馮 標(biāo)， 高 躍， 曹云棟， 石海瑞， 張文康， 席傳讓

（1.華能大理風(fēng)力發(fā)電有限公司， 云南 大理 671000； 2.長(zhǎng)沙飚能信息科技有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家新能源戰(zhàn)略的實(shí)施，風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量快速增加，潛在的施工、安裝及設(shè)計(jì)制造問(wèn)題比較突出，導(dǎo)致了葉片脫落、倒塌等事故頻發(fā)。同時(shí)，在風(fēng)場(chǎng)建設(shè)降本驅(qū)動(dòng)下， 風(fēng)機(jī)向著更高、 單機(jī)容量更大的方向發(fā)展，也加大了事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。 2022 年4 月12 日，河南安陽(yáng)某30MW 分散式風(fēng)電項(xiàng)目發(fā)生一起風(fēng)機(jī)倒塌事故，塔筒折斷。 2022 年6 月10 日， 河南省新鄉(xiāng)市某型4MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)倒塌，150 余米直徑葉片掉落，主體結(jié)構(gòu)一分為二，海上風(fēng)機(jī)也出現(xiàn)多起類似事故。

究其原因，在于風(fēng)機(jī)常年工作在惡劣的氣候條件下，除地基沉降、結(jié)構(gòu)缺陷等因素外，高強(qiáng)度螺栓連接失效也極容易導(dǎo)致最后事故的發(fā)生。 風(fēng)電機(jī)組主要零部件包括葉片、機(jī)架、塔筒、主軸、輪轂等，其中高強(qiáng)度螺栓是連接這些關(guān)鍵零部件的主要元件之一[1]，承擔(dān)著傳遞載荷、保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要作用。 這些螺栓長(zhǎng)期工作在振動(dòng)、交變載荷的工況中，極易發(fā)生松動(dòng)、疲勞損傷、斷裂等失效問(wèn)題，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決，整個(gè)法蘭面連接狀況將急劇惡化，進(jìn)而導(dǎo)致接觸面分離、異常振動(dòng)、葉片掉落等現(xiàn)象。 斷裂的螺栓部件也容易損壞風(fēng)機(jī)設(shè)備， 導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停機(jī)、甚至損毀，產(chǎn)生較大的發(fā)電量及財(cái)產(chǎn)損失。

目前對(duì)螺栓的失效檢查主要以人工為主， 陸地風(fēng)機(jī)一般半年巡檢一次，海上風(fēng)機(jī)間隔時(shí)間更長(zhǎng)。 人工檢查的手段單一，主要靠劃線、敲擊等方式，缺乏可靠的數(shù)據(jù)支撐，很大程度上要憑經(jīng)驗(yàn)分析，判斷結(jié)果準(zhǔn)確率較低。 例如，在螺母沒(méi)有明顯松動(dòng)的情況下，仍會(huì)出現(xiàn)預(yù)緊力下降或斷裂，這時(shí)人工難以判別，導(dǎo)致漏檢。 此外，在某些特殊部位，運(yùn)維人員平時(shí)很難到達(dá)，也不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理潛在的螺栓問(wèn)題。

綜上所述， 風(fēng)電機(jī)組中高強(qiáng)度螺栓連接的可靠性將直接影響整機(jī)的運(yùn)行安全和穩(wěn)定性， 但目前尚無(wú)有效手段即時(shí)發(fā)現(xiàn)螺栓的失效問(wèn)題，也缺乏對(duì)螺栓連接狀況進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警的相關(guān)技術(shù)。 因此，對(duì)螺栓進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，有著實(shí)際的需求，對(duì)保證機(jī)組安全運(yùn)行意義重大。

1 技術(shù)路線

螺栓連接有多種失效形式， 例如螺栓在承受過(guò)大拉力之后引起的螺桿伸長(zhǎng)失效； 螺紋副承受過(guò)大壓力引起的壓潰失效；鉸制孔用螺栓因剪切力引起的擠壓失效；循環(huán)荷載作用下，交變應(yīng)力引起的螺栓疲勞斷裂失效[2]。 市場(chǎng)上針對(duì)螺栓失效監(jiān)測(cè)的技術(shù)主要有反旋法、位移法、應(yīng)力法等。

反旋法：通過(guò)測(cè)量螺母與螺桿的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度來(lái)判斷螺母是否松動(dòng)，技術(shù)成熟，但監(jiān)測(cè)效果有限，識(shí)別不了螺母未轉(zhuǎn)動(dòng)條件下的預(yù)緊力衰減，判斷不了螺栓是否斷裂。

