螺栓作为水轮发电机主要结构件连接的关键部件，在抽水蓄能电站和水电站水轮机上广泛应用，如顶盖、球阀、蝶阀、蜗壳进人门、锥管进人门以及定子拉紧螺栓等，其安全性和稳定性直接关系到整个系统的安全运行。

螺栓在长期运行中容易受到交变载荷、振动、腐蚀等影响而松动或者过载，如果不及时发现，螺栓会因疲劳或者过载而失效。螺栓失效将导致连接法兰脱落、设备损坏、水淹厂房，甚至人员安全事故，造成国家财产重大损失。如2009 年“8.17”俄罗斯萨扬电站因顶盖螺栓失效导致水淹厂房；今年国内某水电站因配水环管进人门固定螺栓失效导致水淹厂房。

螺栓松动、断裂原因的主要原因：

（1）螺栓装配预紧力误差大，水轮机检修时，螺栓装配使用扭矩扳手或拉拔器控制的最终预紧力有较大误差，业界认为该误差一般在20%～30%，有些情况高达50%～70%；

（2）螺栓工作预紧力会发生大的变化，螺栓承受交变载荷、振动，会使螺栓预紧力发生大的变化，从而导致螺栓失效，螺栓的失效方式为 疲劳断裂和过载断裂 ，其中疲劳断裂占 90% 以上；

（3）目前水轮机螺栓检修和运行时，缺乏预紧力测量手段，无法发现螺栓松动导致的疲劳断裂和过载导致的断裂。

图1  螺栓承受高载荷的水电部件

1、在线式螺栓预紧力监测

螺栓预紧力在线监测系统，主要用来检测螺栓长期运行的实时工作载荷，防止螺栓运行中因预紧力过小导致螺栓松动而带来的疲劳断裂，或者过载导致的屈服断裂。系统能实时精确地监测螺栓预紧力、应力、伸长量等数值，并通过无线或有线网络对数据进行远程传输到集中控制系统。监测系统后台支持多操作系统、支持多种通讯协议，支持云计算和边缘计算，方便与其他平台进行数据的转发；可查看螺栓预紧力历史变化趋势图，能够及时进行异常告警（松动、过载、异常），可定制导出各种分析报表，为螺栓运维提供决策依据。

硬件方面采用高性能FPGA+32位双核ARM-A9架构，传输速率高达1000Mbps，100MHz采样频率，实时性强，架构设计先进；可扩展性强，内部无任何插线和接线，可靠性高。软件方面业内首次使用基于神经网络的AI算法，自适应捕捉超声回波波形，避免阈值法测量时因电磁干扰、振动、受力突变等因素导致跳波所带来的误差，准确率高。

图2  螺栓在线监测系统构成

图3  人工智能取值，替代人力判断

图4 大数据管理平台，满足整个场站监测需求

图5 大数据管理平台，精准螺栓轴力监测

2、便携式螺栓预紧力检测仪

便携式螺栓轴力检测仪，可对螺栓预紧力进行离线监测。可以在水轮机定检维修时，对各法兰面的螺栓预紧力做精确测量，保证螺栓通过水轮机螺栓检修后预紧力达到设计精度。

硬件方面，采用超高性能FPGA+64位4核ARM-A53架构，250MHz的超高速采样频率，与工业平板或三防笔记本一体化集成，重量轻，体积小，平板型可做到单手操作，更加便捷。软件方面，业内首次使用AI相关性算法，在无需看波形、波形变化100倍动态范围内智能取值，实现一键式测量。

图6  便携式螺栓轴力测量仪（通用型）

图7  便携式螺栓轴力测量仪（平板型）

图8  主板高度集成

图9  AI智能取值，波形智能测量

检测方式有压电超声以及电磁超声两种。压电超声测量范围广，适应螺栓规格多，可测量各种复杂螺栓端面；电磁超声无需超声耦合剂，适合快速、单一品种的螺栓轴力测量。

加强水电站水轮发电机组检修的专业化管理，提升水电站检修、运行及维护管理水平，防止水轮发电机组主要结构部件及重要螺栓发生疲劳破坏事故，对投运水轮发电机组主要结构部件及重要螺栓建立一套标准化的定期检验检测技术文件，贯彻“安全第一，预防为主”的方针，在运行、维护、检修等环节对主要结构部件及重要螺栓进行定期检验检测，以掌握水轮发电机组的运行情况、排查影响机组安全运行的潜在缺陷，提前采取切实可行的预防措施，保证受检设备（部件）的安全运行。