趙智壘 李夢晗 楊中桂

摘 要：緊固件領域葉片螺栓組件團體標準T/CRES 0019—2023《風力發(fā)電機組 葉片螺栓組件》于2023年10月正式發(fā)布，其規(guī)定了風電葉片螺栓組件的型式與結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等內(nèi)容，為風電葉片螺栓組件的設計、制造與檢驗提供依據(jù)。本文介紹了該團體標準研制背景與意義、任務來源及制定過程，并詳細解讀了標準的主要內(nèi)容，分析了標準的實施效果及后續(xù)工作建議，旨在促使相關(guān)方更好地理解該標準內(nèi)容及使用該標準，推動該標準的廣泛應用。

關(guān)鍵詞：緊固件，風力發(fā)電機組，葉片螺栓組件，團體標準

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.09.024

0 引 言

在風力發(fā)電領域，風輪葉片是捕獲風能的關(guān)鍵零部件，用于將風能轉(zhuǎn)換成電能。風電葉片螺栓組件用于復合材料葉片與風機輪轂之間的連接，采用葉片螺栓連接是目前葉片與輪轂連接的唯一方式。風電葉片螺栓組件由雙頭螺柱、圓螺母（或預埋螺套、堵頭）、六角螺母、墊圈等組成，直接影響風電機組的承載能力、使用壽命及安全性能[1-2]。風電葉片螺栓組件屬于緊固件的范疇，但在服役環(huán)境、結(jié)構(gòu)型式及性能要求等方面，與傳統(tǒng)的緊固件存在明顯差異[2]。

隨著風力發(fā)電領域及緊固件領域的快速發(fā)展，高性能長壽命風電葉片螺栓組件的研制及應用是行業(yè)內(nèi)亟需攻關(guān)方向之一，國家出臺了一系列相關(guān)支持政策。工業(yè)和信息化部印發(fā)《首臺（套）重大技術(shù)裝備推廣應用指導目錄》（2019版），高強度緊固件作為傳動及連接件類別中的重要部分，將強度等級高于10.9級（含）、用于海上風電等方面的高強度緊固件列為重大技術(shù)裝備的關(guān)鍵配套基礎件。

《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》及《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》等政策促進風力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研究及基礎零部件的大力發(fā)展，推動高性能長壽命風電葉片螺栓組件的研究及應用。

1 研制背景與意義

在風力發(fā)電領域，隨著國家“30·60”雙碳戰(zhàn)略的深入實施，推動風電行業(yè)快速跨過陸上風電“平價時代”進入海上風電“平價時代”，海上風電、陸上風電等風電裝備發(fā)展日新月異，18 MW+海上風電機組、10 MW+陸上風電機組等超大型風電機組相繼問世，風電機組正朝著大功率、長葉片、高塔筒、大載荷、低成本方向快速發(fā)展，對風電葉片螺栓組件的綜合性能提出了更高要求。風電葉片在運行過程中承受重力載荷、慣性力載荷、空氣動力載荷等復雜的交變載荷和環(huán)境腐蝕作用，葉片螺栓是風電葉片載荷傳遞至風機輪轂的關(guān)鍵載體[3]。

隨著國內(nèi)外風電機組快速發(fā)展，葉片螺栓組件綜合性能要求越來越高，而目前葉片螺栓組件存在強度低、耐腐蝕性能差、疲勞壽命短等問題，成為制約大功率風電葉片發(fā)展的瓶頸問題[4]。作為緊固件的細分領域，葉片螺栓與傳統(tǒng)緊固件的應用場景、結(jié)構(gòu)型式等存在明顯差異，現(xiàn)有緊固件標準并不適用，行業(yè)存在葉片螺栓組件技術(shù)及標準空白，無標準可用于葉片螺栓組件的設計、生產(chǎn)及檢驗，因此行業(yè)對葉片螺栓標準有強烈的需求。