位移法： 通過(guò)監(jiān)測(cè)法蘭面之間的間隙大小來(lái)判斷螺栓是否松動(dòng)，屬于間接測(cè)量，只能識(shí)別接觸面已經(jīng)開(kāi)口等極端情況，不能起到事先預(yù)防作用。

應(yīng)力法：主要有預(yù)埋法和超聲法；預(yù)埋法通過(guò)在螺栓中心打一小孔，將光纖或應(yīng)變材料預(yù)埋進(jìn)去，通過(guò)預(yù)埋材料的應(yīng)變來(lái)計(jì)算螺栓受力大小，測(cè)量螺栓預(yù)緊力精度高，技術(shù)成熟，缺點(diǎn)是需要對(duì)螺栓進(jìn)行金加工，操作復(fù)雜；超聲法應(yīng)用最新的超聲檢測(cè)技術(shù)， 在螺栓端面安裝超聲探頭， 利用超聲波軸向傳播速度與應(yīng)力大小呈線性變化的關(guān)系來(lái)測(cè)量螺栓預(yù)緊力的大小，結(jié)構(gòu)小巧，抗干擾強(qiáng)，適合大批量螺栓的監(jiān)測(cè)。

風(fēng)機(jī)上鉸制孔螺栓應(yīng)用較少， 主要失效形式為松動(dòng)和斷裂，不恰當(dāng)?shù)妮S力會(huì)導(dǎo)致螺母松脫或者螺栓斷裂，而使得螺栓連接提前失效。因此準(zhǔn)確測(cè)量螺栓軸力，能夠有效提高螺栓連接可靠性和結(jié)構(gòu)安全性[3]。超聲應(yīng)力法通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量螺栓預(yù)緊力（軸力），用以判斷螺栓是否失效，應(yīng)用于風(fēng)機(jī)高強(qiáng)螺栓監(jiān)測(cè)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：不會(huì)對(duì)螺栓產(chǎn)生任何損傷；不影響螺栓連接結(jié)構(gòu)；也無(wú)需對(duì)螺栓上的字樣進(jìn)行打磨，操作方便；精度較高，監(jiān)測(cè)精度較高，誤差能控制在±3%以內(nèi)。 應(yīng)用超聲應(yīng)力法監(jiān)測(cè)螺栓的預(yù)緊力，結(jié)合后臺(tái)大數(shù)據(jù)分析，能有效對(duì)螺栓的松動(dòng)和斷裂提供預(yù)警，降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行損失，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行的效率和安全，是比較理想的螺栓在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，近幾年發(fā)展迅速，已有眾多的風(fēng)場(chǎng)投入使用。

2 螺栓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

螺栓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般由傳感器和采集計(jì)算系統(tǒng)構(gòu)成，以長(zhǎng)沙飚能信息科技有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品為例，該系統(tǒng)由超聲探頭、通道采集器、通訊控制器、傳輸線路、服務(wù)器和終端控制軟件構(gòu)成， 通道采集器與通訊控制器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集單元，一般采用分布式設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1），監(jiān)測(cè)通道可根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行靈活配置， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 螺栓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖

圖2 螺栓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

超聲波探頭是螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)的重要傳感器， 使用的是脈沖反射法。 該法是將超聲波探頭用耦合劑放在螺栓的一端， 探頭首先產(chǎn)生一個(gè)聲脈沖穿過(guò)螺栓的整個(gè)長(zhǎng)度，在另一側(cè)被反射回超聲波探頭，測(cè)量聲脈沖信號(hào)的傳播時(shí)間。 將螺栓規(guī)格參數(shù)事先輸入儀器，便可得出聲 脈沖傳播時(shí)間、螺栓伸長(zhǎng)量、載荷和軸向應(yīng)力[4]。超聲波探頭安裝于螺栓露頭端部，一般采用磁吸和耦合膠安裝，具有防水防塵、抗干擾能力。

