馬曉飛

摘 要：【目的】提高高強度螺栓連接風(fēng)電機組的安全性、可靠性?！痉椒ā繌母邚姸嚷菟ㄟB接副出發(fā)，對高強度螺栓生產(chǎn)制造、進場驗收、運輸與儲存、安裝施工及施工質(zhì)量驗收等方面加強管理，提出螺栓從生產(chǎn)制造到施工驗收過程的質(zhì)量管理要求?！窘Y(jié)果】出廠時對螺栓表面缺陷進行檢驗，達不到標(biāo)準(zhǔn)的要拒收；進場時對螺栓扭矩系數(shù)、機械性能、螺母保證載荷等參數(shù)進行抽樣復(fù)檢，確保螺栓符合要求；施工完畢后，對每一個螺栓連接副是否進行初緊與終緊進行檢查，確保連接質(zhì)量達標(biāo)?！窘Y(jié)論】對螺栓連接副制造、運輸儲存、進場驗收、安裝施工及施工質(zhì)量驗收等方面加強管理，提高螺栓質(zhì)量，降低風(fēng)機事故率。

關(guān)鍵詞：高強度螺栓；風(fēng)電機組；質(zhì)量管理

中圖分類號：TH131.3? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ?文章編號：1003-5168（2023）09-0044-05

Abstract： [Purposes] To improve the safety and reliability of high-strength bolt connection for wind turbine generators.[Methods] Starting with high-strength bolt connection pairs， the quality management requirements for the bolt rectification process are introduced from the aspects of high-strength bolt production and manufacturing， mobilization acceptance， transportation and storage， installation construction， and construction quality acceptance. [Findings] Quality acceptance should be strengthened， and bolt surface defects should be inspected before leaving the factory. If they fail to meet the standards， they should be rejected; When accepting conducts， sampling and re-inspection on parameters such as bolt torque coefficient， mechanical performance， and guaranteed load of nuts are necessary to ensure that the bolts meet the requirements; After the completion of bolt construction， check whether each bolt connection pair has undergone initial and final tightening to ensure that the connection quality meets the standard. [Conclusions] It is recommended to strengthen management from the aspects of bolt connection pair manufacturing， transportation and storage， site acceptance， installation and construction quality acceptance， comprehensively improve bolt quality in various aspects， and reduce the accident rate of wind turbines.

Keywords： high strength bolt; wind turbine unit; quality assurance

0 引言

高強度螺栓是一種用于連接風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)部件的重要零件，具有施工簡便、可拆卸更換、連接剛度高、受力性能好、抗疲勞、耐震的優(yōu)點。風(fēng)力發(fā)電機各個部件的連接和鎖緊均采用高強度螺栓。

高強度螺栓是指8.8級及以上強度等級的螺栓。以高強度螺栓為連接緊固件，通常為摩擦型連接，通過對螺栓施加緊固軸力，使連接板夾緊而產(chǎn)生摩擦作用。外力作用時，連接板層接觸面之間發(fā)生摩擦，將外力傳遞給螺栓，應(yīng)力流通過接觸面進行平滑傳遞［1］。

我國風(fēng)電機組在使用高強度螺栓安裝過程中出現(xiàn)滑絲、屈服、拉斷等現(xiàn)象，風(fēng)機機組運行過程中出現(xiàn)連接螺栓斷裂的現(xiàn)象，降低風(fēng)電機組的安全系數(shù)，嚴(yán)重時甚至?xí)斐娠L(fēng)機倒塌［2］。

螺栓的安全性決定整個風(fēng)機的安全性。因此，需要對螺栓制造、進場驗收、儲運保管、連接施工及施工質(zhì)量驗收等環(huán)節(jié)進行質(zhì)量管理，確保螺栓安全使用及整個風(fēng)機安全運行。

1 螺栓的制造

1.1 螺栓制造過程

螺栓生產(chǎn)工藝流程為退火、酸洗、抽線、成型、碾牙、熱處理、表面處理［3］。退火是將線材加熱到一定溫度，保溫一定時間后慢慢冷卻，用于改善相形和分布、細化晶粒、降低硬度、提高線材常溫加工性能等。線材在退火后，對線材表面進行酸洗，去除氧化膜。抽線是將盤元冷拉至需要的直徑。成型是將線材通過冷/熱鐓工藝制成螺栓半成品的形狀。冷/熱鐓是指利用壓力機，不加熱或加熱坯料，在上下模之間施加壓力，對坯料進行軸向壓縮、徑向擴展的金屬壓力加工。一般的螺栓、螺母使用的是冷鐓工藝，冷鐓會產(chǎn)生加工硬化，使金屬的抗拉強度和屈服強度等有所提高，同時金屬坯內(nèi)的流線沒被切斷，冷鐓后的流線會沿著工件外形分布，可提高產(chǎn)品的疲勞強度，且冷鐓后工件粗糙度及尺寸精度好，沒有切削加工形成的加工絲縷痕跡。碾牙是將已成型的半成品螺栓或螺母碾制或攻絲達到所需的螺紋。根據(jù)不同材料和性能要求來確定熱處理工藝，進行表面處理，表面處理的方法有磷化、發(fā)藍、熱浸鋅、鍍鋅等［4］。

