安孟德　張少飛　李旭

摘? 要：風(fēng)機(jī)塔筒作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要支撐部件，其高強(qiáng)螺栓安裝過程常存在緊固不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象。采用超聲波螺栓應(yīng)力測試儀對風(fēng)機(jī)塔筒高強(qiáng)螺栓安裝情況進(jìn)行測試研究。通過對測試儀現(xiàn)場實測的風(fēng)機(jī)螺栓安裝緊固數(shù)據(jù)分析，該檢測結(jié)果數(shù)據(jù)能夠很好的反映出風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的法蘭高強(qiáng)螺栓實際緊固安裝的情況，對類似風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備安裝的質(zhì)量控制具有較好的指導(dǎo)作用，該測試儀在風(fēng)電設(shè)備安裝中具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)塔筒;超聲波應(yīng)力測試;螺栓預(yù)緊力

中圖分類號：TH823? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）14-0060-04

Abstract： As the main supporting part of wind turbine， the high-strength bolts of wind turbine tower are often improperly tightened. The ultrasonic bolt stress tester is used to test and study the installation of high-strength bolts in wind power tower. Through the analysis of the installation and fastening data of the fan bolts， the test result data can well reflect the actual tightening and installation of the flange high-strength bolts of the wind turbine tower. It has a good guiding role for the quality control of similar wind turbine equipment installation， and the tester has a good application prospect in the wind power equipment installation.

Keywords： wind turbine tower; ultrasonic stress test; bolt preload

引言

目前，我國的風(fēng)力發(fā)電行業(yè)無論是裝機(jī)總?cè)萘浚€是裝機(jī)的新增容量，都保持著較快的增長趨勢，在世界其他相關(guān)國家也有較快的增長態(tài)勢。但是，隨著風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的迅猛發(fā)展，近些年來，該行業(yè)發(fā)生了許多風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架傾倒的事故現(xiàn)象，部分事故經(jīng)過有關(guān)的分析及鑒定，出現(xiàn)倒塔的原因，一方面除了極端強(qiáng)風(fēng)天氣造成塔筒所受載荷過大的原因外，還有很多大都存在著風(fēng)電設(shè)備安裝連接的高強(qiáng)螺栓其強(qiáng)度存在不足的原因、以及在螺栓緊固施工安裝的過程中存在不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象及實際安裝質(zhì)量不符合安裝工藝、質(zhì)量檢測手段滿足不了質(zhì)量要求的問題等。風(fēng)電設(shè)備中的塔筒作為風(fēng)機(jī)主要的高聳支撐部件，如果其存在強(qiáng)度不足，或安裝質(zhì)量存在隱患的問題，一旦損壞，將會對整臺機(jī)組中其他相關(guān)設(shè)備的運行產(chǎn)生非常大的安全威脅;此外，如果機(jī)組已并網(wǎng)發(fā)電，單臺機(jī)組的事故對地區(qū)局部電網(wǎng)也會帶來運行安全的影響。本篇文章介紹了采用一種超聲波螺栓軸向應(yīng)力檢測設(shè)備對新疆某風(fēng)電場風(fēng)機(jī)塔架安裝施工過程中螺栓的安裝質(zhì)量情況進(jìn)行檢測，并對設(shè)備的應(yīng)用進(jìn)行測試研究。通過對該應(yīng)力測試儀現(xiàn)場實際檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行有關(guān)分析，該測試數(shù)據(jù)結(jié)果能很好的體現(xiàn)相關(guān)風(fēng)機(jī)設(shè)備螺栓安裝的實際緊固狀態(tài)，對現(xiàn)場安裝質(zhì)量的控制起到很好的檢測意義，對風(fēng)電設(shè)備的安裝施工具有較好的指導(dǎo)作用。

1 超聲波測量螺栓軸向應(yīng)力原理[1，2]

聲彈性的相關(guān)技術(shù)理論為螺栓預(yù)緊的軸向力控制檢測提供了相關(guān)的測試方法。該技術(shù)理論是通過對螺栓內(nèi)部聲波的傳播速度的測量進(jìn)而來測量其內(nèi)部軸向應(yīng)力。在緊固件的屈服強(qiáng)度內(nèi)，其長度伸長量與所受的軸向緊固力成一定的線性比例關(guān)系，而緊固件內(nèi)部的軸向應(yīng)力與其長度的伸長量的比值為特定的常數(shù)，即彈性模量，通過聲彈性理論知識可知，相關(guān)螺栓內(nèi)部聲波的軸向傳輸速度與其所受的軸向應(yīng)力有關(guān)，從而可得出螺栓所加載的軸向力的載荷。

