T∕CEEMA 02002-2023 风力发电机组螺栓预紧力在线监测技术规范

ICS29.160.40K52T/CEEMATechnicalSpecificationforOn-lineMonitoringofBoltsofWindTurbine中国电力设备管理协会发布标准分享吧http://www.bzfxb 风力发电机组螺栓预紧力在线监测技术规范 2规范性引用文件 3术语及定义 4代号 5仪器 6测量 7数据处理 8在线监测系统功能及构成 9在线监测流程 10报告 标准分享吧http://www.bzfxb本标准按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》给出的规则起草。本标准主要规范了以下内容：风力发电机组螺栓预紧力在线监测技术规范的相关术语及定义。风力发电机组螺栓预紧力在线监测技术规范的总体和具体要求。本标准由中国电力设备管理协会提出，本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本标准由中国电力设备管理协会归口和解释。本标准参编单位：国家电投集团科学技术研究院有限公司、国家电投集团云南国际电力投资有限公司、北京航能绿电科技有限公司、国电投南通新能源有限公司、中国安全生产科学研究院、上海交通大学、中安特卫安全服务有限公司、云南电投绿能科技有限公司、宁夏京银智慧新能源有限公司、东方电气风电股份有限公司、北京金风慧能技术有限公司、哈尔滨工业大学（威海）、北京鉴衡认证中心有限公司、中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司、东方绿色能源（河北）有限公司石家庄分公司、东方绿色能源（河北）有限公司内蒙古分公司、电设亚联（北京）认证服务有限公司。本标准参编人：吴智泉、张新、李盈盈、和庆冬、王海鹏、王振刚、付彦海、朱琳、张英喆、边卓伟、葛中原、宋惠蕙、李平、冯强、沈昕、李源、张邦强、司磊、杨洪源、陈潇、崔力文、刘迪、高文龙、李鹏、张喜健、赵强平。本导则在执行中若有意见和建议，请反馈至中国电力设备管理协会标准化管理办公室，电子邮箱：标准分享吧http://www.bzfxb风力发电机组螺栓预紧力在线监测技术规范本标准规定了基于超声波测量的风力发电机组螺栓预紧力在线监测技术。本标准适用于M6～M64的螺栓，夹持长度不小于3d。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T3098.1螺栓机械性能螺栓、螺钉和螺柱GB/T12604.1无损检测术语超声检测GB/T16823.2螺纹螺栓紧固通则GB/T16823.3螺栓扭矩-夹紧力试验GB/T18852无损检测超声检验测量接触探头声束特性的参考试块和方法GB/T25712振动时效工艺参数选择及效果评定方法GB/T38811金属材料残余应力声束控制法GB/T38952无损检测残余应力超声体波检测方法3术语及定义GB/T16823.2、GB/T16823.3、GB/T38952中界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1零应力螺栓zerostressbolt利用高能声束控制法（GB/T38811）或振动时效法（GB/T25712）制备的内应力接近0的标定螺栓。3.2标定螺栓referencebolt用于建立测量轴向应力与测量参数关系，处于自由状态的试验用螺栓，材料和型式尺寸应与被测量螺栓基本一致。3.3长度变化changeinlength由于轴向拉力变化导致的螺纹螺栓长度的物理变化。3.4有效长度effectivelength对应力作出响应的螺栓长度。介于螺栓全长和夹紧长度之间，通常按夹紧长度+螺栓头部厚度的一半+螺母高度的一半。3.5纵波longitudinalwave传播方向与材料质点的振动方向相同的波。