CN110501231B - 核电汽轮机汽缸螺栓应力与应变测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核电汽轮机汽缸螺栓应力与应变测试系统，包括测试记录组件，用于在开缸期间对所有待测螺栓逐一进行紧固测试、记录测试结果并编号；加工计算组件，用于在扣缸紧固期间根据每一待测螺栓的测试结果分别计算出热紧弧长值或冷紧力矩值，使得每一待测螺栓根据热紧弧长值或冷紧力矩值在热紧或冷紧操作后达到各自的伸长量目标值。本发明的核电汽轮机汽缸螺栓应力与应变测试系统中，通过对待测螺栓逐一进行测试，再根据测试结果计算得出可使得待测螺栓达到伸长量目标值的热紧弧长值或冷紧力矩值，实现了对汽轮机上的每个螺栓个性化定制热紧弧长值或冷紧力矩值，使得螺栓一次紧固后伸长量能够达到要求，或减小多次热紧或冷紧的次数及数量。

Description

核电汽轮机汽缸螺栓应力与应变测试系统

技术领域

本发明涉及核电领域，尤其涉及一种核电汽轮机汽缸螺栓应力与应变测试系统。

背景技术

百万千瓦核电半速机的高中压缸中分面螺栓，目前采用加热方式紧固，热紧后待冷却至室温测量螺栓伸长量，整个过程需要4-6天时间。百万千瓦核电全速机汽轮机高压缸，原设计采用加热方式紧固，后改为机械冷紧拉伸，紧固过程缩短至24h。

百万千瓦核电机组高压缸或高中压缸汽缸中分面螺栓规格从M52-M140，螺栓尺寸大，应力大，对汽轮机运行安全至关重要。随着螺栓使用年限延长，螺栓长期运行受高温蠕变、材料松弛等影响，材料本身特性“弹性模量”会发生一定变化，历史检修经验表明，相同规格相邻螺栓即使完全相同的热紧弧长热紧后或冷紧紧固力矩，螺栓伸长量会不同，甚至超出标准，这造成即使热紧弧长划线精准，或冷紧力矩对应的油压精准也无法保证紧固后螺栓伸长量能够满足要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种改进的核电汽轮机汽缸螺栓应力与应变测试系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种核电汽轮机汽缸螺栓应力与应变测试系统，包括：

测试记录组件，用于在开缸期间对所有待测螺栓逐一进行紧固测试、记录测试结果并编号；

加工计算组件，用于在扣缸紧固期间根据每一所述待测螺栓的所述测试结果分别计算出热紧弧长值或冷紧力矩值，使得每一所述待测螺栓根据所述热紧弧长值或所述冷紧力矩值在热紧或冷紧操作后达到各自的伸长量目标值。

