-4之一所述在役风电螺栓的缺陷和应力智能监督检测***，其特征在于：探头外壳为金属外壳；环形和圆形楔块采用机玻璃制成。
6.根据权利要求5所述在役风电螺栓的缺陷和应力智能监督检测***，其特征在于：环形和圆形压电晶片采用石英制作而成。
7.根据权利要求5所述在役风电螺栓的缺陷和应力智能监督检测***，其特征在于：还包括视频监视***，信号处理***将信号通过光缆传输给视频监视***。
8.根据权利要求7所述在役风电螺栓的缺陷和应力智能监督检测***，其特征在于：视频监视***为终端计算机，设置于风电场集控室，用于实时监控螺栓检测情况。
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