一种水轮机螺栓在线超声检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种用于水轮机螺栓的检测装置，特别是一种水轮机螺栓在线超声检测装置及其检测方法。

背景技术

随着国内水力发电厂投运时间的延长，水力发电厂中高水头、高转速机组接连发生了螺栓断裂、振动异常等材料疲劳现象，严重影响机组的安全运行，存在较大的安全隐患。而作为发电机的关键设备，水轮机的重要性不言而喻，其完好性和可靠性是整个机组安全运行的基础；而500rpm以上的机组由于转速和性能的原因，一般临界转速设计通常不超过1.2倍安全裕度，可靠性低于常规机组，这使得水轮机顶盖螺栓长期运行过程中的疲劳安全余量偏低，容易在高速转动运行过程中发生螺栓疲劳引发断裂的事故，进而需要厂家对水轮机螺栓进行定期检测，并在检测到水轮机螺栓存在断裂隐患时及时更换，以保证水轮机螺栓的稳定性和水轮机组的安全性。

针对上述情况，专利202211421659.5公开了一种超声波传感器，通过将超声波传感器直接安装在水轮机螺栓上，使其能够实现对水轮机螺栓的在线检测，并依靠反射回波的波高数值判断出水轮机螺栓是否存在结构缺陷。但由于通过超声波直接检测的方式仅能获取到水轮机螺栓在若干反射点的反射回波波高，使得厂家在判断时只能将该波高数值与标准值进行比对，若高于标准值则说明水轮机螺栓存在裂纹，若波高数值达到阈值则说明裂纹深度过大，存在断裂隐患。但这种检测方式不仅无法测出各反射回波对应的螺栓高度，使得技术人员无法获取到各裂纹所在的位置，从而增加了对裂纹危害性的判断难度；并且水轮机螺栓的实际裂纹情况十分复杂，裂纹的密集程度和走向均会影响水轮机螺栓的安全性，而上述检测方式由于并无法对裂纹的密集程度和走向进行判断，导致技术人员在检测结果的基础上也无法准确判断出水轮机螺栓的安全性。

因此，现有对水轮机螺栓的在线检测方式存在检测效果差、螺栓安全性难以判断的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种水轮机螺栓在线超声检测装置及其检测方法。它能够有效提高对水轮机螺栓的检测效果和判断准确度。

本发明的技术方案：一种水轮机螺栓在线超声检测装置，包括安装在水轮机螺栓上的第一监测模组和安装在对比试块上的第二监测模组，对比试块的外形与水轮机螺栓一致且对比试块上设有固定深度的人工线槽，第一监测模组和第二监测模组的外部经信号传输模块连接主服务器；所述第一监测模组和第二监测模组的结构相同，均包括信号采集模块、控制模块、脉冲激励接收模块、无源阵列超声传感器和信号发射模块，

其中无源阵列超声传感器用于向水轮机螺栓或对比试块的内部发射超声波，并接收带有反射回波信息的反射电信号，

脉冲激励接收模块用于为无源阵列超声传感器提供激励电信号，并接收无源阵列超声传感器发出的反射电信号，

信号采集模块用于将脉冲激励接收模块发出的激励电信号传输至无源阵列超声传感器，并将无源阵列超声传感器获取到的反射电信号传输至脉冲激励接收模块，

信号发射模块用于将脉冲激励接收模块获取到的反射电信号经传输模块发送至主服务器，

控制模块用于同步控制第一监测模组内的其他功能模块，

主服务器用于将水轮机螺栓的反射电信号与对比试块的反射电信号进行比对，判断水轮机螺栓是否存在裂纹。

前述的一种水轮机螺栓在线超声检测装置中，所述无源阵列超声传感器分别向水轮机螺栓的螺牙部位和杆体中心部位发射超声波，从而接收到带有水轮机螺栓螺牙部位超声反射信息和水轮机螺栓杆体中心部位超声反射信息的反射电信号。

