風電機組塔架高強度螺栓的質(zhì)量控制研究

王淼，徐占，姚亮，崔立川

（1.中能電力科技開發(fā)有限公司，北京 100034；2.龍源電力集團股份有限公司，北京 100034）

0 引言

大型風電機組塔架普遍采用高強螺栓進行連接，由于受風電機組螺栓質(zhì)量和安裝方面的影響，風電事故常有發(fā)生。

隨著風電制造業(yè)的發(fā)展，風電機組單機容量不斷增大，輪轂高度也越來越高，使得風電機組塔架所用螺栓的各種性能指標要求更加嚴格。但是螺栓規(guī)格超出規(guī)范范圍，導致螺栓廠家生產(chǎn)比較隨意，風電機組制造商未對螺栓緊固件相關(guān)內(nèi)容某些指標進行深入的分析比較，直接照搬國外標準。如某國外風電機組廠商為了對扭矩系數(shù)進行穩(wěn)定控制，要求進場后的螺栓都是涂抹好潤滑劑的，而國內(nèi)部分廠家只是參照了國外標準的扭矩系數(shù)要求，而未對其做潤滑處理，直接發(fā)貨，并委托吊裝單位來完成。由于現(xiàn)場吊裝人員不具備相關(guān)技術(shù)，導致潤滑劑涂抹的位置、范圍、厚度均有差別，遂無法保證風電機組廠商的要求。基于此問題，本文針對高強度螺栓的質(zhì)量控制，提出相關(guān)建議。

1 螺栓質(zhì)量管理

螺栓屬于金屬材料，質(zhì)量管理主要在于螺栓進場所提供出廠文件的控制和進場后的復檢。根據(jù)對數(shù)十個風電場的螺栓資料檢查和抽查，發(fā)現(xiàn)其中出廠文件存在的主要問題是出廠文件資料缺失，包括部分螺栓質(zhì)保書不全、材質(zhì)標注不清、部分實驗數(shù)據(jù)超標等。進場復檢時超過一半的項目未進行進場復檢，甚至有部分廠商未提供足夠數(shù)量的可供復檢的螺栓，對于復檢工作也只是流于形式，未進行普遍實行。

2 螺栓質(zhì)量控制

螺栓本身的質(zhì)量控制主要由螺栓的材質(zhì)、機械性能及扭矩系數(shù)檢測等幾方面組成。

2.1 原材料質(zhì)量控制

螺栓原材料的質(zhì)量決定了螺栓最基本的性能。一般而言，國內(nèi)在直徑為30mm以下的高強度螺栓普遍采用35VB鋼，該種鋼是我國自行研制且應(yīng)用比較廣泛，相關(guān)標準、規(guī)范也比較完善。

超過M30的一般采用42CrMo鋼，該類鋼材是世界各國廣泛采用的材料[1]。該種鋼材在各國名稱和合金元素的含量要求存在一定差異，如表1所示，其中由于合金元素的含量的微小差別，導致了所產(chǎn)鋼材的產(chǎn)品性能存在一定的差異。例如，鉬元素能提高鋼的淬透性，細化晶粒，并能有效地阻止鋼材的第二類回火脆性的產(chǎn)生，尤其是低溫狀態(tài)下，鉬含量的增加對提高沖擊韌性能起到積極作用。但廠家為了追求利益最大化，對于較貴重微量元素添加均采用下限范圍。導致按我國標準生產(chǎn)的42CrMo鋼相對強度較高但韌性較差，出現(xiàn)不合格現(xiàn)象較多。

2.2 機械性能

機械性能試驗是檢測螺栓質(zhì)量的關(guān)鍵，主要對材料的強度、硬度、剛性、塑性和韌性等進行測量。對于螺栓的機械性能主要進行螺栓拉伸試驗來控制螺栓的強度，低溫沖擊試驗來控制螺栓的韌性、楔負載試驗來控制螺栓的脫碳[2]。風電所用螺栓由于在野外要長期經(jīng)受不定方向的偏心扭矩和振動荷載作用，因此對低溫沖擊試驗要求更高，一般要求螺栓沖擊試件按GB/T229-2007中標準夏比V型缺口深度2mm的沖擊試件的規(guī)定制成試件，螺栓低溫（-40℃）沖擊吸收功≥27J，由于現(xiàn)今風電機組用法蘭盤均要求低溫（-50℃）沖擊吸收功≥27J，因此建議螺栓也應(yīng)采用這個標準來保證風電機組塔架韌性的一致性。值得注意的是，部分廠家采用缺口深度為2mm的標準夏比U型缺口沖擊試件的規(guī)定制成試件，并在常溫下進行沖擊試驗是不符合螺栓的真實工作環(huán)境的。

