螺栓预紧力的重要性

螺栓在我们生活和工业生产里到处都有，小到眼镜、钟表上的微型螺栓，大到电力设备、桥梁建筑里的大型螺栓，作用可大啦。

螺栓预紧力就是在拧螺栓时，拧紧力矩让螺栓和被联接件之间沿着螺栓轴心线方向产生的力。要是这个预紧力不合适，连接就容易失效，可能引发重大事故。

就像某电站机组，因为超负荷运行，水轮机顶盖的锚定螺栓被拉断，结果机组转动部件和顶盖在巨大水压下向上抛出，破坏了厂房结构，还引发了水淹厂房的连锁灾害，造成75人死亡、13人受伤，多台机组也完全损毁了。

螺栓预紧力不当的危害及原因

危害

螺栓失效引发的事故可不少，像山西某风电场43#塔筒，从中、下段法兰连接处折断倒塌，主机跟着塔筒上段和中段朝着主导风向北偏西60度方向倒下，法兰盘脖颈距端部12mm处撕裂近三分之二，三分之一的螺栓断裂。这些事故会造成巨大的人员伤亡和财产损失。

原因

超过80%的螺栓失效是因为初始紧固螺栓预紧力不足。主要原因有三个：一是疲劳断裂，扭矩法考虑不足让预紧力不够，螺栓在交变应力下产生疲劳裂纹，最后断裂，叶片螺栓这种情况比较多；二是螺栓受剪后疲劳断裂，预紧力不足使被连接件在运行中滑移和错位，碰磨和剪切螺栓，螺杆表面损伤形成裂纹源导致疲劳断裂，叶片螺栓也常见；三是过载断裂，装配时预紧力过小或失效，部分螺栓承受过大载荷，超过抗拉强度就断裂了，塔筒螺栓容易出现这种问题。

螺栓预紧力在线监测系统介绍

微特WT - LSL - A螺栓轴力在线监测系统

微特凭借先进的智能传感技术、物联网技术、大数据分析技术等，结合多年行业经验，研发出了WT - LSL - A螺栓轴力在线监测系统。

这个系统能对重要螺栓的松动、断裂等情况进行在线智能监测，还能诊断分析故障、报警和储存信息，方便工作人员及时处理，避免重大事故。

它应用范围很广，像风电、水电站重要部分螺栓的受力和松断监测，钢结构、桥梁等关键受力部件螺栓的远程监测，还有法兰面螺栓装配工艺的螺栓轴力监测都能用。

系统结构

为了方便扩展通道和接线，用了通道切换器，每个通道切换器有10路超声传感器接入通路和10路高精度温度采集通道。

主机、通道切换器、OFC和开关电源装在现场电控柜，局域网服务器在主控室，上面安装着软件系统。每个被测螺栓上都装了贴片式超声传感器。

螺栓预紧力的监测方法

直接测量法

力传感器：在螺栓下部或连接部位安装压力传感器，能直接测量轴向力。

超声波测量：利用超声波传播时间变化测量螺栓拉伸量，从而推算预紧力。比如在风电螺栓监测中，这是主流技术，能精准监测螺栓轴力。在螺栓一端的端面安装超声螺栓监测传感器或探头，发射和接收超声波信号，利用超声波在另一个端面反射的原理测量超声飞行时间。螺栓在轴向拉力下伸长，超声飞行时间变长，在弹性工作区域，螺栓伸长量和轴向拉力、超声信号波速都成线性关系，通过标定能得到超声飞行时间变化量和螺栓轴力变化量的相关系数，进而算出螺栓当前轴力。不过需要作温度补偿，而且探头和被测物之间需要超声耦合，安装比较复杂。

