王文濤，高 揚，王巍麟

（華電電力科學研究院有限公司，浙江杭州 310030）

0 引言

隨著國家對風力發(fā)電等新能源項目投入力度持續(xù)加大，某集團公司2020 年集中新建了一批總?cè)萘?60 萬kW 的風力發(fā)電機組，并陸續(xù)投產(chǎn)并網(wǎng)。作為重要結(jié)構(gòu)連接件，高強螺栓在承受部件自身重力載荷、熱載荷及葉片傳遞的氣動載荷并傳遞到主要受力結(jié)構(gòu)的同時，承受著軸向力、彎矩、橫向力和扭矩組合載荷的作用，直接影響機組使用壽命及安全性能[1-2]。為排查制造安裝隱患、降低失效頻次，有效開展投運后續(xù)金屬監(jiān)督工作，采用實地檢查、與技術(shù)人員溝通交流以及查閱設計圖紙、出廠制造、檢驗試驗、定期檢修等技術(shù)資料對新建風電機組高強螺栓進行了專項分析研究。

1 風電機組用高強螺栓的特點

高強螺栓的斷裂失效嚴重威脅機組設備安全，是金屬專業(yè)重要的受監(jiān)部件。風電機組用高強螺栓呈現(xiàn)以下特點：一是螺栓數(shù)量大。1 臺機組約800～1 200 條高強螺栓，1 家風電場螺栓總數(shù)可達幾萬至十幾萬條，數(shù)量巨大，顯著增加了失效斷裂頻次，增大了檢修檢驗工作量。二是分布位置廣泛，受力環(huán)境復雜不一。螺栓普遍分布于塔筒間、塔筒與基礎(chǔ)間、塔筒與主機間，分布范圍廣，不同位置螺栓受力環(huán)境不同、設計要求不一，使得各位置螺栓運行現(xiàn)狀不能一概而論，顯著增加了分析判斷的復雜性。

2 高強螺栓檢查發(fā)現(xiàn)的問題及建議

2.1 檢測項目缺項及質(zhì)量驗收不規(guī)范

2.1.1 到貨驗收檢測項目缺項

檢查發(fā)現(xiàn)各風電場新建機組高強螺栓到貨驗收普遍缺少低溫沖擊性能、脫碳層深度、低倍缺陷、非金屬夾雜物、微觀組織試驗等檢驗項目，部分合金螺栓未進行化學成分分析。沖擊韌性是指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，反映金屬材料對外來沖擊負荷的抵抗性能。材料沖擊韌性受環(huán)境溫度影響較大，根據(jù)材料特性，低溫環(huán)境下沖擊韌性性能急劇下降。風電機經(jīng)常處于-30 ℃甚至更低的低溫環(huán)境，在以往螺栓斷裂案例中，常溫力學性能抽檢合格的螺栓，其低溫沖擊韌性等力學性能指標往往低于設計及標準要求，為此，低溫沖擊試驗不可缺少。通過測量脫碳層深度可檢驗制造質(zhì)量，判斷螺栓表面硬度和強度是否滿足要求，常采用楔負載試驗來控制螺栓脫碳[3]。螺栓表面脫碳嚴重，造成硬度強度嚴重降低，極易在螺紋牙根等應力集中部位萌生疲勞裂紋，最終斷裂[4]。低倍缺陷、非金屬夾雜物、微觀組織試驗是表征螺栓冶金熱處理等制造工藝、排查隱藏缺陷的有效試驗手段。高強螺栓一般為42CrMo、25Cr2MoV 等合金材質(zhì)，對材料進行化學成分分析可有效驗證材質(zhì)是否符合設計要求。

2.1.2 葉片連接螺栓安裝前未進行相關(guān)檢驗

葉片螺栓是用于連接風輪葉片與輪轂的高強度螺栓，檢查發(fā)現(xiàn)部分風電場葉片連接螺栓安裝前未進行相關(guān)檢驗。未檢原因為該螺栓為出廠時與葉片整體安裝到貨，基建安裝工期較緊，螺栓并未拆卸。葉片承受風力交變荷載、氧化腐蝕以及為應對超強風力的破壞而產(chǎn)生的較大過載，因此葉片螺栓易發(fā)生疲勞斷裂、松動及脆斷等現(xiàn)象[5]，葉片螺栓的檢驗不可缺少。

2.1.3 出廠前部分螺栓未進行無損檢測

高強螺栓出廠前進行檢驗檢測是檢查制造質(zhì)量、排查缺陷的重要手段，也為螺栓制造加工工藝提供了借鑒參考。檢查發(fā)現(xiàn)部分螺栓出廠前未進行表面、超聲波等無損探傷。未進行以上檢測，將不能排查螺栓內(nèi)部、螺紋牙底、螺栓表面的裂紋等超標缺陷，出廠質(zhì)量驗收不到位。

以上各項檢驗檢測能夠反映高強螺栓不同方面的性能指標、現(xiàn)行狀態(tài)、出廠制造質(zhì)量，可判斷螺栓是否滿足標準及設計要求，各項試驗相輔相成，缺一不可。建議對不同批次高強螺栓未開展的試驗項目，利用后續(xù)檢修等機會進行補充試驗，試驗項目及比例應符合標準要求。螺栓已完成安裝的，可對各批次螺栓備件進行補充試驗，根據(jù)試驗結(jié)果制定后續(xù)監(jiān)督處理措施。

