作者：马楠1 刘峰1 蔡桂喜2 张双楠2 (1 .辽宁石油化工大学机械工程学院2 .中国科学院金属研究所）

出处：《石油机械》2018年第7期

摘要：为了建立快速简便的螺栓预紧力测量技术，在介绍超声法测定螺栓应力原理的基础上，推导了超声波在螺栓两端传播时间计算公式，并以此建立了螺栓预应力标定计算模型，对模型开展了现场试验。试验结果表明：超声纵波传播速度测量螺栓预紧力的方法，在9 5 % 置信度的条件下测量误差矣10 MPa。使用小型便携式仪器，操作简便，在扭紧螺栓的过程中同时进行测量，每次测量所需时间不超过3 min。建议进一步扩大模型的标定应力范围；进一步对模型进行改进，在用螺栓不必松开就可以测量其承受的应力，以减小测量误差。所得结论为螺栓承受预紧力和工作应力的现场检测提供了 一种新方法。

0 引言

    螺栓作为工业中常用的连接件，广泛应用于航空航天、船舶轮机、桥梁建设及石油化工设备等领域[1]。髙强螺栓作为螺栓中的一种，具有强度高和承受高应力的特点。螺栓轴向应力或预紧力是影响螺栓性能、寿命以及使用状态的重要指标。在拧紧螺栓时若预紧力过大，易导致螺栓产生应力腐蚀裂纹和疲劳破坏；若预紧力不足则会引起振动松弛和滑移，影响结构整体性能或造成密封泄漏，这2种情况都将导致设备损坏和严重的事故发生。因此，应采取有效的手段控制高强螺栓的预紧力并监测螺栓的应力状态，以确保髙强螺栓的使用安全。为控制和检测螺栓拧紧时的预紧力和工作状态下的应力状况，通常采用扭矩扳手法测量螺栓的预紧力。扭矩扳手法受摩擦系因数分散性和应力集中的

影响存在较大误差，误差髙达± 4 0 % [2]。为此，研发了超声波检测方法。超声法具有快速、简便和无损测量等优点，并且精度较高。超声波测量方法是

根据声弹性原理，通过研究螺栓轴向应力与超声波传播时间（传播速度） 的关系来测量螺栓中的应力。在拧紧的过程中，可根据回波信号把螺栓的预紧力调整到适当的范围[3]。超声法包含2 种方法:纵波法和纵、横双波法。纵波法的优点是测量和标定操作简单，设备也简单，精确度高；缺点是必须测量螺栓不受力状态下的声波速度，已经上紧的螺栓需要松开，重新上紧。双波法的优点是无需测量螺栓不受力状态下的声波速度，已经上紧的螺栓不必松开；缺点是测量和标定操作复杂，设备也比较复杂，精确度低。双波法精度低的原因是横波不易耦合，耦合分散引起了较大误差，既影响标定，也影响测量，误差可达1 5 % ~ 2 5 % [4]。为了克服耦合困难，有人采用了电磁超声（EMAT), EMAT不能在铁磁性介质中激励纵波，因此只适用于有色金属螺栓或奥氏体不锈钢螺栓[5]。国内外都在研究通过改进双波技术的标定方法提高测量精度〜4]，精度虽有所提高，但是整套技术的复杂程度不但未减，甚至增加，工业应用依旧困难。

    为了建立快速简便的螺栓预紧力测量技术，笔者在介绍超声法测定螺栓应力原理的基础上，推导了超声波在螺栓两端传播的计算公式，依此建立了螺栓预应力指标计算模型，并对模型开展了现场试验。

1 超声法测定螺栓应力的原理

    超声波传播速度随应力状态改变而变化的现象称为声弹性现象。这种现象不论在弹性范围还是在非线性应力-应变范围均存在[6]。声弹性现象为超声应力测量技术提供了理论依据，以此为基础的材料应力测量方法称为声弹法。材料内部应力和应变之间的关系通常被认为是线性关系，即胡克定律。但是随着测量技术的发展，人们发现弹性模量等弹性常数不是不变的，而是随应变的大小不同而有微小的改变。当材料内部的原子通过压应力被压在一起时，弹性模量变大了，而当原子受拉应力被拉开时，弹性模量变小了，这表明应力和应变之间的关系是非线性的[7]。

