王淼，徐占，姚亮，崔立川

（1.中能電力科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100034；2.龍?jiān)措娏瘓F(tuán)股份有限公司，北京 100034）

0 引言

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

隨著風(fēng)電制造業(yè)的發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量不斷增大，輪轂高度也越來(lái)越高，使得風(fēng)電機(jī)組塔架所用螺栓的各種性能指標(biāo)要求更加嚴(yán)格。但是螺栓規(guī)格超出規(guī)范范圍，導(dǎo)致螺栓廠家生產(chǎn)比較隨意，風(fēng)電機(jī)組制造商未對(duì)螺栓緊固件相關(guān)內(nèi)容某些指標(biāo)進(jìn)行深入的分析比較，直接照搬國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)。如某國(guó)外風(fēng)電機(jī)組廠商為了對(duì)扭矩系數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定控制，要求進(jìn)場(chǎng)后的螺栓都是涂抹好潤(rùn)滑劑的，而國(guó)內(nèi)部分廠家只是參照了國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的扭矩系數(shù)要求，而未對(duì)其做潤(rùn)滑處理，直接發(fā)貨，并委托吊裝單位來(lái)完成。由于現(xiàn)場(chǎng)吊裝人員不具備相關(guān)技術(shù)，導(dǎo)致潤(rùn)滑劑涂抹的位置、范圍、厚度均有差別，遂無(wú)法保證風(fēng)電機(jī)組廠商的要求?；诖藛?wèn)題，本文針對(duì)高強(qiáng)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(jìn)場(chǎng)所提供出廠文件的控制和進(jìn)場(chǎng)后的復(fù)檢。根據(jù)對(duì)數(shù)十個(gè)風(fēng)電場(chǎng)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(wèn)題是出廠文件資料缺失，包括部分螺栓質(zhì)保書(shū)不全、材質(zhì)標(biāo)注不清、部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)超標(biāo)等。進(jìn)場(chǎng)復(fù)檢時(shí)超過(guò)一半的項(xiàng)目未進(jìn)行進(jìn)場(chǎng)復(fù)檢，甚至有部分廠商未提供足夠數(shù)量的可供復(fù)檢的螺栓，對(duì)于復(fù)檢工作也只是流于形式，未進(jìn)行普遍實(shí)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(jī)械性能及扭矩系數(shù)檢測(cè)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(guó)內(nèi)在直徑為30mm以下的高強(qiáng)度螺栓普遍采用35VB鋼，該種鋼是我國(guó)自行研制且應(yīng)用比較廣泛，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范也比較完善。

超過(guò)M30的一般采用42CrMo鋼，該類鋼材是世界各國(guó)廣泛采用的材料[1]。該種鋼材在各國(guó)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(dǎo)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(xì)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(duì)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(duì)于較貴重微量元素添加均采用下限范圍。導(dǎo)致按我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的42CrMo鋼相對(duì)強(qiáng)度較高但韌性較差，出現(xiàn)不合格現(xiàn)象較多。

2.2 機(jī)械性能

機(jī)械性能試驗(yàn)是檢測(cè)螺栓質(zhì)量的關(guān)鍵，主要對(duì)材料的強(qiáng)度、硬度、剛性、塑性和韌性等進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于螺栓的機(jī)械性能主要進(jìn)行螺栓拉伸試驗(yàn)來(lái)控制螺栓的強(qiáng)度，低溫沖擊試驗(yàn)來(lái)控制螺栓的韌性、楔負(fù)載試驗(yàn)來(lái)控制螺栓的脫碳[2]。風(fēng)電所用螺栓由于在野外要長(zhǎng)期經(jīng)受不定方向的偏心扭矩和振動(dòng)荷載作用，因此對(duì)低溫沖擊試驗(yàn)要求更高，一般要求螺栓沖擊試件按GB/T229-2007中標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)電機(jī)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保證風(fēng)電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)夏比U型缺口沖擊試件的規(guī)定制成試件，并在常溫下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)是不符合螺栓的真實(shí)工作環(huán)境的。

表1 各國(guó)42CrMo鋼中各種元素的含量（w%）

對(duì)螺母的要求，應(yīng)達(dá)到10H性能等級(jí)的保障荷載和硬度。

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

2.3 擰緊工藝和扭矩系數(shù)

風(fēng)電機(jī)組塔架螺栓擰緊工藝均采用扭矩法，該方法實(shí)施簡(jiǎn)單僅需要一般控扭工具即可。無(wú)法對(duì)角度進(jìn)行監(jiān)控，也不易發(fā)現(xiàn)擰緊過(guò)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)。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(rùn)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(shí)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(yù)緊力矩的控制可由摩擦系數(shù)和預(yù)緊力進(jìn)行計(jì)算，也可由扭矩系數(shù)和預(yù)緊力進(jìn)行推算。采用第一種方式時(shí)，當(dāng)摩擦系數(shù)增大時(shí)，預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)換成預(yù)緊力的比例就會(huì)減小，要得到相同的預(yù)緊力，就必須增加預(yù)緊力矩，而過(guò)大的預(yù)緊力矩可能會(huì)導(dǎo)致螺栓損壞。因此在德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(rùn)滑劑的涂抹范圍很難做到全部標(biāo)準(zhǔn)化控制以及螺栓各摩擦面的差異性，導(dǎo)致到目前為止國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一個(gè)方便、實(shí)用的公式可以準(zhǔn)確的進(jìn)行計(jì)算。

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

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，作用于螺栓上的預(yù)緊力矩M與產(chǎn)生在螺栓上的預(yù)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(dá)：