針對目前風電葉片螺栓行業(yè)亟需解決的痛點問題，需開發(fā)適用于大功率、長葉片的高性能長壽命葉片螺栓組件，研制技術(shù)水平達到國際先進水平的產(chǎn)品標準，以彌補現(xiàn)階段國內(nèi)風電葉片螺栓組件領域的技術(shù)及標準空白。通過對葉片螺栓組件的性能指標、驗收等行為進行系統(tǒng)規(guī)范，確保性能穩(wěn)定且運行安全可靠，為行業(yè)內(nèi)相關(guān)用戶提供標準化參考依據(jù)，引導整個葉片螺栓組件產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。

2 任務來源

《風力發(fā)電機組 葉片螺栓組件》團體標準于2021年8月正式立項。根據(jù)中國可再生能源學會《關(guān)于2021年學會團體標準立項的通知》（中再學〔2021〕11號），標準由中國可再生能源學會歸口管理，由中船海為高科技有限公司牽頭研制。

3 制定過程

在起草過程中根據(jù)各階段標準任務的工作要求，組織了相關(guān)領域的調(diào)研，并召開了多次的研討會，參與標準研討的專家多來自風電葉片螺栓組件的設計單位、生產(chǎn)制造企業(yè)、用戶及高校、科研院所等，通過對標準內(nèi)容進行多次修改和完善，形成了目前的標準文本。主要編制過程包括籌建標準工作組、調(diào)研及搜集資料階段、召開編制工作啟動會、征求意見、中國可再生能源學會風能專委會技術(shù)審查、中國可再生能源學會技術(shù)審查、報批、專家審查及發(fā)布階段。其中征求意見單位包括無錫風電設計研究院有限公司、艾朗風電科技股份有限公司、吉林重通成飛新材料股份公司、株洲時代新材料科技股份有限公司、連云港中復連眾復合材料集團有限公司、中材科技風電葉片股份有限公司、中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司綜合智慧能源工程公司、上海勘測設計研究院有限公司等單位。標準牽頭單位對征求意見進行充分研究及處理，確保標準具有較好的適用性及可行性。

4 主要內(nèi)容解讀

4.1 標準框架

該標準包括前言、范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語和定義、符號、型式與結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志、包裝、運輸、貯存。其中，型式與結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則為主要內(nèi)容。

4.2 標準適用范圍

該標準是產(chǎn)品標準，標準化對象是風電葉片螺栓組件，規(guī)定了風力發(fā)電機組葉片螺栓組件的型式與結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等，適用于風力發(fā)電機組葉片螺栓組件的設計、制造與檢驗。

4.3 術(shù)語和定義

為貼合葉片螺栓組件的實際應用工況、便于理解，該標準新給出了葉片螺栓組件、預埋螺套、堵頭、圓螺母及雙圓螺母的定義。葉片螺栓組件是由雙頭螺柱、螺母與預埋螺套、堵頭，或與圓螺母、雙圓螺母等零件組成的組合件，用于風力發(fā)電機組葉片與輪轂變槳軸承之間的連接。

4.4 型式與結(jié)構(gòu)

4.4.1 型式與組成

按葉片螺栓組件的結(jié)構(gòu)，可分為T型螺母型式、雙圓螺母型式和預埋螺套型式三種型式。預埋螺套型式葉片螺栓組件較適用于大葉型場景，也是目前的主流產(chǎn)品型式。

4.4.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

雙頭螺柱一般為兩端螺紋、中間光桿結(jié)構(gòu)。通常，為提高疲勞性能，雙頭螺柱采用縮頸結(jié)構(gòu)，即中間光桿處直徑小于兩端螺紋處中徑，且長螺紋端具有內(nèi)六角孔。六角螺母與NB/T 10214、GB/T 6170等規(guī)定型式相同。墊圈包括倒角型墊圈、平墊圈及雙疊自鎖防松墊圈三種，以滿足防松等不同需求。雙頭螺柱、六角螺母、圓螺母、雙圓螺母及預埋螺套螺紋形式多樣，可為圓弧螺紋或普通螺紋。