    对于各向同性弹性固体介质，在一维情况下，弹性体波（纵波和横波） 的控制方程如下。纵波控制方程：

横波控制方程：

  当物体存在初始变形时，会出现2 种可能：一种是初始变形与变形梯度很小，线性应力-应变关系仍然适用，那么所有的基本控制方程仍然是线性的。在线性弹性范围内，弹性波的传播与应力场无关，传播速度不会因应力的施加而改变。另一种情况是变形足够大，以至于线性应力-应变关系不再适用，应力-应变关系无法忽略高阶项。有高阶弹性时，弹性应变能[ /可以展开为应变£ 的多项式[5]:



v0是静应力为0 时的速度，CE 是速度的应力敏感因子。在这种近似范围内，弹性非线性导致了速度r 对应力的线性依赖关系，试验结果表明线性关系具有较高的精确性。下面以图1 所示的简化模型为基础，计算螺栓的轴向应力。






   加力装置是一个厚壁圆环，最好用弹簧钢制作。钢环外径不超过200 mm，钢环上有2 个035mm的圆孔，2 孔在圆周上相距180°，螺栓穿过2孔固定在圆环上，如图3 所示。扭紧螺帽可以对螺栓施加拉力。这种加力方式的优点是：①钢环-螺栓组装体的体积小、质量轻，可以携带到任何位置进行超声检测，也可以存放到任何时刻进行超声检测；②螺栓受力状况与螺栓使用状况相同；③结构简单，制作快，成本低。扭转螺母时须要较大的扭矩，因此必须将螺栓-钢环组装体固定在稳固的台架上。采用电阻应变片测量螺栓所受应力，笔者使用 BFH120-3BA- Q3 型 120 fl 应变片和 SDY2206型程控静态电阻应变仪，将应变换算成应力。

测量超声波在螺栓两端面之间往返1 次的传播时间，即测量公式（1 9 ) 中的T和T0，使用2.5MHz晶片，直径14 m m 直探头，用OLYMPUS-5073 型超声发射器和接收器来发射和接收超声波，用Tecktronix IDS-2012B 型示波器显示回波并测量传播时间。实测的螺栓长度280 m m ，再考虑测得的底波传播时间，由此算出超声波在未受力螺栓中的传播速度^ = 5 921 m/ s，这个速度与探伤手册给出的钢中纵波传播速度5 90 0 ~ 5 950 m/ s 符合。扭紧螺栓-钢环组装体上的螺母，对螺栓施加不同的拉力（拉力用应变片的应变测量），用上述方法测量传播时间，就得到了不同拉应力下T的数值。测量结果列于表1 中。


  超声测量的应力是sigma ，而应变片测量的应力是( 施加的应力）。将应变片测量的应力视为真实应力，求出超声测量应力差值，如表2 所示。

公式（2 3 ) 表明标定工作完成，可以进行现场螺栓应力的检测试验。条件是只能检测用35CrMo钢制作的各种规格的螺栓，其他螺栓的应力检测需要对相应的钢种重新制作标定曲线。对于新安装的设备，在螺母扭紧之前测出T0，扭紧过程中连续测量7\这样就能将螺栓的应力控制在标准规定的预紧力水平。在设备大修的过程中，如果设备已经泄压，可以和新安装设备一样控制螺栓的预紧力。如果不能泄压，可以选择多个螺栓中的一个，首先测量底波传播时间Ti ，之后将螺母松开测量T0，最后重新扭紧螺母，在扭紧螺母的过程中连续测量T ，将螺栓应力控制在设计的预紧力水平。从Ti可以计算旋松之前的螺栓预紧力。

3 讨论

4 结束语

    笔者开发的通过测量超声纵波传播速度测量螺栓预紧力的方法，在9 5 % 置信度的条件下测量误差小于10 MPa。使用小型便携式仪器，操作简便，在扭紧螺栓的过程中同时进行测量，每次测量所需时间不超过3 min。可以开展现场检测应用，并在应用中进一步考核。上述方法只是一项阶段性成果，有明显的局限性和缺点，表现在：①方法要求测量2 次超声纵波在螺栓内的传播时间，一次在螺栓不受力的条件下进行，另一次在受预紧力或工作应力的条件下进行，进一步改进的方向是，只需要在受力条件下进行测量，在用螺栓不必松开就可以测量其所承受的应力；②标定应力的范围较小，只有80 MPa, 有必要扩大到200 M Pa以上。