式中：d2——螺紋直徑，mm；

φ——螺紋升角；

ρv——螺紋當(dāng)量摩擦角 ； ；

μv——螺紋當(dāng)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(jiǎn)化，在一般機(jī)械設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定。關(guān)于扭矩系數(shù)主要存在三個(gè)方面問(wèn)題：

（1）扭矩系數(shù)的范圍值的確定。國(guó)標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)于風(fēng)電機(jī)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(zhēng)議，對(duì)大直徑M36—M64—M160螺栓，在振動(dòng)狀態(tài)使用則參照德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)K=0.15－0.21，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)K=0.20－0.21，日本標(biāo)準(zhǔn)K=0.150－0.19。基于以上原因?qū)е赂鱾€(gè)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(hào)的不同批次的產(chǎn)品都有較大差異，無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)可以規(guī)范；

（2）在慮潤(rùn)滑劑的涂抹問(wèn)題上，對(duì)于涂抹與不涂抹，涂抹位置等因素，都會(huì)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(guó)家規(guī)范要求，不能保證其機(jī)械性能符合設(shè)計(jì)要求，加之運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)的部分高強(qiáng)螺栓未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)檢，使得螺栓本身就存在一定程度的安全隱患。因此對(duì)于潤(rùn)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(jì)要求，同時(shí)必須進(jìn)場(chǎng)后按一定比例進(jìn)行復(fù)檢；

（3）依據(jù)國(guó)家規(guī)范扭矩系數(shù)采用0.110～0.150之間所施加同樣的預(yù)緊力矩。上下范圍差異使得預(yù)緊力的差異在20%左右。K值過(guò)大則轉(zhuǎn)化的預(yù)緊力太小，不能達(dá)到設(shè)計(jì)值要求；K值過(guò)小，則會(huì)放大誤差。

除了對(duì)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(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。一般情況下通過(guò)潤(rùn)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的嚴(yán)格控制。如不合格應(yīng)進(jìn)行及時(shí)更換。此外，不建議風(fēng)電機(jī)組廠家提前給出擰緊力矩，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)測(cè)扭矩系數(shù)推算出預(yù)緊力矩。這樣才能有效的保障每批螺栓所施加的預(yù)緊力相同，確保數(shù)值處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

3 安裝問(wèn)題

除了在質(zhì)量管理和控制外，高強(qiáng)螺栓在安裝過(guò)程中還需進(jìn)行針對(duì)具體情況下的相關(guān)控制。據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)電機(jī)組螺栓事故中有50%的緣故是由安裝不當(dāng)造成的，因此應(yīng)給予重視。

3.1 潤(rùn)滑與力矩大小

使用涂抹潤(rùn)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(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，只對(duì)研究人員有指導(dǎo)意義。而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)螺栓安裝人員并沒(méi)有任何實(shí)際參考價(jià)值。由于現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣，安裝人員對(duì)螺栓涂抹潤(rùn)滑劑操作不十分規(guī)范，涂抹部位不準(zhǔn)確，涂抹量過(guò)多或過(guò)少的現(xiàn)象十分普遍，使得最終螺栓所受預(yù)緊力和摩擦預(yù)緊力出入較大，因此應(yīng)引起重視[6]。

此外，由于部分風(fēng)電機(jī)組安裝單位為趕進(jìn)度加快安裝速度，選用高速電動(dòng)扳手一次或數(shù)次將螺栓直接擰緊到位。由于高速電動(dòng)扳手力矩值準(zhǔn)確性有限，使得誤差變大，加之操作不規(guī)范，根本無(wú)法達(dá)到預(yù)先的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的強(qiáng)振作用下，產(chǎn)生軸向和橫向的交變載荷，就會(huì)造成螺栓連接松動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致螺栓疲勞和延遲斷裂。建議采用電動(dòng)力矩扳手所打力矩不應(yīng)超過(guò)預(yù)緊力矩的75%，之后用液壓扳手進(jìn)行緊固。

3.2 安裝中的注意事項(xiàng)

在安裝過(guò)程中，首先應(yīng)根據(jù)GB/T1231規(guī)定，在螺栓進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)把工作重點(diǎn)放在墊片倒角的方向上。這一點(diǎn)在風(fēng)電機(jī)組安裝現(xiàn)場(chǎng)，普遍得不到重視，一些風(fēng)電機(jī)組廠家吊裝工作手冊(cè)也未對(duì)其進(jìn)行要求，風(fēng)電機(jī)組安裝單位工程人員也不了解，由于多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度要求平均每天至少吊裝一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，僅以塔架為基準(zhǔn)計(jì)算每天就要安裝400個(gè)高強(qiáng)螺栓，工作量巨大，疲勞安裝，也會(huì)導(dǎo)致扭矩系數(shù)產(chǎn)生偏差，使得最后的緊固力矩分配與計(jì)算出入較大，對(duì)于螺栓的緊固產(chǎn)生隱患。

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

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在整個(gè)風(fēng)電安裝過(guò)程中對(duì)高強(qiáng)螺栓從設(shè)計(jì)、制造到安裝全過(guò)程進(jìn)行全面、深入的分析可見(jiàn)，風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)螺栓是大家普遍忽視一個(gè)環(huán)節(jié)，但這個(gè)環(huán)節(jié)又十分重要，它直接影響整機(jī)的安全運(yùn)行。本文是在對(duì)數(shù)十個(gè)工程檢查后，對(duì)有關(guān)螺栓整個(gè)過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組螺栓的質(zhì)量控制管理、螺栓自身質(zhì)量控制及對(duì)風(fēng)電機(jī)組螺栓的安裝注意事項(xiàng)的分析三個(gè)方面，梳理了確保風(fēng)電機(jī)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(duì)力矩和操作要點(diǎn)的控制來(lái)保障風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定。

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