螺栓轴向应力超声测量技术

钢结构、桥梁、压力容器法兰和压力管道法兰等连接接头大量使用高强螺栓作为紧固件。如果连接接头上的螺栓紧固力大小不一,会造成螺栓过紧或过松,从而有可能导致螺栓断裂或密封接头的泄漏。因此,紧固螺栓应力除应符合设计要求外,同一连接接头上的所有螺栓应力应均匀一致。使用超声技术检测螺栓轴向应力,可以使测量精度达到±2%,能较好地解决该问题。

1　超声测量螺栓应力的基本原理

根据声弹性理论,固体中的声速与应力有关,在材料屈服强度以内,材料的伸长量与施加的张力呈正比,应力与伸长量的比值是一个常数,等于弹性模量E。

超声测量螺栓轴向应力,使用的是脉冲反射法。该法是将超声波探头用耦合剂放在螺栓的一端,探头首先产生一个声脉冲穿过螺栓的整个长度,在另一侧被反射回超声波探头,测量声脉冲信号的传播时间。将螺栓规格参数事先输入仪器,便可得出声脉冲传播时间、螺栓伸长量、载荷和轴向应力。材料中声速会随施加应力的大小而变化,当螺栓施加张力载荷时,其声速会变慢。试验得出,施加载荷前后,螺栓因张力导致的超声测量伸长量大约是物理伸长量的三倍。

2　螺栓伸长量及轴向应力的计算[1,2]

必须指出,温度变化对超声传播速度有较大的影响。当螺栓的温度增高时,螺栓的物理长度会随之增加,超声波的传播速度降低,传播时间变长,超声测量长度增加,因此,在公式中还应对此加以修正[3]。在实测中,为了保证测量精度,对每种材料都应有相应的温度补偿系数Cp,仪器应具有温度测量探头和自动补偿功能。

3　超声波传播时间的精确测量

以上可见,螺栓应力的测定最后归结为精确测量螺栓在紧固前后超声波传播时间或速度的微小变化。这里主要介绍超声脉冲传播时间的直接测量方法。该方法的基本原理是用发射脉冲(或某次回波)去开启计数门,用反射回波(或另一次回波)去关闭计数门,从而测得发射脉冲与反射回波(或某两次回波)之间的传播时间。这种测量方法看起来很简单,但是在触发电平一定的条件下,回波幅度的变化会影响测量结果。Reider报道的一种测量电路,由于采用零电平触发系统,测量准确度达0.2 ns以上。延迟线法、零频法、脉冲回波重合法和回振法等其它声速测量方法参见文献[1,2]。

4　螺栓应力的测量[2,4]

4.1　测量探头的选择和操作

对于高强紧固螺栓,应根据其种类、长度和直径选择超声波探头的频率和直径,频率一般在1~15 MHz,晶片直径一般为Φ6~30 mm。原则上讲,对于长度短直径小的螺栓,宜选频率高直径小的探头;反之,则选频率低直径大的探头。探头放置正确与否关系到测量的准确性与有效性。对一般螺栓,超声波探头应尽可能放置在端面中央;对中心有孔的螺栓则应靠近侧面,以避开中心孔。在测初始值时要将探头放在平整的部位,并稍许用力将探头贴紧螺栓,挤压出多余的耦合剂,必要时可稍许移动探头,使初始读数达到稳定状态。初始值测试后,用记号笔在螺栓上标出探头的位置与方向,以便在螺栓紧固后测试时探头位置与方向与测初始值时严格一致。温度测量探头原则上放在螺栓的侧面;若螺栓的侧面不可触及,则应尽可能靠近被测螺栓。用手长时间握住温度测量探头是不允许的,这将使仪器读入错误的温度信息。