公式（7）表明，螺栓內(nèi)部超聲縱波脈沖軸向傳輸時間的變化量Δt/t0與其所受的軸向應(yīng)力成正比例關(guān)系。K1僅與螺栓的材料特性相關(guān)，通過相關(guān)的研究試驗測試可得，進(jìn)而可得出其軸向應(yīng)力數(shù)值。

因螺栓在安裝緊固時，緊固件僅會在有效緊固長度的范圍以內(nèi)產(chǎn)生軸向應(yīng)力，其對應(yīng)的有效緊固長度與其本身的總長度往往是不同的，考慮到該因素的影響，可推導(dǎo)出螺栓軸向應(yīng)力公式如下：

式中K2為緊固件的外形因子系數(shù)，與螺栓螺母緊固時的具體位置和螺桿的有關(guān)外形尺寸相關(guān)，可通過試驗測試得到，可參見相關(guān)文獻(xiàn)資料測量與計算得到常量系數(shù)K1和K2的數(shù)值。

此外，相關(guān)測試時聲波縱波脈沖傳輸速度會因被檢測物體及外部環(huán)境的溫度變化而產(chǎn)生一定的偏差。所以在相關(guān)測試計算的過程中還需考慮補(bǔ)償修正溫度變化的影響[3]。在具體的實測過程中，為確保測試結(jié)果數(shù)據(jù)的精度，所用檢驗測試設(shè)備應(yīng)當(dāng)具有測量溫度的功能及其對應(yīng)的修正補(bǔ)償功能。

2 實測前的試驗研究

2.1 本項目螺栓軸向應(yīng)力檢測儀介紹

本項目測試研究采用BoltMikeⅢ型超聲螺栓軸向應(yīng)力檢測儀，該檢測設(shè)備是美國StressTel公司生產(chǎn)研制的一種螺栓應(yīng)力檢測儀。本設(shè)備特點主要有：便攜式、使用操作簡便、具有自動校正和相關(guān)波形的自動顯示功能，方便精準(zhǔn)且快速的對螺栓軸向應(yīng)力進(jìn)行測量，同時其測量結(jié)果可以得到螺栓件的緊固程度。在某些重要且關(guān)鍵的設(shè)備螺栓緊固安裝中具有很好的應(yīng)用效果，例如：航空航天、民用及軍用飛機(jī)、衛(wèi)星設(shè)備制造、大型熱電鍋爐、大中型發(fā)電裝備、關(guān)鍵的石化設(shè)備等。該設(shè)備測量結(jié)果的精度可以達(dá)到±2%，具有很高的測量精度。

2.2 風(fēng)電安裝螺栓相關(guān)的參數(shù)標(biāo)定[3]

選取本項目風(fēng)電安裝工程實際使用的螺栓進(jìn)行試驗研究，并對螺栓參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。螺栓為M36×522高強(qiáng)螺栓，性能等級為10.9級，材質(zhì)為42CrMo，表面狀態(tài)鍍鋅。則：

其中：de為螺栓有效直徑、d為螺栓公稱直徑、P為螺紋螺距;可通過查詢標(biāo)準(zhǔn)資料計算得出de，進(jìn)而得出螺栓有效面積Ae。

按照圖1、圖2對風(fēng)電設(shè)備連接螺栓的有效長度進(jìn)行計算，考慮其墊片的厚度為5mm，螺栓的直徑尺寸為36mm，塔筒節(jié)間法蘭連接的上下端面距離為400mm，得到有效長度為439mm（雙頭螺栓）、433mm（六角頭螺栓）。

按BoltMikeIII測試儀的生產(chǎn)商Stresstel公司提供的Guide to Ultrasonic Inspection of Fasteners技術(shù)文件，可計算得到下列參數(shù)：