光纤光栅传感器：在螺栓表面或内部嵌入光纤光栅传感器，基于光波长变化测量预紧力。

间接测量法

扭矩法：通过测量螺栓拧紧时的扭矩推算预紧力，但受摩擦影响较大。

角度法：测量螺母旋转角度，根据螺纹参数计算轴向力。有传感器法和图像处理法两种，传感器法精度高，但图像处理法精度受视角等影响，而且不能直接测量螺栓轴力，也不能直接监测螺栓断裂。

应变片测量：在螺栓上粘贴应变片，通过应变变化计算预紧力。不过在表面粘接应变片施工复杂，应变片容易受损；在螺栓上打孔会影响螺栓性能，现场施工困难；埋入应变片或光纤光栅应变计在中空式垫片中，垫片在大的轴向力下可能坍塌受损，导致螺栓松动，而且安装尤其是后装困难，还受环境电磁辐射干扰和温度影响很大。

微特超声应力监测技术

微特的超声应力监测技术，是其螺栓预紧力在线监测系统的核心技术之一。该技术基于声弹性理论，利用超声波在螺栓等紧固件中传输时间的变化，来计算螺栓应力、轴力、伸长量等数值。

通过在螺栓一端的端面安装超声螺栓监测传感器或探头，发射和接收超声波信号，利用超声波在另一个端面反射的原理测量超声飞行时间。

由于螺栓在轴向拉力下会伸长，相应超声飞行时间变长，在螺栓的弹性工作区域，螺栓伸长量和螺栓轴向拉力成线性关系；

同时在不同轴向应力下，超声信号的波速也相应变化，两者也是线性关系。

其综合表现为超声飞行时间变化量和螺栓轴力变化量成线性关系。

通过标定，可以获得超声飞行时间变化量和螺栓轴力变化量之间的相关系数。

在监测时，测量到超声飞行时间，减去螺栓的初始轴力状态时的超声飞行时间，获得超声飞行时间差，并计算出螺栓轴力的变化量。

再根据螺栓的初始轴力计算出螺栓当前的轴力。

并且，该技术还能对温度变化进行补偿，确保测量的准确性。如果螺栓出现断裂情况，超声信号会在断裂的位置返回，测量到的螺栓长度和实际长度不相符，可判断螺栓是否出现断裂和断裂位置。

螺栓预紧力在线监测系统的应用案例

风电领域

内蒙风场塔筒螺栓在线监测项目：利用微特WT - LSL - A螺栓轴力在线监测系统实时掌握塔筒螺栓的预紧和工作状态，及时发现并处理螺栓松动问题，保障风电机组的安全运行。

风电螺栓在线健康监测：风力发电机组造价高、使用环境恶劣，各部位螺栓容易出现故障。微特的超声应力监测技术作为主流监测技术，能精准监测螺栓轴力，还能监测螺栓断裂情况，不过探头和被测物之间需要超声耦合，安装复杂；角度法安装简单、成本低，但不能直接测量螺栓轴力和监测断裂；应变法测量精度较高，但施工复杂、受环境影响大。微特的相关技术也在不断发展，为风电螺栓监测提供更可靠的解决方案。

水电领域

大渡河水电站水轮机组顶盖及蜗壳螺栓在线监测，通过微特WT - LSL - A螺栓轴力在线监测系统实时检测螺栓的松动情况，确保水轮机组的安全稳定运行。

其他领域

在钢结构、桥梁等领域，也广泛应用微特WT - LSL - A螺栓轴力在线监测系统，全面掌握关键螺栓的状态，防范螺栓松动、断裂等导致的重大事故。

螺栓预紧力在线监测的未来发展趋势

智能化：随着智能传感技术、无线通信及人工智能的发展，螺栓预紧力监测会向自动化、远程化、智能化方向发展。集成物联网和大数据分析的预紧力监测系统会更普及，能为重大工程提供更高效、安全的运维保障。

高精度化：不断提升测量精度，开发更高灵敏度的传感器，以适应不同类型螺栓的监测需求。

环境适应性增强：优化传感器封装，提高耐候性，让监测系统能适应更恶劣的环境条件。