表1 各國42CrMo鋼中各種元素的含量（w%）

對螺母的要求，應(yīng)達到10H性能等級的保障荷載和硬度。

對墊片的要求，其硬度應(yīng)參考國標GB/T1231 《鋼結(jié)構(gòu)用高強度大六角關(guān)螺栓、螺母、墊圈》或國標GB/T 97.1－2002《平墊圈 A級》。

2.3 擰緊工藝和扭矩系數(shù)

風電機組塔架螺栓擰緊工藝均采用扭矩法，該方法實施簡單僅需要一般控扭工具即可。無法對角度進行監(jiān)控，也不易發(fā)現(xiàn)擰緊過程中可能存在的“假扭矩”等異常情況，這就需要螺栓剛度能夠滿足10.9級標準。圖1為A、B同規(guī)格的螺紋連接件扭矩法的特性曲線，兩者的差別主要是由于材料、熱處理狀況、表面粗糙度、尺寸精度、表面清潔度、潤滑情況、墊圈與連接表面質(zhì)量等多種因素所致。在同一外加扭矩M1作用下 其中△F比較明顯，同時較難控制。

圖1 不同規(guī)格的螺紋連接件扭矩法的特性曲線

一般預緊力矩的控制可由摩擦系數(shù)和預緊力進行計算，也可由扭矩系數(shù)和預緊力進行推算。采用第一種方式時，當摩擦系數(shù)增大時，預緊力矩轉(zhuǎn)換成預緊力的比例就會減小，要得到相同的預緊力，就必須增加預緊力矩，而過大的預緊力矩可能會導致螺栓損壞。因此在德國標準DAST中推薦的摩擦系數(shù)范圍為0.07－0.12[3]，但由于螺栓表面防腐方法和潤滑劑的涂抹范圍很難做到全部標準化控制以及螺栓各摩擦面的差異性，導致到目前為止國內(nèi)外還沒有一個方便、實用的公式可以準確的進行計算。

第二種是國內(nèi)普遍采用方式。但在采用扭矩系數(shù)方法時，在力矩分配的計算中，同樣要考慮摩擦力矩的影響[4]。

根據(jù)《機械設(shè)計手冊》可知，作用于螺栓上的預緊力矩M與產(chǎn)生在螺栓上的預緊力F有如下關(guān)系式：

式中：K——扭矩系數(shù)；

d——螺栓公稱直徑，mm。

扭矩系數(shù)K可用下式表達：

式中：d2——螺紋直徑，mm；

φ——螺紋升角；

ρv——螺紋當量摩擦角 ； ；

μv——螺紋當量摩擦系數(shù)；

μ——螺母與被聯(lián)接件支承面間的摩擦系數(shù)；

Dw——螺栓頭（或螺母）正六邊形內(nèi)切圓直徑；

d0——與螺栓相聯(lián)接零件的孔徑。

為使公式簡化，在一般機械設(shè)計中常架設(shè)μ=μv。

上述公式所需用到的扭矩系數(shù)K，一般參考相關(guān)標準進行確定。關(guān)于扭矩系數(shù)主要存在三個方面問題：

（1）扭矩系數(shù)的范圍值的確定。國標GB/T1231中規(guī)定扭矩系數(shù)平均值為0.110—0.150，扭矩系數(shù)標準偏差應(yīng)小于或等于0.010，但由于該規(guī)范主要規(guī)定的是M30以下螺栓，對于風電機組塔架安裝所用大型螺栓是否應(yīng)按此要求執(zhí)行存在爭議，對大直徑M36—M64—M160螺栓，在振動狀態(tài)使用則參照德國標準K=0.15－0.21，美國標準K=0.20－0.21，日本標準K=0.150－0.19。基于以上原因?qū)е赂鱾€廠家要求不一致，生產(chǎn)出的產(chǎn)品即使是同一廠家同型號的不同批次的產(chǎn)品都有較大差異，無統(tǒng)一標準可以規(guī)范；

（2）在慮潤滑劑的涂抹問題上，對于涂抹與不涂抹，涂抹位置等因素，都會使力矩系數(shù)產(chǎn)生較大差異[5]。例如，某廠家要求涂抹后的扭矩系數(shù)平均值為0.085－0.120，明顯低于國家規(guī)范要求，不能保證其機械性能符合設(shè)計要求，加之運到現(xiàn)場的部分高強螺栓未進行現(xiàn)場復檢，使得螺栓本身就存在一定程度的安全隱患。因此對于潤滑劑的要求，需結(jié)合螺栓使用的工作環(huán)境的差異而定，事先檢查好扭矩系數(shù)是否符合設(shè)計要求，同時必須進場后按一定比例進行復檢；

（3）依據(jù)國家規(guī)范扭矩系數(shù)采用0.110～0.150之間所施加同樣的預緊力矩。上下范圍差異使得預緊力的差異在20%左右。K值過大則轉(zhuǎn)化的預緊力太小，不能達到設(shè)計值要求；K值過小，則會放大誤差。