优选地，所述测试记录组件包括：

个性化测试套筒，用于套设在所述待测螺栓外围并固定所述待测螺栓；

测试台架，用于支撑所述个性化测试套筒；

紧固螺母，连接在所述待测螺栓顶部；

紧固机具，与所述紧固螺母咬合装配，所述紧固机具通过一高压油管接入一液压泵站输出的高压油，使得所述紧固机具驱动所述紧固螺母；

液压中空千斤顶，套设在所述个性化测试套筒外围；

压力传感器，与所述液压中空千斤顶相连接、实时测量所述液压中空千斤顶油缸内部压力的变化，并输出压力信号，所述测试结果包括所述压力信号；

位移传感器，安装在所述待测螺栓底部，用于实时测量所述待测螺栓的位移变化，并输出位移信号，所述测试结果包括所述位移信号；以及

存储及编号单元，接收所述压力信号和所述位移信号，并根据所述待测螺栓进行编号保存；

所述加工计算组件包括：

第一绘制单元，与所述存储及编号单元相连接，用于根据所述压力信号和所述位移信号绘制每一所述待测螺栓的受力与伸长量变化曲线；

第一计算单元，与所述第一绘制单元相连接，用于根据所述受力与伸长量变化曲线、所述伸长量目标值计算出所述热紧弧长值或所述冷紧力矩值。

优选地，所述加工计算组件还包括

第二绘制单元，与所述第一绘制单元相连接，用于根据所述受力与伸长量变化曲线绘制每一所述待测螺栓的应力应变曲线；

第二计算单元，与所述第二绘制单元相连接，用于根据所述应力应变曲线计算出所述待测螺栓的弹性模量；

判断单元，与所述第二计算单元相连接，用于判断所述弹性模量是否超过一预设阈值，若是，则发出更换螺栓提示。

优选地，所述预设阈值是原始弹性模量的85％-115％。

优选地，所述预设阈值是原始弹性模量的90％-110％。

优选地，所述加工计算组件还包括一压力控制单元，与所述液压泵站相连接，所述压力控制单元用于控制所述液压泵站的输出压力、并逐渐加载紧固所述待测螺栓至所述待测螺栓紧固力矩的一预设倍数。

优选地，所述预设倍数是1.1-1.4倍。

优选地，所述预设倍数是1.2倍。

优选地，所述存储及编号单元、所述第一绘制单元、所述第一计算单元、所述第二绘制单元、所述第二计算单元、所述判断单元集成于一体。

优选地，所述测试记录组件还包括移动小车及设置在所述移动小车上、用于将所述待测螺栓吊装入所述个性化测试套筒中的悬臂吊。

实施本发明的有益效果是：本发明的核电汽轮机汽缸螺栓应力与应变测试系统中，通过对待测螺栓逐一进行测试，再根据测试结果计算得出可使得待测螺栓达到伸长量目标值的热紧弧长值或冷紧力矩值，实现了对汽轮机上的每个螺栓个性化定制热紧弧长值或冷紧力矩值，使得螺栓一次紧固后伸长量能够达到要求，或减小多次热紧或冷紧的次数及数量。预计采用本发明技术方案后，百万千瓦核电半速机的高中压缸中分面螺栓紧固过程可由4-6天缩短至3-4天检修工期，百万千瓦核电全速机的高中压缸中分面螺栓紧固过程可由24小时缩短至12小时以内。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一些实施例中核电汽轮机汽缸螺栓应力与应变测试系统的原理示意图；

图2是本发明一些实施例中核电汽轮机汽缸螺栓应力与应变测试系统的结构示意图；

图3是本发明一些实施例中待测螺栓的受力与伸长量变化曲线；

图4是本发明一些实施例中待测螺栓的应力应变曲线。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1和图2示出了本发明一些实施例中的核电汽轮机汽缸螺栓应力与应变测试系统，用于测试待测螺栓3并计算得出可使得待测螺栓3达到伸长量目标值的热紧弧长值或冷紧力矩值。本发明一些实施例中的核电汽轮机汽缸螺栓应力与应变测试系统包括测试记录组件100和加工计算组件200，测试记录组件100用于在开缸期间对所有待测螺栓3逐一进行紧固测试、记录测试结果并编号；加工计算组件200用于在扣缸紧固期间根据每一待测螺栓3的测试结果分别计算出热紧弧长值或冷紧力矩值，使得每一待测螺栓3根据热紧弧长值或冷紧力矩值在热紧或冷紧操作后达到各自的伸长量目标值。

其中，测试记录组件100包括移动小车14、悬臂吊11、个性化测试套筒2、测试台架1、紧固螺母6、连接螺母4、紧固机具12、高压油管10、液压泵站7、液压中空千斤顶5、压力传感器8、位移传感器13、存储及编号单元15。

移动小车14可根据实际需求自动化或者手动调节前进方向、速度、位置等。悬臂吊11设置在移动小车14，用于将待测螺栓3吊装入个性化测试套筒2中。可以理解地，悬臂吊11吊装方式还可以为多种形式，例如，自动化吊装、依据需求预先设置好吊装、或者是人工手动吊装，此处不做具体限制，只要可以实现相关功能即可。作为选择，移动小车14和悬臂吊11可以设置，也可以不设置。在人工手动实现待测螺栓3装入个性化测试套筒2的功能时，可以不设置移动小车14和悬臂吊11。

