超聲螺栓應(yīng)力測(cè)試儀在風(fēng)電安裝中的應(yīng)用研究

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(cè)試儀對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒高強(qiáng)螺栓安裝情況進(jìn)行測(cè)試研究。通過對(duì)測(cè)試儀現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的風(fēng)機(jī)螺栓安裝緊固數(shù)據(jù)分析，該檢測(cè)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(shí)際緊固安裝的情況，對(duì)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(cè)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(cè)試;螺栓預(yù)緊力

中圖分類號(hào)：TH823? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(guó)的風(fēng)力發(fā)電行業(yè)無(wú)論是裝機(jī)總?cè)萘?，還是裝機(jī)的新增容量，都保持著較快的增長(zhǎng)趨勢(shì)，在世界其他相關(guān)國(guó)家也有較快的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。但是，隨著風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的迅猛發(fā)展，近些年來(lái)，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(shí)際安裝質(zhì)量不符合安裝工藝、質(zhì)量檢測(cè)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(huì)對(duì)整臺(tái)機(jī)組中其他相關(guān)設(shè)備的運(yùn)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(tái)機(jī)組的事故對(duì)地區(qū)局部電網(wǎng)也會(huì)帶來(lái)運(yùn)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(cè)設(shè)備對(duì)新疆某風(fēng)電場(chǎng)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(cè)，并對(duì)設(shè)備的應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試研究。通過對(duì)該應(yīng)力測(cè)試儀現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有關(guān)分析，該測(cè)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(shí)際緊固狀態(tài)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量的控制起到很好的檢測(cè)意義，對(duì)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(cè)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(cè)提供了相關(guān)的測(cè)試方法。該技術(shù)理論是通過對(duì)螺栓內(nèi)部聲波的傳播速度的測(cè)量進(jìn)而來(lái)測(cè)量其內(nèi)部軸向應(yīng)力。在緊固件的屈服強(qiáng)度內(nèi)，其長(zhǎng)度伸長(zhǎng)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(zhǎng)度的伸長(zhǎng)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(shí)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(shí)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(yàn)測(cè)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(shí)，緊固件僅會(huì)在有效緊固長(zhǎng)度的范圍以內(nèi)產(chǎn)生軸向應(yīng)力，其對(duì)應(yīng)的有效緊固長(zhǎng)度與其本身的總長(zhǎng)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(shí)的具體位置和螺桿的有關(guān)外形尺寸相關(guān)，可通過試驗(yàn)測(cè)試得到，可參見相關(guān)文獻(xiàn)資料測(cè)量與計(jì)算得到常量系數(shù)K1和K2的數(shù)值。

此外，相關(guān)測(cè)試時(shí)聲波縱波脈沖傳輸速度會(huì)因被檢測(cè)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(cè)試計(jì)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(shí)測(cè)過程中，為確保測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)的精度，所用檢驗(yàn)測(cè)試設(shè)備應(yīng)當(dāng)具有測(cè)量溫度的功能及其對(duì)應(yīng)的修正補(bǔ)償功能。

2 實(shí)測(cè)前的試驗(yàn)研究

2.1 本項(xiàng)目螺栓軸向應(yīng)力檢測(cè)儀介紹

本項(xiàng)目測(cè)試研究采用BoltMikeⅢ型超聲螺栓軸向應(yīng)力檢測(cè)儀，該檢測(cè)設(shè)備是美國(guó)StressTel公司生產(chǎn)研制的一種螺栓應(yīng)力檢測(cè)儀。本設(shè)備特點(diǎn)主要有：便攜式、使用操作簡(jiǎn)便、具有自動(dòng)校正和相關(guān)波形的自動(dòng)顯示功能，方便精準(zhǔn)且快速的對(duì)螺栓軸向應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)其測(cè)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(cè)量結(jié)果的精度可以達(dá)到±2%，具有很高的測(cè)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(xiàng)目風(fēng)電安裝工程實(shí)際使用的螺栓進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)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(jí)為10.9級(jí)，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(jì)算得出de，進(jìn)而得出螺栓有效面積Ae。

按照?qǐng)D1、圖2對(duì)風(fēng)電設(shè)備連接螺栓的有效長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)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(zhǎng)度為439mm（雙頭螺栓）、433mm（六角頭螺栓）。

按BoltMikeIII測(cè)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(jì)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(cè)試儀探頭型號(hào)的選用

對(duì)于緊固螺栓的安裝檢測(cè)，應(yīng)根據(jù)緊固件的種類及型號(hào)，結(jié)合其長(zhǎng)度和直徑等因素考慮選擇合適直徑和探測(cè)頻率的探頭，超聲檢測(cè)探頭的晶片直徑尺寸一般在6至30mm之間，探頭的探測(cè)頻率一般為1至15MHz范圍之間。對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)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(zhǎng)為522mm的螺栓尺寸，選用型號(hào)為Φ20/2.5MHz的檢測(cè)探頭。

2.4 超聲波螺栓應(yīng)力測(cè)試儀試驗(yàn)檢測(cè)

在風(fēng)電塔筒螺栓安裝預(yù)緊力現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)測(cè)試之前，先對(duì)實(shí)際安裝的高強(qiáng)螺栓相關(guān)參數(shù)的計(jì)算標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性及測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果的精準(zhǔn)性進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證及對(duì)比分析。具體對(duì)比分析實(shí)施方法如下：隨機(jī)選取安裝中采用的三個(gè)相同螺栓，先采用實(shí)驗(yàn)室經(jīng)鑒定合格的試驗(yàn)用拉力機(jī)對(duì)三個(gè)試樣螺栓進(jìn)行加載，對(duì)螺栓逐個(gè)施加若干不等的載荷，同時(shí)設(shè)置一定的載荷保持時(shí)間，在載荷保持時(shí)間內(nèi)，采用預(yù)先設(shè)置好的測(cè)試儀，按照預(yù)先制定的檢測(cè)規(guī)程進(jìn)行相關(guān)軸向應(yīng)力的檢測(cè)。在檢測(cè)完成后，對(duì)拉力機(jī)的加載數(shù)據(jù)與檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比。