1.2 制造過程常見缺陷及檢測方法

螺栓、螺母制造過程中常見的表面缺陷有裂紋、原材料裂紋或條痕、凹痕、褶皺、刀痕與損傷等［5］。螺栓、螺母上的裂紋分為淬火裂紋、鍛造裂紋、鍛造爆裂與剪切爆裂。淬火裂紋是在熱處理過程中，由過高熱應(yīng)力和應(yīng)變產(chǎn)生的裂紋，通常在緊固件表面呈現(xiàn)出不規(guī)則的相交和不規(guī)則的方向。任何深度、任何長度、任何部位的淬火裂縫都不允許存在［6］。鍛造裂紋、鍛造爆裂與剪切爆裂缺陷均在鍛造工序中產(chǎn)生，一般位于螺栓六角頭的對角上、對邊平面上或螺母的外表面，除淬火裂紋外，其余裂紋在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5779.1—2000的要求范圍內(nèi)允許出現(xiàn)。原材料裂紋或條痕是制造螺栓原材料中固有缺陷，一般為沿光桿或螺栓頭部縱向延伸的細線或光滑曲線［5］。凹痕未能在鍛壓過程中消除，是在原材料中的銹層或剪切、切削過程因毛刺而產(chǎn)生的壓痕或壓印。褶皺是在鐓鍛一次沖擊過程中產(chǎn)生的，位于或低于螺栓支承面的內(nèi)拐角上不允許有皺紋，在螺栓外拐角上允許存在皺紋。刀痕是因切削刀具超越螺栓表面運動而產(chǎn)生的，在螺栓的光桿、圓角等處會出現(xiàn)切削產(chǎn)生的刀痕，要求表面粗糙度一般不超過Ra=3.2 [μ]m。損傷通常指凹陷、擦傷、缺口等，是螺栓在制造或運輸過程中因磕碰而產(chǎn)生的，損傷缺陷一般不作為拒收的依據(jù)，除非上述損傷影響螺栓強度。位于螺栓螺紋上的凹陷、擦傷、缺口等損傷不能影響螺紋通止規(guī)通過，通止規(guī)擰入的扭矩不應(yīng)大于0.001 d3N·m［7］。

1.3 制造驗收

螺栓制造完成后，要按照批量大小隨機抽取樣品，抽取樣品的數(shù)量要求見表1，用目視檢測、磁粉檢測、脈沖渦流檢測等無損檢測技術(shù)對螺栓與螺母表面的缺陷進行檢查。使用目視檢測等對表面進行無損檢測，若在螺栓、螺母的任何部位發(fā)現(xiàn)淬火裂紋缺陷，螺栓頭的內(nèi)拐角上發(fā)現(xiàn)褶皺缺陷，這批產(chǎn)品應(yīng)拒絕通過。若發(fā)現(xiàn)未超出許可范圍的缺陷樣品，該批次產(chǎn)品將予以驗收；如果未發(fā)現(xiàn)不可出現(xiàn)缺陷，但發(fā)現(xiàn)其他缺陷，且有缺陷的樣品數(shù)量超過允許限量，這些不合格的產(chǎn)品會被當(dāng)作破壞性批量來檢驗。將有嚴(yán)重缺陷的產(chǎn)品組成第二個檢驗樣本進行破壞性檢驗樣品的抽取，檢驗時要求抽樣的數(shù)量見表2。在進行破壞性檢驗時，所取截面要垂直于缺陷長度方向，且通過缺陷最大深度。在進行破壞性檢驗時，若未發(fā)現(xiàn)超過標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5779.1—2000中允許尺寸極限的鐓鍛裂紋、爆破、條痕、凹痕、褶皺、刀痕與損傷等缺陷，該批產(chǎn)品予以通過；若尺寸超過GB/T 5779.1—2000中的要求，應(yīng)拒絕通過。