除了對扭矩系數(shù)的要求存在差異外，螺栓本身的性質(zhì)和所采用不同的表面處理方法都會產(chǎn)生不同程度的影響。一般情況下通過潤滑劑的涂抹可以促使扭矩系數(shù)更加穩(wěn)定，減小偏差。其關(guān)鍵在于對標準偏差的嚴格控制。如不合格應(yīng)進行及時更換。此外，不建議風電機組廠家提前給出擰緊力矩，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場復測扭矩系數(shù)推算出預緊力矩。這樣才能有效的保障每批螺栓所施加的預緊力相同，確保數(shù)值處于標準范圍內(nèi)。

3 安裝問題

除了在質(zhì)量管理和控制外，高強螺栓在安裝過程中還需進行針對具體情況下的相關(guān)控制。據(jù)統(tǒng)計，風電機組螺栓事故中有50%的緣故是由安裝不當造成的，因此應(yīng)給予重視。

3.1 潤滑與力矩大小

使用涂抹潤滑劑的目的是為了保證扭矩系數(shù)穩(wěn)定和分配摩擦力矩。但由于各類參數(shù)都是實驗室的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，只對研究人員有指導意義。而對現(xiàn)場負責螺栓安裝人員并沒有任何實際參考價值。由于現(xiàn)場條件惡劣，安裝人員對螺栓涂抹潤滑劑操作不十分規(guī)范，涂抹部位不準確，涂抹量過多或過少的現(xiàn)象十分普遍，使得最終螺栓所受預緊力和摩擦預緊力出入較大，因此應(yīng)引起重視[6]。

此外，由于部分風電機組安裝單位為趕進度加快安裝速度，選用高速電動扳手一次或數(shù)次將螺栓直接擰緊到位。由于高速電動扳手力矩值準確性有限，使得誤差變大，加之操作不規(guī)范，根本無法達到預先的設(shè)計要求。當風電機組在運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的強振作用下，產(chǎn)生軸向和橫向的交變載荷，就會造成螺栓連接松動，進而導致螺栓疲勞和延遲斷裂。建議采用電動力矩扳手所打力矩不應(yīng)超過預緊力矩的75%，之后用液壓扳手進行緊固。

3.2 安裝中的注意事項

在安裝過程中，首先應(yīng)根據(jù)GB/T1231規(guī)定，在螺栓進行試驗時，應(yīng)把工作重點放在墊片倒角的方向上。這一點在風電機組安裝現(xiàn)場，普遍得不到重視，一些風電機組廠家吊裝工作手冊也未對其進行要求，風電機組安裝單位工程人員也不了解，由于多數(shù)現(xiàn)場施工進度要求平均每天至少吊裝一臺風電機組，僅以塔架為基準計算每天就要安裝400個高強螺栓，工作量巨大，疲勞安裝，也會導致扭矩系數(shù)產(chǎn)生偏差，使得最后的緊固力矩分配與計算出入較大，對于螺栓的緊固產(chǎn)生隱患。

其次，螺栓在緊固安裝過程中應(yīng)禁止螺栓跑車，跑車后應(yīng)及時進行更換。因此，在施工前期應(yīng)提供足夠多的螺栓。

4 結(jié)語

通過在整個風電安裝過程中對高強螺栓從設(shè)計、制造到安裝全過程進行全面、深入的分析可見，風電機組高強螺栓是大家普遍忽視一個環(huán)節(jié)，但這個環(huán)節(jié)又十分重要，它直接影響整機的安全運行。本文是在對數(shù)十個工程檢查后，對有關(guān)螺栓整個過程的經(jīng)驗總結(jié)，通過對風電機組螺栓的質(zhì)量控制管理、螺栓自身質(zhì)量控制及對風電機組螺栓的安裝注意事項的分析三個方面，梳理了確保風電機組螺栓可靠性的方法。提出以保證質(zhì)量為基礎(chǔ)，在安裝中注重對力矩和操作要點的控制來保障風電機組運行的穩(wěn)定。

[1] 涂剛,余國城,何麗萍,等.大型風力發(fā)電機組高強度螺栓預緊力矩的探討[J].能源工程,2011（3）:27-29,44.

[2]張先鳴,閆振中.高強度緊固件材料的技術(shù)特性[J].電氣制造,2012（3）:58-61.

[3] 張作棟.關(guān)于高強度螺栓復驗過程中幾個細節(jié)問題的探討[J].Steel Construction,2013,28（168）:41,76-79.

[4] 劉源景.中美鋼結(jié)構(gòu)用高強度螺栓及其連接的比較[J].Steel Construction,2013,28（168）:59-65.

[5] 谷小輝,徐帆,趙少偉.風電機組螺栓擰緊方法及預緊力控制分析[J].Wind energy,2012（10）:90-94.

[6] 趙海川,王晶.關(guān)于風電螺栓扭矩系數(shù)與摩擦系數(shù)的探討[J].Wind energy,2010（9）:54-56.