前述的一种水轮机螺栓在线超声检测装置中，所述对比试块的安装位置位于水轮机螺栓的一侧，且两者的工作环境趋于一致。

前述的一种水轮机螺栓在线超声检测装置中，所述无源阵列超声传感器中设有多个用于发射超声波的压电单元，压电单元沿周向分布在水轮机螺栓或对比试块的端部四周。

基于前述的一种水轮机螺栓在线超声检测装置的检测方法，由第一监测模组向水轮机螺栓连续发射超声波，每发射一道超声波为一次检测周期，分别接收到水轮机螺栓在一次检测周期内不同距离的反射回波，其中始波为水轮机螺栓在距离超声波发射点最近位置的反射回波，底波为水轮机螺栓在距离超声波发射点最远位置的反射回波，

同时由第二监测模组向对比试块连续发射超声波，每发射一道超声波为一次检测周期，分别接收到对比试块在一次检测周期内不同距离的反射回波，其中始波为对比试块在距离超声波发射点最近位置的反射回波，底波为对比试块在距离超声波发射点最远位置的反射回波，设定对比试块在人工线槽处的波高为60％波高阈值；

当水轮机螺栓在一次检测周期内的反射回波中出现不小于60％波高阈值的反射回波，则判断水轮机螺栓为Ⅲ级状态；

当水轮机螺栓在一次检测周期内的底波消失，则判断水轮机螺栓为Ⅲ级状态；

当水轮机螺栓在一次检测周期内的反射回波中出现高于10％波高阈值的反射回波，且水轮机螺栓在相邻检测位置存在异常的反射回波，则判断水轮机螺栓为Ⅱ级状态；

当水轮机螺栓在一次检测周期内的反射回波中出现高于15％波高阈值的反射回波，且水轮机螺栓在后续检测周期内测得的反射回波相比该检测周期内的反射回波存在确定的增高，则判断水轮机螺栓为Ⅱ级状态；

当水轮机螺栓在一次检测周期内的底波波高低于对比试块底波波高的15％，且水轮机螺栓在后续检测周期中的底波波高相比该检测周期内的底波存在确定的下降，则判断水轮机螺栓为Ⅱ级状态；

当水轮机螺栓在一次检测周期内的反射回波不存在上述情况时，则判断水轮机螺栓为I级状态。

前述的检测方法中，当水轮机螺栓为Ⅲ级状态时，主服务器判断水轮机螺栓存在断裂损伤；当水轮机螺栓为Ⅱ级状态，主服务器判断水轮机螺栓存在断裂损伤或第一监测模组存在监测误差，需对第一监测模组进行误差校正，若水轮机螺栓在误差校正后仍达到Ⅱ级或Ⅲ级状态，主服务器则判断水轮机螺栓存在断裂损伤；当水轮机螺栓为I级状态时，主服务器判断水轮机螺栓为正常状态。

前述的检测方法中，反射回波存在确定的增高是指水轮机螺栓在后续检测周期内测得的波高相比该检测周期内的波高形成2dB以上的增幅；水轮机螺栓在后续检测周期中的底波波高相比该检测周期内的底波存在确定的下降是指水轮机螺栓在后续检测周期内测得的底波数值相比该检测周期内的底波数值形成2dB以上的降幅。

前述的检测方法中，当水轮机螺栓在一次检测周期内的反射回波中出现高于10％波高阈值的反射回波，且水轮机螺栓在相邻检测位置存在异常的反射回波，判断水轮机螺栓为Ⅱ级状态具体是指当第一监测单元中的任一压电单元在一次检测周期内接收到现高于10％波高阈值的反射回波，且相邻两侧的压电单元接收到异常的反射回波时，判断水轮机螺栓为Ⅱ级状态。

前述的检测方法中，以超声波的发射时间到每个反射回波的接收时间为渡越时间t

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

(1)本发明通过第一监测模组和第二监测模组的配合，能够分别对水轮机螺栓和对比试块进行检测，并将两组反射电信号同时发送至主服务器，主服务器则能够对两组反射电信号进行比对，从而依靠反射电信号在人工线槽处的波高判断出水轮机螺栓波高所对应的裂纹深度，实现对裂纹深度的检测；同时，通过以水轮机螺栓为基础建立圆柱坐标系，并配合对渡越时间t