2 螺栓進場驗收

風(fēng)電機組高強度螺栓進場后要清點數(shù)量，按螺栓連接副批次進行抽檢復(fù)檢，同批螺栓連接副最大數(shù)量為5 000套，抽檢數(shù)量見表3［8］。

復(fù)檢后產(chǎn)品參數(shù)應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。其中，扭矩系數(shù)試驗按照GB/T 17.2—2000進行，螺栓連接副扭矩系數(shù)見表4。

扭矩系數(shù)檢測所用的螺栓、墊圈、螺母試樣，在經(jīng)扭矩系數(shù)試驗后，螺栓連接副可繼續(xù)使用，每套做一次試驗，不得重復(fù)試驗，試驗過程中若發(fā)生墊圈轉(zhuǎn)動事件，試驗數(shù)據(jù)無效。

3 高強度螺栓連接副儲存與運輸

高強度螺栓制造廠商應(yīng)按照GB/T 3098.1—2000要求，對每根螺栓進行產(chǎn)品性能等級標(biāo)記，每箱螺栓副應(yīng)有配套包裝，不同批次的螺栓不得混合包裝，包裝箱內(nèi)要用聚乙烯塑料薄膜等防水膜布包裹住螺栓的表面，防止因雨水等的進入，導(dǎo)致螺栓生銹。同時在螺栓之間用珍珠棉隔開，防止螺栓螺紋被磕破損壞。螺栓包裝箱應(yīng)科學(xué)、美觀、牢固、經(jīng)濟，確保運輸過程中不發(fā)生破壞。包裝盒內(nèi)要有螺栓產(chǎn)品的質(zhì)量保證書，包裝盒外要有生產(chǎn)廠家名稱、產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品規(guī)格型號、數(shù)量、檔次、出廠日期等信息。

風(fēng)電機組高強度螺栓連接副一般是按套進場的，一套包含一個螺栓、一個螺母和兩個墊片，使用時要在同一批中配套使用。在運輸過程中，運輸工具應(yīng)采取防雨、防潮、防曬等措施，螺栓應(yīng)分類有序擺放，做到輕裝、輕卸，防止螺栓表面發(fā)生損傷和生銹。

高強度螺栓連接副應(yīng)保存在室內(nèi)，存放時要避免和酸、堿、鹽水泥等對螺栓連接副有腐蝕作用的材料堆放在一起，室內(nèi)環(huán)境應(yīng)干凈、干燥，儲存溫度為-40～40 ℃、濕度不超過85%，螺栓副應(yīng)按照包裝箱上的批號、規(guī)格分類分批保管，螺栓不宜堆摞太高， 存放時間一般不超過6個月，一旦超過6個月，要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求重新進行扭矩系數(shù)或緊固軸力測試，符合標(biāo)準(zhǔn)要求后方可使用［9］。

4 高強度螺栓連接安裝

4.1 緊固扳手和連接副組裝

在使用高強度螺栓前，應(yīng)調(diào)節(jié)螺栓孔的中心位置，使兩個連接件的螺栓中心孔對準(zhǔn)。螺栓裝配時，一個節(jié)點上所有螺栓的安裝方向應(yīng)一致。在螺母側(cè)，墊圈上有倒角的一側(cè)應(yīng)與螺母上有圓臺的一側(cè)依次貼合；在螺栓頭側(cè)，墊圈上有倒角的一側(cè)應(yīng)與螺栓頭貼合［10］。

螺栓安裝前，必須對所用的扭矩扳手進行日常檢查，扭矩最大相對誤差[≤]±5%。日常檢查用標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳手應(yīng)經(jīng)過計量檢定單位檢定或校準(zhǔn)，其最大允許誤差[≤]±5%。

4.2 螺栓孔與擴孔

風(fēng)電機組用高強度螺栓安裝時，若螺栓不能自由穿入，要禁止強行穿入，應(yīng)用鉸刀對該螺栓孔進行修整，螺栓孔修整數(shù)量不應(yīng)超過螺栓總數(shù)的25%，修整后的直徑不應(yīng)大于1.2倍螺柱直徑。嚴(yán)禁使用氣割法進行擴孔。當(dāng)螺栓孔的修整數(shù)量超過螺栓總數(shù)的25%，或修整的最大直徑大于1.2倍螺栓直徑［8］，應(yīng)先向設(shè)計單位提出申請，經(jīng)設(shè)計單位同意后再進行施工。記錄下來擴孔后的孔徑大小、擴孔位置，由設(shè)計單位按大圓孔、槽孔等擴大孔型進行復(fù)核計算。