个性化测试套筒2用于套设在待测螺栓3外围并固定待测螺栓3。测试台用于支撑个性化测试套筒2。连接螺母4连接在待测螺栓3底部。紧固螺母6连接在待测螺栓3顶部。紧固机具12与紧固螺母6咬合装配，紧固机具12通过一高压油管10接入一液压泵站7输出的高压油，使得紧固机具12驱动紧固螺母6。

液压中空千斤顶5套设在个性化测试套筒2外围。压力传感器8与液压中空千斤顶5相连接，用于实时测量液压中空千斤顶5油缸内部压力的变化，并输出压力信号，测试结果包括压力信号。位移传感器13安装在待测螺栓3底部，用于实时测量待测螺栓3的位移变化，并输出位移信号，测试结果包括位移信号。

存储及编号单元15接收压力信号和位移信号，并用于根据待测螺栓3进行编号保存。

加工计算组件200包括第一绘制单元16、第一计算单元17、第二绘制单元18、第二计算单元19、判断单元20、压力控制单元21。

其中，第一绘制单元16与存储及编号单元15相连接，用于根据压力信号和位移信号绘制每一待测螺栓3的受力与伸长量变化曲线。一些实施例中的受力与伸长量变化曲线如图3。

第一计算单元17与第一绘制单元16相连接，用于根据受力与伸长量变化曲线、伸长量目标值计算出热紧弧长值或冷紧力矩值。

第二绘制单元18与第一绘制单元16相连接，用于根据受力与伸长量变化曲线绘制每一待测螺栓3的应力应变曲线。一些实施例中的应力应变曲线如图4。

第二计算单元19与第二绘制单元18相连接，用于根据应力应变曲线计算出待测螺栓3的弹性模量。其中，弹性模量的计算公式参考如下：

E＝σ/ε

σ——应力MPa，ε——应变。

σ＝F/A，F——力，N。A——受力面积，m²。

ε＝△L/L。△L——长度变化量，mm。L——有效长度，mm。

通过第一绘制单元16测量出的受力与伸长量变化曲线，计算出应力与应变变化并绘制出应力应变曲线，得出每一个具体螺栓的弹性模量，根据螺栓受力与伸长量变化曲线，给出在螺栓伸长量标准范围内(通常螺栓伸长量在0.5～2.5mm之间，具体每种规格螺栓各不相同)，螺栓应该施加多大的力。对于机械冷紧拉伸螺栓，并最终给出每一颗螺栓的相应的液压泵站7油压输出值，或冷紧力矩值，实施过程中，通过调整液压泵站7的压力调节阀给每一颗螺栓施加针对性的紧固油压值，实现螺栓一次紧固后伸长量一次达到伸长量目标值。对于热紧螺栓，则给出每个螺栓的精确热紧弧长值，对螺栓实施热紧。

判断单元20与第二计算单元19相连接，用于判断弹性模量是否超过一预设阈值，若是，则发出更换螺栓提示。作为选择，预设阈值是原始弹性模量的85％-115％。在一些优选实施例中，预设阈值是原始弹性模量的90％-110％。这样的好处是，根据计算得出每一颗螺栓的弹性模量值，与原始设计标准值对比，当超出原始材料的弹性模量±10％范围时，建议予以更换。

可以理解地，根据获得的汽缸螺栓应力应变曲线，计算出材料的弹性模量值，与初始数值比较，可以对螺栓健康状态进行评估，是否有材料严重老化现象，及严重缺陷。通过每次对汽缸螺栓应力应变曲线的测量，跟踪和预测螺栓变化趋势，及早发现问题，确保汽缸螺栓始终处于健康状态，对于有严重性能下降的需要更换新螺栓。

作为选择，第二绘制单元18、第二计算单元19、判断单元20可以设置，也可以不设置。在一些螺栓整体较新、不需要更好不符合一定要求的螺栓情况下，第二绘制单元18、第二计算单元19、判断单元20也可以不设置。