标准分享吧http://www.bzfxb3.6横波transversewave传播方向与材料质点的振动方向垂直的波。3.7超声体波bulkwave纵波的偏振方向与传播方向平行的纵波和偏振方向与传播方向垂直的横波。3.8参考长度referencelength试样中的超声波飞行时间乘以参考传播速度。3.9飞行时间timeofflight在行进路径开始处发射超声波脉冲和在该路径结束处接收该脉冲之间测量的时间间隔。3.10声时timeofflight超声脉冲传输通过某段材料所用的时间。3.11声时差timedifferenceofflight材料应力变化引起材料中超声传输延时的相对变化量。3.12应力系数stresscoefficient表征声时差和材料应力关系的系数。3.13压电陶瓷片piezoelectricceramicpiece在两片铜制圆形电极中间放入压电陶瓷介质材料，当在两片电极上面接通交流音频信号时，压电片会根据信号的大小频率发生振动而产生相应的声波。4代号下列代号适用于本文件。KL螺栓材料的纵波应力系数；KS螺栓材料的横波应力系数；TLσ应力时纵波在紧固件长度内的传播时间，单位为秒（s）；TL0无应力时纵波在紧固件长度内的传播时间，单位为秒（sTSσ应力时横波在紧固件长度内的传播时间，单位为秒（s）；TS0无应力时横波在紧固件长度内的传播时间，单位为秒（sσ螺栓连接夹紧段的轴向应力，单位为兆帕（MPa）；A螺栓公称应力截面积；P螺栓预紧力。5仪器5.1一般要求用于本文件规定的轴向应力测量方法的测量仪器如图1所示，应包括体波检测探头、螺栓轴向应力超声体波检测仪和温度传感器。标准分享吧http://www.bzfxb系统测量误差：≤±5%。需要定期对螺栓轴向应力超声体波检测仪进行综合性能校准，以确认其测量数值的准确性，校准间隔最长不超过一年。校准规程按JJG1056规定。图5.1螺栓轴向应力超声体波测量仪器5.2体波检测探头a）体波检测探头应能实现超声横波和/或纵波的发射和接收，根据被检测材料的材质、尺寸、表面形廓、检测区域及服役应力的检测长度（l）等需求，选定体波换能器的中心频率、声束截面积等探头参数。b)压电式超声体波换能器和声楔块的材料选定和制备应符合GB/T18852。c)电磁超声体波换能器的选定和制备应符合GB/T20935.1。c）检测和标定用的服役应力体波检测探头应尽可能一致。d）压电式超声体波换能器接触面与被检测构件表面良好贴合，实现有效的超声波传递。5.3螺栓轴向应力超声体波检测仪螺栓轴向应力超声体波检测仪的作用是激励体波检测探头，得到并接收体波回波信号，通过计算超声体波传播时间来得到对应的螺栓轴向应力值。服役螺栓轴向应力有效范围15%～90%）RPO.2（螺栓材料屈服强度）。时间测量分辨率应优于被测螺栓应力从无应力达到70%屈服强度时的声时增量的1/100。超声检测频率应介于2MHz～10MHz之间。在满足测量精度的情况下，可采用本文件规定范围以外的频率。压电陶瓷片的固有频率应介于2MHz～10MHz之间。5.4温度传感器要求温度传感器能够在检测温度范围内准确测量被检测螺栓的温度，且温度测量精度满足A级以上。温度传感器应定期进行校准。6测量6.1测量位置如图2所示，通常在紧固件端面的中间部位进行测量，可由用户提出要求，或由供需双方约定。标准分享吧http://www.bzfxb图2测量位置示意图6.2试件准备检测表面和反射面应平整。检测时应可获得清晰的横波和/或纵波的回波。可在试件端面中间位置植入压电元件。6.3耦合剂耦合剂——对于纵向脉冲回波测量，需要液体来耦合换能器和螺栓之间的超声波。在常用的耦合剂中，在适用的情况下，50/50的甘油/水混合物通常可提供最佳效果。也可采用轻油或标准的市售超声波耦合剂。检测过程中如使用耦合剂，以保证在工作温度范围内探头与构件表面具有稳定可靠的声耦合，则体波的声时测量、应力系数标定和无应力声时测量过程使用的耦合剂应保持一致。采用压电超声双波法时，耦合剂应能稳定耦合横波的传导。