4.3 螺栓的初緊、復(fù)緊、終緊

4.3.1 風(fēng)電機組高強度螺栓副的緊固分為初緊、復(fù)緊與終緊，有時也只進行初緊和終緊。初緊和復(fù)緊扭矩值為終緊扭矩值的一半左右。初緊和復(fù)緊后要用一個顏色的記號筆在高強度螺栓的螺母上做好標(biāo)記，以免重復(fù)緊固。終緊時按本批次螺栓連接副的扭矩系數(shù)計算得到最終緊扭矩值進行擰緊，終緊后用另一種顏色的記號筆在螺母上做好標(biāo)記，高強度螺栓的初緊、復(fù)緊與終緊要在24 h內(nèi)完成［11］。

4.3.2 風(fēng)電機組高強度螺栓要按一定順序進行初緊、復(fù)緊和終緊，所有螺栓在完成初緊后再進行復(fù)緊，復(fù)緊全部完成后再進行終緊。同一節(jié)點螺栓連接副的安裝施工順序為先中間再逐步向外。不同位置從剛度大的接頭開始向剛度小的接頭位置施工，簡單接頭一般從接頭中間位置向兩端進行施工，兩個或多個連接接頭一般先對主要構(gòu)件接頭進行施工，再對次要構(gòu)件進行施工［12］。

4.4 高強度螺栓緊固方法

風(fēng)電機組高強度螺栓緊固方法有兩種，一是扭矩法緊固，二是轉(zhuǎn)角法緊固。

4.4.1 高強度螺栓扭矩法緊固。高強度螺栓扭矩法緊固施工是利用螺栓的設(shè)計預(yù)緊力F與扭矩系數(shù)K計算得到螺栓的終緊扭矩值M，用扭矩扳手按計算所得的終緊扭矩值M依次對螺栓進行初緊、復(fù)緊與終緊。螺栓的預(yù)緊力F由設(shè)計預(yù)緊力來確定，考慮到螺栓施工時的預(yù)緊力損失量一般為設(shè)計預(yù)緊力的10%，因此螺栓擰緊的預(yù)緊力F為設(shè)計預(yù)緊力的1.1倍。在貯運過程中螺栓轉(zhuǎn)矩系數(shù)易發(fā)生變化，在施工現(xiàn)場，按要求對扭矩系數(shù)進行復(fù)檢，復(fù)檢扭矩系數(shù)在表4范圍內(nèi)時，根據(jù)復(fù)檢確定的扭矩系數(shù)進行施工。螺栓施工時初緊、復(fù)緊與終緊要依次進行。螺栓初緊的目的是讓各連接部件的接觸面緊密貼合，螺栓的預(yù)緊力達到10～50 kN 。在實際操作中，一個操作者使用普通手動扳手，在不使用任何輔助工具擰緊螺栓，即完成初緊。

4.4.2 高強度螺栓轉(zhuǎn)角法緊固。由于螺栓的扭矩系數(shù)是離散的，特別是螺栓的制造質(zhì)量不高、包裝條件差、運輸儲存條件惡劣，導(dǎo)致螺栓的扭矩系數(shù)超過標(biāo)準(zhǔn)值，此時再采用扭矩法施工會造成較大誤差，出現(xiàn)過緊或欠緊現(xiàn)象。螺栓轉(zhuǎn)角法施工是在螺柱彈性變形區(qū)間內(nèi)，調(diào)整螺母的旋轉(zhuǎn)角度來控制螺柱的彈性伸長量，獲取所需預(yù)緊力［13］。為解決扭矩法施工過緊或欠緊問題，引入轉(zhuǎn)角法施工。螺栓轉(zhuǎn)角法施工的基本原理如下：螺栓在完成初緊后，螺柱在彈性范圍內(nèi)變形，螺母的旋轉(zhuǎn)角度與螺栓預(yù)緊力為線性關(guān)系，得到螺栓預(yù)緊力后，可計算出螺栓的旋轉(zhuǎn)角度，初緊后按此旋轉(zhuǎn)角度施工，可準(zhǔn)確控制預(yù)緊力。高強度螺栓轉(zhuǎn)角法的緊固分為初緊與終緊，對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)增加復(fù)緊。初緊比扭矩法施工要嚴(yán)格，若初緊狀態(tài)不一致，施工時有一部分會用于消除板縫間的距離，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)角度與預(yù)緊力的關(guān)系極不穩(wěn)定。轉(zhuǎn)角法的初緊是為了消除連接件縫隙的影響，為螺栓終緊提供一個基本一致的起點。但轉(zhuǎn)角法施工對初緊扭矩沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，均是以連接板緊密貼合為原則，再根據(jù)各個工程項目的具體情況進行確定，終緊是在初緊基礎(chǔ)上，將螺母旋轉(zhuǎn)一定角度，使螺栓的軸向力達到計算預(yù)緊力的要求。