通道采集器采用繼電器進(jìn)行通道切換， 根據(jù)命令輪循開(kāi)啟測(cè)量通道，同時(shí)還具有前置放大和濾波功能，超聲波探頭信號(hào)通過(guò)通道采集器轉(zhuǎn)發(fā)到通訊控制器， 一套系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)由多個(gè)通道采集器串聯(lián)或并聯(lián)而成。通訊控制器為整個(gè)系統(tǒng)的電源和通訊控制中心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的指令上傳下達(dá)以及數(shù)據(jù)報(bào)文的上傳， 具有高通濾波、高精度采樣、實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)時(shí)通訊等功能，每臺(tái)風(fēng)機(jī)根據(jù)需要可配有一臺(tái)或多臺(tái)通訊控制器。 通訊控制器具有有線、4G、WIFI 等多種通訊方式，方便接入風(fēng)場(chǎng)內(nèi)網(wǎng)或獨(dú)立傳輸數(shù)據(jù)。 通道采集器與通訊控制器一般采用壓鑄鋁一體成型外殼，具有較好的密封性和防護(hù)等級(jí)，能滿足高溫、高濕、鹽霧、振動(dòng)等特殊環(huán)境要求。

后臺(tái)監(jiān)測(cè)軟件（圖3）一般采用B/S 或C/S 架構(gòu)，方便以風(fēng)場(chǎng)為單位進(jìn)行部署。 能實(shí)時(shí)顯示所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的螺栓預(yù)緊力和預(yù)警信息（圖4），及時(shí)提醒運(yùn)維人員處理異常情形。螺栓預(yù)緊力以曲線或圖表方式直觀地呈現(xiàn)，方便查看歷史數(shù)據(jù)和變動(dòng)趨勢(shì)， 為了解螺栓在各種工況下的受力情況提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。為了與運(yùn)維工作相結(jié)合，后臺(tái)軟件還具備自動(dòng)報(bào)表生成、自主分析數(shù)據(jù)等功能，能有效配合業(yè)主、主機(jī)廠和運(yùn)維人員分析故障類型、制定運(yùn)維方案、改進(jìn)設(shè)計(jì)、優(yōu)化施工等。

圖3 螺栓在線監(jiān)測(cè)后臺(tái)軟件

圖4 預(yù)警信息顯示

3 案例分析

案例一：湖南省永州市某風(fēng)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)超過(guò)40 臺(tái)2.5MW風(fēng)機(jī)，由于風(fēng)機(jī)型號(hào)較早，技術(shù)不完善，葉根及塔筒螺栓經(jīng)常發(fā)生斷裂。特別是葉根螺栓斷裂后難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)安全，同時(shí)斷裂的埋入端需要人工取出，操作非常困難，需要長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，影響高峰期的發(fā)電量。 鑒于此， 主機(jī)廠遂決定對(duì)葉根及塔基螺栓進(jìn)行在線監(jiān)測(cè) （圖5）。 該項(xiàng)目于2019 年底啟動(dòng)，項(xiàng)目主要監(jiān)測(cè)三個(gè)葉根及塔基連接螺栓，共計(jì)32 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，后臺(tái)軟件可隨時(shí)查看預(yù)緊力值及報(bào)警信息。單臺(tái)風(fēng)機(jī)每年總預(yù)緊力數(shù)據(jù)可達(dá)10 萬(wàn)條， 很好地監(jiān)控到不同工況下葉根及塔筒螺栓預(yù)緊力變化的數(shù)值。2021 年底，成功監(jiān)測(cè)到葉根螺栓斷裂，及時(shí)給予報(bào)警信息，避免了風(fēng)機(jī)安全事故的發(fā)生。

圖5 永州市某風(fēng)場(chǎng)螺栓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通訊控制器現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

案例二：內(nèi)蒙古風(fēng)資源豐富，風(fēng)機(jī)林立，通遼某風(fēng)場(chǎng)新裝機(jī)組葉根螺栓松動(dòng)和斷裂頻繁，超出正常頻率，業(yè)主與主機(jī)廠協(xié)商對(duì)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)葉根螺栓進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)研究（圖6）。 每個(gè)葉根監(jiān)測(cè)8 顆螺栓，兩臺(tái)機(jī)組共監(jiān)測(cè)48 顆，監(jiān)測(cè)點(diǎn)重點(diǎn)選取受力較大的合?？p部位， 采用非均布方式。 整個(gè)項(xiàng)目于2021年底實(shí)施完，已不間斷獲取螺栓預(yù)緊力數(shù)據(jù)達(dá)50 萬(wàn)條， 成功監(jiān)測(cè)到了停機(jī)、變槳、大風(fēng)等工況條件下預(yù)緊力的變動(dòng)情況，為業(yè)主調(diào)整螺栓運(yùn)維方式和時(shí)間提供了寶貴的數(shù)據(jù)，增加了風(fēng)機(jī)葉片連接安全性，到目前為止，尚未有葉片因螺栓問(wèn)題發(fā)生斷裂或脫落。