6.4标定6.4.1标定螺栓标定螺栓的材料、型式尺寸和夹持长度应与被测螺栓基本一致（长度误差应在1.0%以内宜选用同厂家、同批次的同规格螺栓。有特殊要求时，可按GB/T38811规定的高能声束法或按GB/T25712规定的振动时效法制备零应力螺栓，或通过在弹性阶段重复拉伸多次的简易方法制备零应力螺栓作为标定螺栓。大规格螺栓可采用机加工拉伸试样进行应力系数的标定，试样制备和标定方法由供需协议。6.4.2标定程序应力系数标定螺栓应力系数标定条件应与被测螺栓装配状态保持一致。在环境温度（10℃~35℃)下，使用符合GB/T16825.1的拉力试验机，在材料弹性范围内对标定螺栓按照GB/T228.1规定的方法进行拉伸试验，测量不少于5点，均布在轴向应力（30%～90%）Rp0.2范围内。宜使用3支标定螺栓的声时与轴向力试验数据，根据各测量点拉力值、螺栓公称应力截面积A计算轴向应力，得到应力-声时差标定曲线，拟合得出应力系数。无应力状态声时比标定对双波法，测量标定螺栓自由状态下纵波和横波传播时间TL0及TS0，计算得到无应力状态声时比（或其他声特征量），至少测量5支标定螺栓，取平均值。若声时比变异系数＞0.00025，应增加标定螺栓标准分享吧http://www.bzfxb数量，直至变异系数≤0.00025。6.5测量程序6.5.1单波测量程序a)测量螺栓自由状态下超声纵波在其长度内的传播时间TL0，体波检测探头放置的端面位置应与标定应力系数时保持一致；b)测量螺栓应力状态下超声纵波在其长度内的传播时间TL，探头放置的端面位置应与标定应力系数和测量TL0时保持一致；c)根据应力系数、温度补偿系数和测得的纵波传播时间TL0及TL，计算出应力状态下螺栓的轴向应力和紧固轴力。6.5.2双波测量程序a)测量螺栓应力状态下超声纵波在其长度内的传播时间TL和超声横波在其长度内的传播时间TS，探头放置的端面位置应与标定应力系数时保持一致；b)根据应力系数、温度补偿系数、无应力状态声时比（或其他声特征量），和测量得到的纵波及横波传播时间TL及TS，计算出应力状态下螺栓的轴向应力和紧固轴力。当测量精度要求较高时，应测量被测螺栓自由状态下超声纵波在其长度内的传播时间TL0和超声横波在其长度内的传播时间TS0。7数据处理7.1预紧力计算单纵波法螺栓轴向应力测量的计算式应为σ=KL（1）双波法螺栓轴向应力测量的计算式应为：（2）由单波法或双波法测得螺栓连接的轴向应力后，可根据螺栓承受轴向载荷的有效截面积计算得到螺栓连接的预紧力。P=σ.A（3）式（3）中，P为螺栓连接预紧力，σ是螺栓中的轴向应力，A为螺栓的有效截面积。7.2误差补偿7.2.1温度补偿当标定和实测温度不同时，应进行温度补偿。单纵波法螺栓应力测量的温度补偿可按式（4）计算：标准分享吧http://www.bzfxb式中：——测量无应力状态声时的温度；——测量应力状态声时的温度。双波法螺栓应力测量的温度补偿可按式（5）计算：σ=（5）SL)K{[(TS(θ)αS(θθ0)]/[(TL(θ)αL(θθ0)]}SL式中：ɑS——横波温度系数；ɑL——纵波温度系数。7.2.2形状因子补偿螺栓连接仅在夹持长度内产生轴向应力，螺栓的夹持长度与其总长度往往是不同的，长度的差异与螺栓形状和螺母位置有关，这种长度差异常称为螺栓连接的形状因子，应对螺栓连接的形状因子进行补偿。8在线监测系统功能及构成8.1一般要求用于本标准远程监测方法规定的风电螺栓预紧力监测系统，至少应该包括改进的现场检测系统、网络云服务、远程应力状态监视系统。8.2改进的现场检测系统改进的现场检测系统除了上述现场检测系统具备的功能之外，还可以通过设定相应的检测间隔时间，对螺栓的同一位置进行预紧力循环检测，同时利用因特网将每次检测得到的应力值实时地上传至网络云服务中，为远程在线监测提供数据源。8.3网络云服务网络云服务在该系统中主要起枢纽的作用，用于实现现场检测与远程监视之间的连接，既可以将现场检测的螺栓预紧力值保存到云端，也可以将云端的