轉(zhuǎn)角法具體施工順序如下：采用定扭矩扳手以螺栓群為中心逐個向外初緊，初緊完畢后用小錘敲擊螺栓，防止漏擰，最后對初緊后的螺栓依次劃線標(biāo)記，初緊完成。用專用扳手（一般為電動扳手、電動定轉(zhuǎn)角扳手及手動扳手等）按照初緊順序依次使螺母旋轉(zhuǎn)一個確定角度，為準(zhǔn)確控制螺母旋轉(zhuǎn)角度，將計算得到的轉(zhuǎn)角角度刻在套筒上，套筒安裝到螺母后，將套筒上刻度角終止線的位置在連接件上標(biāo)記好，擰動扳手，套筒上轉(zhuǎn)角起始線與連接件上的標(biāo)記重合后，達到規(guī)定轉(zhuǎn)角，終緊結(jié)束。為確保終緊的正確性，施工時要采取一定措施來防止螺柱與螺母共轉(zhuǎn)。終緊結(jié)束后要用量角器對螺栓螺母上畫的相對轉(zhuǎn)角逐個進行檢查。對終緊自檢完的螺栓用不同顏色的記號筆進行標(biāo)記，以防漏擰和重復(fù)終緊。

在使用螺母轉(zhuǎn)角法施工前要進行復(fù)檢，在同批螺栓副樣本中隨機抽取8套螺栓副（包括螺栓、螺母、墊圈），試驗用螺栓的狀態(tài)要與實際使用的螺栓狀態(tài)一致，試驗用螺栓不可繼續(xù)在風(fēng)電機組上使用。轉(zhuǎn)角復(fù)檢要在有相應(yīng)資質(zhì)的第三方檢測單位進行，所用的儀器儀表必須經(jīng)過計量檢定合格，且在有效期內(nèi)。

5 高強度螺栓連接施工質(zhì)量驗收

風(fēng)電機組用高強度螺栓采用扭矩法施工緊固質(zhì)量檢測應(yīng)符合以下四個要求。①用0.3 kg重的小錘依次敲擊高強度螺栓的螺母，不得漏擰螺旋。②對螺栓副的終緊扭矩進行10%的抽查，且不少于兩個螺栓連接副，檢查時在螺栓與螺母上畫一條直線，用扳手將螺母上擰松60°角，再用扭矩扳手重新擰緊，使螺母與螺柱上的兩根直線重合。此時，測得的扭矩若在0.9～1.1 M內(nèi)，則符合要求。③若發(fā)現(xiàn)有達不到要求的，應(yīng)再增加一倍螺栓連接副進行擴大檢查，如仍有不合格的，對所有高強度螺栓連接副重新進行施工［8］。④螺栓扭矩的檢查要在螺栓終緊后1～24 h內(nèi)完成，檢查用扭矩扳手應(yīng)經(jīng)過計量檢定或校準(zhǔn)，最大允許誤差在±3%范圍內(nèi)［9］。

風(fēng)電機組用高強度螺栓采用轉(zhuǎn)角法施工緊固質(zhì)量檢測要符合以下四個要求。①依次檢查終緊起始線與終緊終止線的角度是否達到要求。②在每個節(jié)點上隨機抽取總數(shù)10%的螺栓，且不少于兩個螺栓連接副檢查終緊轉(zhuǎn)角，檢查時在螺柱與螺母上畫一條直線，將螺母全部卸松，按原規(guī)定要求進行初緊和終緊，測量原終止線與終止線之間的角度誤差在±30°為合格。③若發(fā)現(xiàn)有達不到要求的，應(yīng)再增加一倍螺栓連接副進行檢查，如仍有不合格的，所有高強度螺栓連接副要重新進行施工［8］。④轉(zhuǎn)角的檢查要在螺栓終緊后1～24 h完成，檢查用扭矩扳手應(yīng)經(jīng)過計量檢定或校準(zhǔn)，最大允許誤差在±3%范圍內(nèi)。

6 結(jié)語

風(fēng)電機組用高強度螺栓連接副失效事件時有發(fā)生。為降低螺栓連接副失效發(fā)生概率，應(yīng)對螺栓連接副制造、運輸儲存、進場驗收、安裝施工及施工質(zhì)量驗收等環(huán)節(jié)加強管理，在各個環(huán)節(jié)提高螺栓質(zhì)量，降低風(fēng)機事故發(fā)生概率。

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