(2)在此基础上，本发明还结合对比试块的波高对水轮机螺栓的安全等级进行划分，从而针对各类不同状态的裂纹结构对水轮机螺栓的危害性进行分级评判，有效提高对水轮机螺栓安全性的判断准确度；

所以，本发明能够有效提高对水轮机螺栓的检测效果和判断准确度。

附图说明

图1是水轮机螺栓和对比试块在第一种状态时的反射回波图表；

图2是水轮机螺栓和对比试块在第二种状态时的反射回波图表；

图3是水轮机螺栓在第三种状态时的反射回波图表；

图4是水轮机螺栓在第四种状态时的反射回波图表；

图5是水轮机螺栓在第五种状态时的反射回波图表；

图6是本发明的连接示意图。

附图中的标记为：1-水轮机螺栓，2-第一监测模组，3-对比试块，4-第二监测模组，5-信号传输模块，6-主服务器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。一种水轮机螺栓在线超声检测装置，构成如图1所示，包括安装在水轮机螺栓1上的第一监测模组2和安装在对比试块3上的第二监测模组4，该对比试块3为专利202222519277.8的对比试块，对比试块3的外形与水轮机螺栓1一致且对比试块3上设有固定深度的人工线槽，第一监测模组2和第二监测模组4的外部经信号传输模块5连接主服务器6，信号传输模块5可选用有线、无线或互联网传输模块；

所述第一监测模组2和第二监测模组4的结构相同，均包括信号采集模块、控制模块、脉冲激励接收模块、无源阵列超声传感器、信号发射模块和电池模块，通过电池模块对各功能模块进行供电；

其中无源阵列超声传感器为专利202211421659.5中的超声波传感器，用于向水轮机螺栓1或对比试块3的内部发射超声波，并接收带有反射回波信息的反射电信号，

脉冲激励接收模块用于为无源阵列超声传感器提供激励电信号，并接收无源阵列超声传感器发出的反射电信号，

信号采集模块用于将脉冲激励接收模块发出的激励电信号传输至无源阵列超声传感器，并将无源阵列超声传感器获取到的反射电信号传输至脉冲激励接收模块，

信号发射模块可选用Lora无线模块，用于将脉冲激励接收模块获取到的反射电信号无线传输至Lora网关节点，再通过有线、无线或互联网将反射电信号集中传输到主交换机，并将主服务器6发送的控制指令传输至控制模块；

控制模块用于同步控制第一监测模组2内的其他功能模块，并根据主服务器6的指令切换检测模式；

主服务器6通过交换机与信号发射模块进行数据传输，并内置有监测软件，通过监测软件控制并动态调整第一监测模组2和第二监测模组4的各项功能，从而对反射电信号进行实时收集、分析计算和评价处理，完成螺栓疲劳裂纹反射信号的监测。

所述无源阵列超声传感器分别向水轮机螺栓1的螺牙部位和杆体中心部位发射超声波，从而接收到带有水轮机螺栓1螺牙部位超声反射信息和水轮机螺栓1杆体中心部位超声反射信息的反射电信号。

所述对比试块3的安装位置位于水轮机螺栓1的一侧，且两者的温度、湿度等环境因素趋于一致；第二监测模组4需要定期校验以保证其检测准确度。

所述无源阵列超声传感器中设有多个用于发射超声波的压电单元，压电单元沿周向分布在水轮机螺栓1或对比试块3的端部四周。

基于所述的一种水轮机螺栓1在线超声检测装置的检测方法，由第一监测模组2通过安装在水轮机螺栓1上的压电单元向水轮机螺栓1的螺牙部位或杆体中心部位连续发射超声波，每发射一道超声波为一次检测周期，分别接收到水轮机螺栓1在一次检测周期内不同距离的反射回波，其中始波为水轮机螺栓1在距离超声波发射点最近位置的反射回波，底波为水轮机螺栓1在距离超声波发射点最远位置的反射回波，