2.2 到貨驗收抽檢不規(guī)范

對數(shù)量眾多的螺栓科學地抽取樣品進行各項試驗，可有效反映同批次螺栓整體狀態(tài)，同時也可提高檢測效率和降低檢測成本。檢查發(fā)現(xiàn)各風電場普遍存在高強螺栓到貨驗收抽檢不規(guī)范、部分批次未抽檢問題。如某風電場共裝配約14 萬條高強螺栓，不同位置螺栓共計分3～9 批次供貨，但只抽檢1～3 批次，且每批次只抽檢2～4 條螺栓，抽檢批次、抽檢數(shù)量嚴重不足。根據(jù)標準要求，同一性能等級、材料、爐號、螺紋規(guī)格、長度、機械加工、熱處理工藝、表面處理工藝的螺栓為同一批次，檢驗應按批次進行[6]。不同批次高強螺栓因制造工藝、質(zhì)量控制等因素造成各批次力學性能等指標不同，某一批次檢驗結(jié)果不能代表其他批次螺栓性能狀態(tài)。抽檢不規(guī)范，將不能掌握未抽檢批次螺栓的性能狀態(tài)，增加失效風險。

建議對到貨螺栓按制造廠各批次統(tǒng)計準確，建立臺賬，對未進行試驗的各批次螺栓進行補充檢驗。試驗多為有損檢測，針對已安裝完成并投運的機組，可對該批次螺栓備件進行試驗，根據(jù)試驗結(jié)果制定后續(xù)監(jiān)督處理措施。

2.3 部分螺栓力矩標識不規(guī)范

風電機組各位置螺栓因受力環(huán)境等因素不同，根據(jù)設計要求，螺栓預緊力為2 100～12 000 N·m，各位置螺栓預緊力差別較大。若預緊力超過設計要求，將顯著增加螺栓發(fā)生塑性變形甚至被拉斷的風險；若預緊力過小，則會在螺栓連接的兩部件中產(chǎn)生縫隙，使螺栓松動，運行期間特別是在惡劣工況下，與力矩正常時相比，螺栓承受應力顯著增加，極易造成螺栓斷裂[7-8]。為此，在基建安裝及服役期間，定期檢查螺栓力矩尤為重要。采用力矩扳手等工具可對力矩狀態(tài)進行有效核查[9]，但風電場機組螺栓眾多，使用力矩扳手存在檢查效率低、檢驗勞動強度大等問題。為解決該問題，可對螺栓標識力矩線，將顯著減少力矩扳手使用次數(shù)，提高檢查效率?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)塔筒與基礎(chǔ)部分連接螺栓未標識力矩線。未標識力矩線，顯著降低了力矩檢查效率，不能及時發(fā)現(xiàn)可能存在的力矩變化及螺栓偏轉(zhuǎn)情況，增加了安全隱患。建議按照設計要求對未標線螺栓進行力矩檢查，補充標識力矩線。標線應清晰，歷次檢查的力矩線應采用不同顏色分別標識，達到動態(tài)監(jiān)測的目的。

2.4 部分螺栓緊固力矩不符合設計要求

現(xiàn)場查看某風電機組安裝及500 h 定期檢修螺栓力矩標示線，對比發(fā)現(xiàn)塔筒與機艙連接位置部分螺栓緊固力矩不符合設計要求，安裝期間螺栓緊固和安裝不到位，影響整臺機組的安全穩(wěn)定運行。建議利用后續(xù)500 h、半年檢等檢修機會，對各位置螺栓安裝質(zhì)量進行全面檢查，按各螺栓不同設計要求值分別核查力矩，檢查螺栓安裝緊固情況，及時清除錯誤標線，規(guī)范力矩標識。

2.5 設計圖紙資料不準確

檢查發(fā)現(xiàn)部分風電場高強螺栓設計圖紙與機組已安裝螺栓在規(guī)格、尺寸、數(shù)量等方面不一致。設計資料是設備部件重要的基礎(chǔ)性信息，也為后續(xù)檢修檢驗、技術(shù)改造等工作提供有效數(shù)據(jù)支撐。圖紙等重要設計資料與實際安裝設備不符，將為后續(xù)技術(shù)監(jiān)督、更換螺栓、檢修檢驗等造成誤導錯判。建議聯(lián)系風電機廠家核實設計資料，保證設計資料與采購合同、技術(shù)協(xié)議、現(xiàn)場機組設備信息相一致，及時向業(yè)主單位移交。

2.6 檢測報告不規(guī)范且關(guān)鍵信息缺失

查閱第三方檢測機構(gòu)出具的到貨驗收檢測報告，發(fā)現(xiàn)報告內(nèi)容中受檢螺栓信息缺少長度、制造廠批次等必要信息。同一機組相同公稱直徑螺栓存在多種長度規(guī)格，檢測報告中尺寸等重要信息缺失，將不能判斷螺栓是否進行了試驗分析，檢測混亂將影響后續(xù)監(jiān)督檢驗及失效分析等工作。建議聯(lián)系檢測單位核實受檢螺栓信息，完善檢測報告[10]。

3 結(jié)束語

經(jīng)檢查表明，新建機組高強螺栓存在檢測項目缺項、部分批次未抽檢、螺栓緊固不到位、力矩標識不規(guī)范、設計資料不準確、檢測報告不規(guī)范等共性問題。大量新建機組短期集中安裝投產(chǎn)，上述問題普遍存在，嚴重影響機組安全穩(wěn)定運行。各新建風電場應以上述問題為導向，對全場高強螺栓進行專項檢查，根據(jù)暴露出的設備隱患、管理缺失制定專項處理方案，落實整改閉環(huán)措施，進一步加強高強螺栓金屬技術(shù)監(jiān)督管理工作。