案例三： 位于云南省某風(fēng)場(chǎng)共裝機(jī)50 余臺(tái)2.2MW雙饋型風(fēng)機(jī)，2018 年投入運(yùn)行以來(lái)，故障率偏高，除電氣、傳動(dòng)等常規(guī)故障外，高強(qiáng)螺栓問(wèn)題比較突出，螺栓斷裂達(dá)到每月10 次以上。 其中葉根連接部位為主要螺栓斷裂點(diǎn)，2022 年上半年有4 臺(tái)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)葉根螺栓斷裂，每臺(tái)斷裂2-3 根。 螺栓斷裂后，需停機(jī)檢修，造成了較大的發(fā)電損失。 而且由于只能人工排查，運(yùn)維人員不能實(shí)時(shí)上機(jī)，往往事后才能發(fā)現(xiàn)， 有時(shí)甚至找不到斷裂的螺栓殘留部件， 給風(fēng)機(jī)電氣設(shè)備及附近環(huán)境和人員造成極大的安全隱患。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求， 項(xiàng)目對(duì)風(fēng)機(jī)三個(gè)葉根及四級(jí)塔筒螺栓進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)（圖7，圖8），每個(gè)法蘭面選取四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，為方便運(yùn)維人員隨時(shí)查看，采用4G 方式通訊。項(xiàng)目于2022 年10 月份實(shí)施完，經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的監(jiān)測(cè)，成功采集到螺栓預(yù)緊力長(zhǎng)期變動(dòng)情況。根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)，按風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) （偏差10%以內(nèi)正常，10-30%偏小，30%以上為松動(dòng)）判斷，預(yù)緊力合格率為58.3%（表1），不到六成，其余都存在預(yù)緊力偏小情況，有少量已經(jīng)出現(xiàn)松動(dòng)。預(yù)緊力偏小則會(huì)導(dǎo)致葉片連接松弛，葉片振動(dòng)幅度增大，反映在連接螺栓上就是瞬間沖擊增大， 容易導(dǎo)致螺栓疲勞斷裂或者過(guò)載斷裂。從監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，預(yù)緊力偏小是導(dǎo)致葉根螺栓頻繁斷裂的原因之一，風(fēng)場(chǎng)可根據(jù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)運(yùn)維時(shí)間及參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以減少螺栓斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

表1 云南省某風(fēng)場(chǎng)葉根螺栓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖7 云南省某風(fēng)場(chǎng)塔筒螺栓監(jiān)測(cè)

圖8 云南省某風(fēng)場(chǎng)葉根螺栓監(jiān)測(cè)

4 應(yīng)用前景展望

風(fēng)電行業(yè)隨著補(bǔ)貼的取消， 人力成本和安全性已成為制約風(fēng)電企業(yè)盈利的關(guān)鍵因素之一，提高風(fēng)機(jī)安全、技術(shù)替代人工已成為行業(yè)共識(shí)。 作為輔助監(jiān)控系統(tǒng)新興的技術(shù)之一，螺栓在線監(jiān)測(cè)已過(guò)了初步市場(chǎng)培育階段，其作用和意義已被行業(yè)所認(rèn)可。 特別是海上風(fēng)機(jī)， 單臺(tái)造價(jià)高，體積大，螺栓數(shù)量龐大，運(yùn)維人員登塔作業(yè)時(shí)間非常有限，對(duì)智能化運(yùn)維需求更加迫切。 而螺栓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用先進(jìn)的超聲技術(shù)，能無(wú)損、快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)螺栓的實(shí)時(shí)預(yù)緊力，對(duì)風(fēng)機(jī)螺栓的連接情況、健康狀況作出分析判斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理螺栓的異常狀況，可為業(yè)主及運(yùn)維方提供有效的運(yùn)維保養(yǎng)判斷與建議，避免風(fēng)機(jī)因螺栓問(wèn)題引發(fā)安全事故的發(fā)生。 通過(guò)監(jiān)測(cè)螺栓的受力情況，還可以預(yù)估螺栓的松斷變化過(guò)程和疲勞壽命， 有效制定運(yùn)維的時(shí)間，減少不必要的浪費(fèi)，避免少打、多打、盲打力矩，降低誤打力矩或拉拔對(duì)螺栓的損壞，起到降本增效的目的。 因此螺栓在線監(jiān)測(cè)近年發(fā)展速度明顯加快，2022 年已有少量陸地和海上風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行批量化嘗試，未來(lái)前景光明。