压力控制单元21与液压泵站7相连接，压力控制单元21用于控制液压泵站7的输出压力、并逐渐加载紧固待测螺栓3至待测螺栓3紧固力矩的一预设倍数。在一些实施例中，作为选择，预设倍数是1.1-1.4倍。优选地，预设倍数是1.2倍。作为选择，压力控制单元21可以设置，也可以不设置。在液压泵站7的高压油压力手动控制、或者不需要逐渐加载的情况下，压力控制单元21可以不设置。

可以理解地，在仅设置存储及编号单元15、第一绘制单元16、第一计算单元17的情况下，存储及编号单元15、第一绘制单元16、第一计算单元17可集成于一体。在仅设置存储及编号单元15、第一绘制单元16、第一计算单元17、第二绘制单元18、第二计算单元19、判断单元20的情况下，存储及编号单元15、第一绘制单元16、第一计算单元17、第二绘制单元18、第二计算单元19、判断单元20集成于一体。在存储及编号单元15、第一绘制单元16、第一计算单元17、第二绘制单元18、第二计算单元19、判断单元20、压力控制单元21都设置的情况下，存储及编号单元15、第一绘制单元16、第一计算单元17、第二绘制单元18、第二计算单元19、判断单元20、压力控制单元21集成于一体。例如，以上各种组合均可选择性地集成于一如图2所示的计算机9中，或者，也可以为其他形式的智能设备中，例如手机、移动电脑等，此处不做具体限制，只要可以实现相关功能即可。

综上，液压泵站7与液压紧固机具12通过带有快速接头的高压油管10相连，液压泵站7输出高压油驱动液压紧固机具12紧固螺母6，压力传感器8接在能够输出压力的测量液压中空千斤顶5预留的压力接口处，测量紧固螺母6紧固过程中液压中空千斤顶5油缸内部压力的变化，并由该压力信号计算出力的大小。位移传感器13安装在待测螺栓3的底部，目的是测量紧固螺母6紧固过程中螺栓伸长量的变化，由获得的螺栓拉力与螺栓伸长位移变化量可以生成螺栓受力与伸长量变化曲线。一些实施例中的受力与伸长量变化曲线如图3。并根据输入的螺栓参数最终计算生成得出螺栓的应力应变曲线，一些实施例中的应力应变曲线如图4。

以下结合图1-4对本发明一些实施例中针对核电汽轮机汽缸螺栓应力与应变测试系统的具体操作步骤进行说明。

1)根据不同规格的待测螺栓3，配置测试台架1。

2)用悬臂吊11将待测试螺栓吊装就位，拆卸吊环。

3)在待测螺栓3底部安装连接螺母4。

4)在待测螺栓3底部安装带有信号输出的螺栓伸长量测量位移传感器13。

5)在待测螺栓3顶部安装紧固螺母6，并旋转到位。

6)将液压紧固机具12吊装就位，并与紧固螺母6配合好。其中，液压紧固机具12为HYTORC机械式拉伸螺母液压紧固机具12，紧固螺母6为HYTORC机械式拉伸螺母，装配时二者之间城墙齿咬合在一起

7)确认液压中空千斤顶5上压力传感器8的压力信号、位移传感器13的位移信号都已接入包含有存储及编号单元15的计算机，并测试合格。

8)启动液压泵站7，操作紧固机具12开始紧固。

9)紧固至待测螺栓3设定的紧固力矩的120％，逐渐加载紧固，观察曲线。

10)等待1分钟，检查计算机记录结果。

11)缓慢松开待测螺栓3逐渐卸载，至完全松开。

12)计算出待测螺栓3的弹性模量。

13)绘制待测螺栓3的应力应变曲线。见图4

14)记录待测螺栓3编号及测试结果。

15)开始测试下一条螺栓，直至全部螺栓测量结束。

16)根据螺栓测试结果个性化制定热紧弧长值或冷紧力矩值。

实施本发明一些实施例中的核电汽轮机汽缸螺栓应力与应变测试系统，机组检修期间在现场测量每一颗汽缸螺栓的应力应变情况并绘出曲线，这样在汽缸扣缸后紧固螺栓期间按照每一颗特定位置和编号的螺栓，制定特定的个性化热紧弧长，或紧固力矩，确保螺栓一次紧固后伸长量能够达到要求，或减小多次热紧或冷紧的次数及数量，预计采用这种技术后，百万千瓦核电半速机的高中压缸中分面螺栓紧固过程可由4-6天缩短至3-4检修工期，百万千瓦核电全速机的高中压缸中分面螺栓紧固过程可由24小时缩短至12小时以内。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干个改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种核电汽轮机汽缸螺栓应力与应变测试系统，其特征在于，包括：