4.5 技術(shù)要求

4.5.1 材料、尺寸與公差

葉片螺栓組件常用材料為合金鋼，堵頭也可使用尼龍6或尼龍66。標準中僅體現(xiàn)了風電行業(yè)應用較廣的葉片螺栓組件規(guī)格M36、M39、M42、Rd36及Rd39，其他尺寸及公差應符合NB/T 10214—2019、GB/T 196—2003、GB/T 197—2018、GB/T 6170—2015、GB/T 97.1—2002或GB/T 97.2—2002的規(guī)定。

4.5.2 機械性能

該標準規(guī)定了雙頭螺柱、圓螺母、預埋螺套、六角螺母、墊圈、堵頭的機械性能，雙頭螺柱涉及10.9級與12.9級兩個強度等級要求，見表1。

4.5.3 表面處理

風電機組對葉片螺栓的防腐蝕性能有著強烈的要求，尤其是海上風電機組。標準考慮多種表面處理方式，包括非電解鋅片涂層、鋅鋁涂層、非電解鋅片涂層等，并對各自提出相應的要求，比如涂層厚度、中性鹽霧時間等。

4.5.4 扭矩系數(shù)

扭矩系數(shù)是葉片螺栓組件的關(guān)鍵指標，影響著葉片螺栓組件的安裝及應用。標準規(guī)定，葉片螺栓組件扭矩系數(shù)一般應為0.10～0.13，偏差應不大于0.01。若無特殊要求，安裝時潤滑劑涂抹部位分別是雙頭螺柱外螺紋、六角螺母內(nèi)螺紋和墊圈表面。

4.5.5 成品疲勞性能

葉片螺栓疲勞性能關(guān)系著其服役壽命，目前國內(nèi)沒有葉片螺栓疲勞性能的規(guī)定，葉片螺栓成品疲勞性能根據(jù)實際需求分為三個等級，分別在400±80 MPa、400±60 MPa、400±42.5 MPa的循環(huán)應力范圍下歷經(jīng)200萬次循環(huán)載荷后，雙頭螺柱與螺母不發(fā)生破壞。

4.5.6 防松性能

葉片螺栓防松性能關(guān)乎其緊固效果。若客戶有特殊防松性能需求、采用雙疊自鎖防松墊圈時，可根據(jù)客戶要求進行殘余軸力衰減或臨界橫向力防松性能試驗。雙頭螺柱、六角螺母和墊圈的連接副在特定振動次數(shù)后，殘余軸力與初始軸力之比應不低于需方要求，標準僅規(guī)定最低防松性能要求，最低防松性能要求為振動1500次后殘余軸力與初始軸力之比應不低于50%。

4.6 試驗方法

與標準中“技術(shù)要求”一章逐條對應給出試驗方法，多數(shù)檢測均采用現(xiàn)有成熟技術(shù)，按照相應標準進行。連接副狀態(tài)、測試環(huán)境溫濕度、連接副是否重復使用、設備測試精度、潤滑劑是否使用、潤滑劑種類及涂摸位置等均會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響[5-7]。因此，該標準規(guī)定連接副不應重復使用、墊圈不能翻轉(zhuǎn)、應明確潤滑劑的名稱及涂抹方式。

4.7 檢驗規(guī)則

葉片螺栓組件的檢驗分為型式試驗和出廠檢驗，應按照標準第6章及第7章規(guī)定進行檢驗?？紤]到目前國內(nèi)試驗機功能、檢測成本等因素，成品疲勞性能及防松性能為按客戶要求進行的型式試驗項目。該標準給出了不同檢驗項目的取樣數(shù)量以及檢驗判定規(guī)則，便于相關(guān)方進行檢驗及驗收。

4.8 標志、包裝、運輸、貯存

該標準規(guī)定了葉片螺栓組件的標志方法及要求、包裝要求及張貼標識內(nèi)容要求、運輸要求及貯存規(guī)定，便于葉片螺栓組件的生產(chǎn)及交付。