同时由第二监测模组4向对比试块3连续发射超声波，每发射一道超声波为一次检测周期，分别接收到对比试块3在一次检测周期内不同距离的反射回波，其中始波为对比试块3在距离超声波发射点最近位置的反射回波，底波为对比试块3在距离超声波发射点最远位置的反射回波，设定对比试块3在人工线槽处的波高为60％波高阈值，该波高是指无源阵列超声传感器在发射超声波后接收到的反射回波数值，波高阈值为人为设定的最大波高数值；

主服务器6在接收到第一监测模组2和第二监测模组4发送的反射电信号时，根据对应的反射回波信息生成反射回波图表，反射回波图表中的X轴代表反射回波的高度值，Y轴代表反射回波的波高；

当水轮机螺栓1在一次检测周期内的反射回波中出现不小于60％波高阈值的反射回波，说明水轮机螺栓1中出现不小于人工线槽深度的反射回波，判断水轮机螺栓1为Ⅲ级状态，该状态下的反射回波图表如图1所示，其中图1a为对比试块3在一次检测周期内接收到的反射回波，图1b为水轮机螺栓1在一次检测周期内接收到的反射回波，图1b中的标记X为不小于60％波高阈值的反射回波；

当水轮机螺栓1在一次检测周期内的底波消失，说明水轮机螺栓1中存在严重反射或吸收超声波的裂纹缺陷，导致无源阵列超声传感器无法回收到正常的反射回波，判断水轮机螺栓1为Ⅲ级状态，该状态下的反射回波图表如图2所示，其中图2a为对比试块3在一次检测周期内接收到的反射回波，图2b为水轮机螺栓1在一次检测周期内接收到的反射回波，图2b中的标记X为底波消失状态的反射回波；

当水轮机螺栓1在一次检测周期内的反射回波中出现高于10％波高阈值的反射回波，且水轮机螺栓1在相邻检测位置存在异常的反射回波，说明水轮机螺栓1中存在周向长度较大的反射回波，判断水轮机螺栓1为Ⅱ级状态，该状态下的反射回波图表如图3所示，其中图3b为水轮机螺栓1在一次检测周期内接收到的反射回波，图3b中的标记X为高于10％波高阈值的反射回波；图3a和图3c为相邻检测位置的反射回波，图3a和图3c中的标记X为异常的反射回波；

当水轮机螺栓1在一次检测周期内的反射回波中出现高于15％波高阈值的反射回波，且水轮机螺栓1在后续检测周期内测得的反射回波相比该检测周期内的反射回波存在确定的增高，说明水轮机螺栓1中存在随运行周期不断扩展的反射回波，即裂纹深度逐渐增加，判断水轮机螺栓1为Ⅱ级状态，该状态下的反射回波图表如图4所示，其中图4a为水轮机螺栓1在一次检测周期内接收到的反射回波，图4a中的标记X为15％波高阈值的反射回波，图4b为后续检测周期内的反射回波，图4b中的标记X为相同高度位置的反射回波；

当水轮机螺栓1在一次检测周期内的底波波高低于对比试块3底波波高的15％，且水轮机螺栓1在后续检测周期中的底波波高相比该检测周期内的底波存在确定的下降，说明水轮机螺栓1中存在随运行周期不断扩展的裂纹缺陷，导致无源阵列超声传感器无法回收到正常的反射回波，则判断水轮机螺栓1为Ⅱ级状态，该状态下的反射回波图表如图5所示，其中图5a为水轮机螺栓1在一次检测周期内接收到的反射回波，图5a中的标记X为水轮机螺栓1的底波，图5b为后续检测周期内的反射回波，图5b中的标记X为水轮机螺栓1的底波；