测试记录组件(100)，用于在开缸期间对所有待测螺栓(3)逐一进行紧固测试、记录测试结果并编号；

加工计算组件(200)，用于在扣缸紧固期间根据每一所述待测螺栓(3)的所述测试结果分别计算出热紧弧长值或冷紧力矩值，使得每一所述待测螺栓(3)根据所述热紧弧长值或所述冷紧力矩值在热紧或冷紧操作后达到各自的伸长量目标值；

所述测试记录组件(100)包括：

个性化测试套筒(2)，用于套设在所述待测螺栓(3)外围并固定所述待测螺栓(3)；

测试台架(1)，用于支撑所述个性化测试套筒(2)；

紧固螺母(6)，连接在所述待测螺栓(3)顶部；

连接螺母(4)，连接在所述待测螺栓(3)底部；

紧固机具(12)，与所述紧固螺母(6)咬合装配，所述紧固机具(12)通过一高压油管(10)接入一液压泵站(7)输出的高压油，使得所述紧固机具(12)驱动所述紧固螺母(6)；

液压中空千斤顶(5)，套设在所述个性化测试套筒(2)外围；

压力传感器(8)，与所述液压中空千斤顶(5)相连接、实时测量所述液压中空千斤顶(5)油缸内部压力的变化，并输出压力信号，所述测试结果包括所述压力信号；

位移传感器(13)，安装在所述待测螺栓(3)底部，用于实时测量所述待测螺栓(3)的位移变化，并输出位移信号，所述测试结果包括所述位移信号；以及

存储及编号单元(15)，接收所述压力信号和所述位移信号，并根据所述待测螺栓(3)进行编号保存；

所述加工计算组件(200)包括：

第一绘制单元(16)，与所述存储及编号单元(15)相连接，用于根据所述压力信号和所述位移信号绘制每一所述待测螺栓(3)的受力与伸长量变化曲线；

第一计算单元(17)，与所述第一绘制单元(16)相连接，用于根据所述受力与伸长量变化曲线、所述伸长量目标值计算出所述热紧弧长值或所述冷紧力矩值。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加工计算组件(200)还包括

第二绘制单元(18)，与所述第一绘制单元(16)相连接，用于根据所述受力与伸长量变化曲线绘制每一所述待测螺栓(3)的应力应变曲线；

第二计算单元(19)，与所述第二绘制单元(18)相连接，用于根据所述应力应变曲线计算出所述待测螺栓(3)的弹性模量；

判断单元(20)，与所述第二计算单元(19)相连接，用于判断所述弹性模量是否超过一预设阈值，若是，则发出更换螺栓提示。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述预设阈值是原始弹性模量的85％-115％。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述预设阈值是原始弹性模量的90％-110％。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述加工计算组件(200)还包括一压力控制单元(21)，与所述液压泵站(7)相连接，所述压力控制单元(21)用于控制所述液压泵站(7)的输出压力、并逐渐加载紧固所述待测螺栓(3)至所述待测螺栓(3)紧固力矩的一预设倍数。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述预设倍数是1.1-1.4倍。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述预设倍数是1.2倍。

8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述存储及编号单元(15)、所述第一绘制单元(16)、所述第一计算单元(17)、所述第二绘制单元(18)、所述第二计算单元(19)、所述判断单元(20)集成于一体。

9.根据权利要求2-8任一项所述的系统，其特征在于，所述测试记录组件(100)还包括移动小车(14)及设置在所述移动小车(14)上、用于将所述待测螺栓(3)吊装入所述个性化测试套筒(2)中的悬臂吊(11)。

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