5 標準實施效果

該標準適用于風電葉片螺栓組件的設計、制造與檢驗，已用于指導標準牽頭單位高性能風電葉片螺栓組件的研制，并在SR113、SR156、SR220、SR236等葉型中，順利通過全尺寸葉片靜載試驗、全尺寸葉片疲勞試驗、掛機試驗等試驗驗證。此外，眾多應用證明表明，該標準已用于指導生產(chǎn)制造企業(yè)進行葉片螺栓組件的結(jié)構(gòu)設計、加工制造、熱處理、性能檢驗及銷售，已用作第三方檢測機構(gòu)進行葉片螺栓組件參數(shù)檢驗的標準，亦是知名主機廠葉片螺栓組件的采購規(guī)范，實施效果良好。

6 討論與建議

材料種類擴充。一方面，標準中規(guī)定的材料僅為執(zhí)行GB/T 3077—2015、GB/T 699—2015的材料，無執(zhí)行國際標準或國外標準的材料標號，如34CrMo4（EN 10083-3）、B7（ASTM A193）等，建議擴充材料種類。另一方面，標準根據(jù)葉片螺栓組件組成部分進行材料要求，非按10.9、12.9性能等級進行。建議后續(xù)納入14.9級等更高性能等級要求，增加諸如不銹鋼、鈦合金、超高強度合金鋼等材料。

螺紋類型擴充。根據(jù)目前應用情況，葉片螺栓組件螺紋類型可為圓弧螺紋或普通螺紋，其中普通螺紋產(chǎn)品應用較多。后續(xù)建議擴充螺紋型式，進行梯形螺紋等螺紋在葉片螺栓組件中的應用研究。

優(yōu)化扭矩系數(shù)指標及試驗方法規(guī)定。該標準中僅采用扭矩系數(shù)值范圍及偏差進行規(guī)定，而GB/T 1231（報批稿）選用扭矩系數(shù)平均值范圍及變異系數(shù)進行規(guī)定，認可度更高。建議進行扭矩系數(shù)研究，囊括平均值、變異系數(shù)等指標及螺母轉(zhuǎn)速、試驗溫度、試驗濕度等試驗方法要求。

其他方面。增加表面處理方式，比如納米合金共滲等方式。明確葉片螺栓標記方法，給出標記示例。

7 結(jié) 語

該標準是國內(nèi)緊固件領域首個風電葉片螺栓組件產(chǎn)品標準，對風電葉片螺栓組件的型式與結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等內(nèi)容進行規(guī)定，旨在為風電葉片螺栓組件的設計、制造及檢驗提供依據(jù)。該標準的發(fā)布和實施為生產(chǎn)制造企業(yè)、應用單位、第三方檢測機構(gòu)及認證機構(gòu)等行業(yè)內(nèi)相關(guān)方提供葉片螺栓組件結(jié)構(gòu)設計、加工制造、熱處理、性能檢驗、銷售、采購、檢測、認證等依據(jù)。

該標準取得了一定的應用效果，得到一定范圍內(nèi)相關(guān)方的認可。下一步，將積極推動該標準的推廣應用，促進風電行業(yè)及緊固件行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。同時，建議在材料種類及螺紋形式擴充、優(yōu)化扭矩系數(shù)指標及試驗方法規(guī)定等方面進行研究，持續(xù)搜集標準應用案例，不斷對標準文本進行修訂和完善，更好地推動風電葉片螺栓組件的應用，并進行標準升級，助力標準體系建設。

參考文獻

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作者簡介

趙智壘，碩士研究生，助理工程師，研究方向為機械設計及標準化管理。

李夢晗，碩士研究生，助理工程師，研究方向為機械設計與制造。

楊中桂，通信作者，碩士研究生，研究員，研究方向為機械設計與制造。

（責任編輯：張瑞洋）