当水轮机螺栓1在一次检测周期内的反射回波不存在上述情况时，则判断水轮机螺栓1为I级状态。

当水轮机螺栓1为Ⅲ级状态时，主服务器6判断水轮机螺栓1存在断裂损伤，需进行更换；当水轮机螺栓1为Ⅱ级状态，主服务器6判断水轮机螺栓1存在断裂损伤或第一监测模组2存在监测误差，需由作业人员前往现场对第一监测模组2进行误差校正，若水轮机螺栓1在误差校正后仍达到Ⅱ级或Ⅲ级状态，主服务器6则判断水轮机螺栓1存在断裂损伤，需进行更换；当水轮机螺栓1为I级状态时，主服务器6判断水轮机螺栓1为正常状态。

反射回波存在确定的增高是指水轮机螺栓1在后续检测周期内测得的波高相比该检测周期内的波高形成2dB以上的增幅；水轮机螺栓1在后续检测周期中的底波波高相比该检测周期内的底波存在确定的下降是指水轮机螺栓1在后续检测周期内测得的底波数值相比该检测周期内的底波数值形成2dB以上的降幅。

当水轮机螺栓1在一次检测周期内的反射回波中出现高于10％波高阈值的反射回波，且水轮机螺栓1在相邻检测位置存在异常的反射回波，判断水轮机螺栓1为Ⅱ级状态具体是指当第一监测单元中的任一压电单元在一次检测周期内接收到现高于10％波高阈值的反射回波，且相邻两侧的压电单元接收到异常的反射回波时，判断水轮机螺栓1为Ⅱ级状态，该异常的反射回波是指相邻压电单元检测到的该深度位置的反射回波波高高于对比试块3在相同深度位置的反射回波波高；

检测时由信号采集模块按序将激励电信号依次发送至无源阵列超声传感器的每一个压电单元，并在固定时间间隔内完成对反射回波的接收，分别测出每个反射回波从发射超声波到接收反射回波的间隔时间；以超声波的发射时间到每个反射回波的接收时间为接收信号的渡越时间t

第二监测模组4在安装时，安装人员以第一监测模组2作为校准通道对第二监测模组4的检测参数进行校准，使水轮机螺栓1和对比试块3在非裂纹部位的波高偏差控制在2％以内，并调节第一监测模组2和第二监测模组4中的压电单元的检测灵敏度差值在1dB以内。

当水轮机螺栓1为Ⅱ级状态需对第一监测模组2进行误差校正时，作业人员对该水轮机螺栓1上的第二监测模组4进行更换，并按相同方式对更换后的第二监测模组4进行校准；若第二监测模组4在校准后仍测出水轮机螺栓1为Ⅱ级状态时，则说明水轮机螺栓1存在安全隐患。

本发明通过在现有无源阵列超声传感器和对比试块3的基础上，通过第一监测模组2和第二监测模组4的结构和功能限定，能够同时对水轮机螺栓1和对比试块3进行超声波检测，并将获取到的反射电信号发送至主服务器6。主服务器6则能够以对比试块3的反射电信号作为校准信号对水轮机螺栓1的反射回波进行分析，计算出各反射回波在水轮机螺栓1中的高度位置和波高数值，进而得到水轮机螺栓1中裂纹缺陷的深度、长度参数和分布位置，有效提高对裂纹缺陷的检测效果。

进一步的，本发明还针对裂纹缺陷对水轮机螺栓1的安全等级进行划分，使得厂家能够根据水轮机螺栓1的反射回波直接判断出水轮机螺栓1是否存在安全隐患，提高对水轮机螺栓1安全隐患的判断准确度。

由于水轮机螺栓1在螺牙螺杆连接位置的受力强度相对较低，从而相对其他部位更易出现裂纹，裂纹的扩展速度也相对更快，更加容易造成水轮机螺栓1的整体断裂。而在上述基础上，检测人员还能够基于该裂纹所在的高度位置对水轮机螺栓1进行重点判断，即由人工限定水轮机螺栓1在螺牙螺杆连接位置的高度范围为重点观测区域，当重点观测区域内的水轮机螺栓1出现高于正常波高数值的反射回波时，主服务器6主动报警，从而提醒作业人员及时处理和校验，提高水轮机螺栓1的工作稳定性。