螺栓的屈服強(qiáng)度Y：882.94 MPa

材料的彈性模量Eo：206206.90 MPa

材料的縱波聲速Vo：6047.23m/s

螺栓軸向應(yīng)力系數(shù)K：1.1163×10-7m/sPa

溫度補(bǔ)償修正系數(shù)Cp：7.7×10-5

2.3 測試儀探頭型號的選用

對于緊固螺栓的安裝檢測，應(yīng)根據(jù)緊固件的種類及型號，結(jié)合其長度和直徑等因素考慮選擇合適直徑和探測頻率的探頭，超聲檢測探頭的晶片直徑尺寸一般在6至30mm之間，探頭的探測頻率一般為1至15MHz范圍之間。對于長度較長且直徑較大的螺栓，選直徑大頻率低的探頭?？紤]本工程風(fēng)機(jī)安裝所用的是M36且總長為522mm的螺栓尺寸，選用型號為Φ20/2.5MHz的檢測探頭。

2.4 超聲波螺栓應(yīng)力測試儀試驗檢測

在風(fēng)電塔筒螺栓安裝預(yù)緊力現(xiàn)場檢驗測試之前，先對實際安裝的高強(qiáng)螺栓相關(guān)參數(shù)的計算標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性及測試儀相關(guān)參數(shù)設(shè)置、以及設(shè)備相關(guān)操作規(guī)程的有效性、設(shè)備檢測數(shù)據(jù)結(jié)果的精準(zhǔn)性進(jìn)行相關(guān)驗證及對比分析。具體對比分析實施方法如下：隨機(jī)選取安裝中采用的三個相同螺栓，先采用實驗室經(jīng)鑒定合格的試驗用拉力機(jī)對三個試樣螺栓進(jìn)行加載，對螺栓逐個施加若干不等的載荷，同時設(shè)置一定的載荷保持時間，在載荷保持時間內(nèi)，采用預(yù)先設(shè)置好的測試儀，按照預(yù)先制定的檢測規(guī)程進(jìn)行相關(guān)軸向應(yīng)力的檢測。在檢測完成后，對拉力機(jī)的加載數(shù)據(jù)與檢測設(shè)備的檢測數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析對比。

三組試樣螺栓的試驗檢測記錄數(shù)據(jù)見表1。

通過拉力機(jī)對螺栓施加已知載荷，對檢測儀器的檢測結(jié)果進(jìn)行比較，因為風(fēng)電設(shè)備現(xiàn)場安裝施工中，螺栓設(shè)計預(yù)緊力為510kN，根據(jù)上述試驗測試數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在設(shè)計預(yù)緊力數(shù)值范圍內(nèi)，測試儀檢測數(shù)據(jù)誤差在2%以內(nèi)，整體檢測數(shù)據(jù)誤差在3%以內(nèi)，表明上述螺栓參數(shù)的標(biāo)定準(zhǔn)確，儀器的參數(shù)設(shè)置正確，預(yù)先制定的相關(guān)檢測規(guī)程合理，在上述條件滿足的情況下，該應(yīng)力測試儀器的檢測數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確可靠，能夠滿足風(fēng)機(jī)現(xiàn)場安裝實際的測量要求（如圖3）。

3 現(xiàn)場安裝測試研究

風(fēng)機(jī)塔筒安裝實際狀況：本項目風(fēng)機(jī)共33臺，每臺風(fēng)機(jī)的塔筒共分上、中、下三節(jié)。其中最下節(jié)塔筒與基礎(chǔ)法蘭連接的螺栓共140個，中層塔筒與下層塔筒連接的法蘭螺栓為100個，中層與上層塔筒連接的法蘭螺栓為84個。根據(jù)風(fēng)機(jī)現(xiàn)場安裝的實際情況，每臺隨機(jī)選取下層塔筒與基礎(chǔ)法蘭連接的螺栓60個、中層與下層塔筒連接的法蘭螺栓50個、中層與上層塔筒連接的法蘭螺栓40個作為檢測樣本，并對選定的螺栓進(jìn)行標(biāo)記，在相關(guān)螺栓緊固安裝前，采用預(yù)先制定的檢測規(guī)程對螺栓原始狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄，然后把選取的螺栓均勻分布安裝在法蘭圓周上，在螺栓安裝完成后規(guī)定的時間內(nèi)，對其實際緊固力進(jìn)行檢測記錄（如圖4）。

通過現(xiàn)場的測試數(shù)據(jù)結(jié)果可知，在風(fēng)機(jī)塔筒法蘭螺栓安裝預(yù)緊完成后，實際軸向緊固力較設(shè)計張拉力偏低，從檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，下層的螺栓緊固力與設(shè)計張拉力相比，偏低約10%，中層與上層緊固力偏低約13%。此外，部分緊固后的螺栓實際預(yù)計力不均勻，數(shù)值較離散，個別螺栓偏差較大。

