风力发电机组高强度螺栓卡滞的分析

汪志旭

上海电气风电集团股份有限公司 上海 200233

1 分析背景

螺栓连接指通过螺栓、垫片及螺母等紧固件把工件连接成为一个整体。螺栓连接较之焊接、铆接或胶接等连接方式,优点是施工工艺简单、安装方便、可拆换,适用于工地安装、需要装拆结构和临时性连接的场合。螺栓从材料上分有普通螺栓和高强度螺栓,高强度螺栓的强度等级在8.8级以上。高强度螺栓在连接中靠摩擦力来传递载荷,具有应力集中小、刚性好、应力分布比较均匀、承载力大等优点,目前在钢结构中被广泛应用。

高强度螺栓的连接原理如下:在螺栓拧紧时,给螺栓施加很大的预拉力,使连接件之间产生挤压力,由此在连接件接触面间有很大的摩擦力,依靠接触面上产生的摩擦力阻止连接件间的相对滑移,以达到传递外力的目的。在施工过程中,保持摩擦因数和扭矩因数的稳定性,以及准确控制螺栓的紧固程度,是保证高强度螺栓安装质量的关键。螺栓超拧,容易引起螺栓断裂、螺栓或螺母出现裂纹等缺陷。欠拧,会降低节点的抗滑能力,使结构易发生变形。

随着我国国民经济发展,风力发电装机规模达到47 240 MW,保持世界第一,风力发电机组部件之间的连接广泛采用高强度螺栓连接,如WG5.55-172风力发电机组中,叶片与风轮变桨轴承采用M36_10.9双头螺柱连接,变桨轴承与轮毂本体采用M42_10.9螺柱连接,轮毂与主轴采用M48_10.9双头螺柱连接,前后机架采用M42_10.9双头螺柱连接,偏航齿圈采用M36_10.9双头螺柱连接,驱动链轴承座与前机架采用M64_10.9双头螺柱连接,后机架的本体采用M42_10.9六角头螺栓连接,变压器与后机架采用M30_10.9六角头螺栓连接等。高强度螺栓在风力发电机组部件实际装配过程中,出现多起双头螺柱卡滞现象。螺柱卡滞不严重时的处理方法是用双螺母紧固,铜棒振动螺杆,由加长扳手或大扭矩液压扳手反向拧松,取出螺杆。严重卡滞时,需要采用焊接工艺搭块或钻铣床加工等破坏性方式来拆除卡滞的螺杆。针对一些精加工的高碳钢传动部件,为避免应力集中,不允许采用补焊螺堵头等修复措施,只能报废新购,由此会造成工期延误和较大经济损失。为了解决螺栓卡滞现象,保证拧紧力矩,避免返工浪费或经济损失,笔者分析卡滞产生的原因,提出解决方案和技术要求。

2 高强度螺栓卡滞问题及解决

2.1 卡滞分析

从人、机、料、法、环等五要素分析实际问题。

(1) 人。仓库备料拆包装后无防护措施,导致螺杆螺纹互相磕碰。操作员工预装时采用大力矩电动扳手紧固螺杆,导致螺纹挤伤。技能不熟练,螺杆拧入时未保证垂直。

(2) 机。加工螺纹的机床精度差,螺孔尺寸超差,垂直度差,螺距不合格等。

(3) 料。转运的料盒保护不到位,运输颠簸导致螺纹损坏。螺纹孔或螺杆质量不合格。

(4) 法。未规定螺纹孔检验方法,如大螺纹因量具昂贵,加工后未采用专用的通止规检验。安装工艺未规定预装力矩、拧紧工具或紧固顺序,导致螺纹预紧固时力矩过大。

(5) 环。存储环境温湿度超差,导致螺纹锈蚀,螺牙损坏。环境清洁度差,有铁屑或金属颗粒物粉尘,清洁不到位有异物。

螺纹损坏鱼骨图如图1所示,螺纹损坏末端原因分析如图2所示。

图1 螺纹损坏鱼骨图

图2 螺纹损坏末端原因分析

2.2 要因确认

从人、机、料、法、环等五要素进行要因确认。

(1) 人。仓库配料员拆除螺栓包装,在转运托盘内叠加放置,螺纹接触面每层之间无防护,存在相互碰擦的现象。

(2) 机。在库房转运至装配线过程中,车辆运输颠簸振动螺栓相互磨擦,螺纹产生碰伤。

(3) 料。对来料的螺杆或螺纹孔目视检查,存在加工缺陷,机床加工的刀具磨损未及时更换。螺杆用直线度工装进行检验,长螺杆直线度超差。

(4) 法。螺栓和螺纹孔入库检验时,工厂未配备止通规量具,无定性检测手段。

(5) 环。环境潮湿,粉尘污染。

要因矩阵确认表见表1。

表1 要因矩阵确认表

2.3 问题解决

从人、机、料、法、环等五要素进行问题解决。

(1) 人。进行紧固件转运方式培训,对拆除包装后紧固件转运,在转运托盘底部及螺栓每层之间加垫薄纸板,预防螺栓的磕碰。采用减振运输车,减少螺纹间的相互碰撞。培训螺栓装配技巧,保证安装力矩和垂直度。