三組試樣螺栓的試驗(yàn)檢測(cè)記錄數(shù)據(jù)見表1。

通過拉力機(jī)對(duì)螺栓施加已知載荷，對(duì)檢測(cè)儀器的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，因?yàn)轱L(fēng)電設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝施工中，螺栓設(shè)計(jì)預(yù)緊力為510kN，根據(jù)上述試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)預(yù)緊力數(shù)值范圍內(nèi)，測(cè)試儀檢測(cè)數(shù)據(jù)誤差在2%以內(nèi)，整體檢測(cè)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(cè)規(guī)程合理，在上述條件滿足的情況下，該應(yīng)力測(cè)試儀器的檢測(cè)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確可靠，能夠滿足風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)際的測(cè)量要求（如圖3）。

3 現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試研究

風(fēng)機(jī)塔筒安裝實(shí)際狀況：本項(xiàng)目風(fēng)機(jī)共33臺(tái)，每臺(tái)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(gè)，中層塔筒與下層塔筒連接的法蘭螺栓為100個(gè)，中層與上層塔筒連接的法蘭螺栓為84個(gè)。根據(jù)風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)安裝的實(shí)際情況，每臺(tái)隨機(jī)選取下層塔筒與基礎(chǔ)法蘭連接的螺栓60個(gè)、中層與下層塔筒連接的法蘭螺栓50個(gè)、中層與上層塔筒連接的法蘭螺栓40個(gè)作為檢測(cè)樣本，并對(duì)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(cè)規(guī)程對(duì)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(shí)間內(nèi)，對(duì)其實(shí)際緊固力進(jìn)行檢測(cè)記錄（如圖4）。

通過現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)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(shí)際軸向緊固力較設(shè)計(jì)張拉力偏低，從檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出，下層的螺栓緊固力與設(shè)計(jì)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(shí)際預(yù)計(jì)力不均勻，數(shù)值較離散，個(gè)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(cè)試結(jié)果，對(duì)相關(guān)設(shè)備安裝方案進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整完善，同時(shí)安裝時(shí)，對(duì)液壓張拉設(shè)備的加載數(shù)值從510kN增加到590kN，對(duì)法蘭螺栓進(jìn)行安裝緊固，再次對(duì)實(shí)際軸向緊固力進(jìn)行測(cè)試。由測(cè)試數(shù)據(jù)可得，調(diào)整安裝方案后，相關(guān)法蘭螺栓的實(shí)際安裝緊固力基本滿足設(shè)計(jì)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(duì)螺栓的堅(jiān)固安裝情況進(jìn)行抽檢，抽檢時(shí)對(duì)螺栓加載的張拉力是設(shè)計(jì)緊固力的80%，此時(shí)，對(duì)螺母進(jìn)行擰動(dòng)，如果螺栓未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，安裝堅(jiān)固合格。由于采用液壓拉力器對(duì)螺栓安裝質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，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(cè)試儀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，部分螺栓的預(yù)緊力即使低于80%的設(shè)計(jì)預(yù)緊力，抽檢過程中，也沒有發(fā)現(xiàn)螺母松動(dòng)的現(xiàn)象。采用BoltMikeIII設(shè)備檢測(cè)時(shí)，無(wú)需對(duì)法蘭螺栓施加載荷，且測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果與螺栓實(shí)際所受軸向緊固力更加接近;當(dāng)螺栓安裝后的檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)值偏差超過規(guī)定要求時(shí)，對(duì)其進(jìn)行重新緊固，直至達(dá)到設(shè)計(jì)緊固要求。通過測(cè)試儀在設(shè)備安裝及質(zhì)量抽檢過程中的實(shí)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(yǔ)

實(shí)際安裝測(cè)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(cè)設(shè)備的測(cè)試結(jié)果分析對(duì)比，超聲螺栓應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備在螺栓相關(guān)軸向緊固力檢測(cè)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(shí)際安裝檢測(cè)過程中，如果螺栓端面存在毛刺等現(xiàn)象，測(cè)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(duì)設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性存在很大的影響;測(cè)試儀探頭放置的是否合適，也對(duì)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(cè)數(shù)值不穩(wěn)定或跳動(dòng)較大時(shí)，可適當(dāng)對(duì)探頭進(jìn)行移動(dòng)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(duì)探頭測(cè)試時(shí)的放置位置進(jìn)行標(biāo)記，當(dāng)螺栓安裝緊固后，實(shí)際檢測(cè)時(shí)，保持前后兩次探頭的位置基本相同，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有很好的保障。此外，前后兩次測(cè)試時(shí)端面與檢測(cè)探頭的耦合效果應(yīng)盡可能保持一致。測(cè)溫探頭的放置是否合理，也對(duì)檢測(cè)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(cè)螺栓側(cè)面，如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)，應(yīng)盡可能與螺栓靠近，此外在檢測(cè)過程中應(yīng)盡量保持測(cè)溫探頭與被測(cè)物體溫度接近，如溫度采集信息有誤或較實(shí)際情況偏差較大，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有一定的影響[3]。

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

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