根據(jù)風(fēng)機(jī)法蘭螺栓首次安裝緊固后的測試結(jié)果，對相關(guān)設(shè)備安裝方案進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整完善，同時安裝時，對液壓張拉設(shè)備的加載數(shù)值從510kN增加到590kN，對法蘭螺栓進(jìn)行安裝緊固，再次對實際軸向緊固力進(jìn)行測試。由測試數(shù)據(jù)可得，調(diào)整安裝方案后，相關(guān)法蘭螺栓的實際安裝緊固力基本滿足設(shè)計預(yù)緊力的數(shù)值要求。

在設(shè)備安裝完畢后，安裝單位質(zhì)檢人員采用手持式液壓張拉設(shè)備對螺栓的堅固安裝情況進(jìn)行抽檢，抽檢時對螺栓加載的張拉力是設(shè)計緊固力的80%，此時，對螺母進(jìn)行擰動，如果螺栓未發(fā)現(xiàn)松動現(xiàn)象，安裝堅固合格。由于采用液壓拉力器對螺栓安裝質(zhì)量進(jìn)行檢測時，法蘭螺栓的緊固結(jié)構(gòu)存在一定的彈性回彈現(xiàn)象，通過測試儀檢測發(fā)現(xiàn)，部分螺栓的預(yù)緊力即使低于80%的設(shè)計預(yù)緊力，抽檢過程中，也沒有發(fā)現(xiàn)螺母松動的現(xiàn)象。采用BoltMikeIII設(shè)備檢測時，無需對法蘭螺栓施加載荷，且測試的數(shù)據(jù)結(jié)果與螺栓實際所受軸向緊固力更加接近;當(dāng)螺栓安裝后的檢測結(jié)果與設(shè)計值偏差超過規(guī)定要求時，對其進(jìn)行重新緊固，直至達(dá)到設(shè)計緊固要求。通過測試儀在設(shè)備安裝及質(zhì)量抽檢過程中的實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備能較好的控制風(fēng)電塔筒螺栓的安裝質(zhì)量。

4 結(jié)束語

實際安裝測試前，通過拉力機(jī)的螺栓的加載與超聲波軸向應(yīng)力檢測設(shè)備的測試結(jié)果分析對比，超聲螺栓應(yīng)力檢測設(shè)備在螺栓相關(guān)軸向緊固力檢測方面有很好的準(zhǔn)確度及較高的精度。

在風(fēng)機(jī)設(shè)備實際安裝檢測過程中，如果螺栓端面存在毛刺等現(xiàn)象，測試前應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)打磨清理，最好端面保持一定的平整及光潔，螺栓端頭接觸面與探頭之間的耦合狀況，對設(shè)備測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性存在很大的影響;測試儀探頭放置的是否合適，也對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有很大的影響。在螺栓零應(yīng)力狀態(tài)下，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)采集及標(biāo)定的過程中，應(yīng)盡量保持探頭在螺栓端面放置平整，保持探頭與端面的耦合狀態(tài)穩(wěn)定;當(dāng)檢測數(shù)值不穩(wěn)定或跳動較大時，可適當(dāng)對探頭進(jìn)行移動或旋轉(zhuǎn)，使采集的相關(guān)數(shù)值讀書穩(wěn)定。在零應(yīng)力狀態(tài)下采集完相關(guān)參數(shù)后，應(yīng)對探頭測試時的放置位置進(jìn)行標(biāo)記，當(dāng)螺栓安裝緊固后，實際檢測時，保持前后兩次探頭的位置基本相同，對測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有很好的保障。此外，前后兩次測試時端面與檢測探頭的耦合效果應(yīng)盡可能保持一致。測溫探頭的放置是否合理，也對檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性有一定的影響，溫度探頭應(yīng)盡量靠近被測螺栓側(cè)面，如果無法實現(xiàn)，應(yīng)盡可能與螺栓靠近，此外在檢測過程中應(yīng)盡量保持測溫探頭與被測物體溫度接近，如溫度采集信息有誤或較實際情況偏差較大，對測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有一定的影響[3]。

通過對BoltMikeIII設(shè)備在風(fēng)電安裝現(xiàn)場的實際測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，該設(shè)備的測試結(jié)果很好的反映了風(fēng)電設(shè)備緊固螺栓實際的安裝情況，對風(fēng)電設(shè)備的安裝施工有很好的指導(dǎo)作用，對其安裝質(zhì)量的控制起到了很好的效果。

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