(2) 机。机床加工精度满足要求,增加相应的刀具配置,刀具磨损及时更换。螺纹底孔满足要求,加工后螺纹采用规定的止通规检验。长螺栓要求增加直线度检查。针对表面涂层,要增加专用检测仪进行检验。

(3) 料。每批高强度螺栓应具有制造厂提供的质量合格证明。包装应符合要求,螺栓、螺母、垫圈应属于同一批号。工程设计统一选用标准件库中的标准件,能够保证同系列产品的一致性,减少物料种类。

(4) 法。用止通规检查螺孔加工质量。若有飞边、毛刺、棱角等缺陷,采用砂轮机或丝锥清理,并用毛刷或磁吸工具清理干净孔内铁屑。若有浮锈,需用钢丝刷清除干净。

(5) 环。环境干燥,湿度应小于50%。保证环境清洁,避免粉尘或金属颗粒物污染。

3 高强度螺栓安装技术要求

(1) 质量要求。螺栓连接件必须配套使用,螺栓规格不随便代用。一套高强度螺栓连接副必须使用同一供应商供货,同一个工作面紧固件必须使用同一供应商供货。螺栓孔径和安装板厚须满足图纸要求。高强度螺栓孔径公差的差异,会使连接节点中各排螺栓的受力差异加剧。连接板厚度公差的差异,使节点中高强度螺栓的受力不均匀性增大。

(2) 紧固顺序。高强度螺栓连接一般是成组使用,因螺牙的特殊结构和各螺栓间的相互弹性作用,后拧紧的螺栓对先拧紧螺栓中的预紧力会产生一定的影响,所以,同时紧固最佳,对角紧固和间隔紧固次之,顺序紧固最差。螺栓的紧固顺序按先中间、后两边、对角、顺时针方向依次、分阶段紧固的原则进行。

(3) 紧固力矩。为了增强螺纹连接的刚性、紧固性,提高防松能力,并防止受横向载荷螺栓连接的滑动,高强度螺栓在连接装配时都要预紧。施加预紧力矩时,可用力矩扳手法、螺母转角法、指示垫圈法、测定螺栓伸长法和螺栓延伸长法来控制预紧力。风力发电机组高强度螺栓连接常采用扭矩法紧固,施工必须先初紧后终紧,初紧高强螺栓需用冲击型电动扳手或扭矩可调电动扳手。采用分步骤紧固:① 预紧,不论是手动还是小力矩动力工具,预紧扭矩都要求小于最终扭矩的50%;② 紧固螺栓到最终扭矩的75%,允许力矩偏差在±10%;③ 紧固螺栓到最终扭矩的100%,螺栓承受的轴向拉力达到最大允许值为螺栓材料屈服强度的50%～70%。

(4) 紧固标识。为了防止漏紧固,便于维护人员快速识别松动连接处,高强度螺栓紧固后应立即画标识。标识线应对齐,一笔到位,禁止多次涂改。标识线应尽量做到清晰、粗细均匀、连续。一次紧固在螺栓头标记一条线,二次紧固多划一条线标记,形成X形。

4 高强度螺栓安装检验

现场装配时,主要根据力矩值来检查安装是否到位。施工完成后,对高强度螺栓连接副必须进行扭矩检查。

高强度大六角头螺栓连接副终拧1 h后、48 h内应进行终拧扭矩检查。

对于检査数量,按节点数抽查10%,且不应少于10个。每个被抽查节点按高强度螺栓数抽查10%,且不应少于2个。

在螺尾端头和螺母相对位置划线,将螺母退回60°左右,用扭矩电动板手测定拧回至原来位置时的扭矩值。该扭矩值与施工扭矩值的偏差在10%以内为合格。如发现有不符合规定的,应再扩大检查10%。如仍有不合格者,则整个节点的高强度螺栓应重新拧紧。

对于经检查合格后的高强度螺栓连接处,要涂防锈漆,避免出现腐蚀。

5 结束语

高强度螺栓连接副是风力发电机组的重要组成部分,正确使用高强度螺栓,合理的紧固顺序,适当的紧固力矩,以及安装后的检查检验方法,都对高强度螺栓的安装质量有很大的影响。根据实际的施工经验和方法,编制规范的施工工艺,形成正式受控文件。在施工时,要特别注意对操作员工进行不定期的换岗作业,从而可以发现习惯性与非习惯性的问题。自行检查、互相检查及质检员专检相结合,降低因高强度螺栓安装问题带来的工时或物料损失,避免因高强度螺栓紧固方法不当影响风力发电机组的安装工期和安全质量。