新建风电机组高强螺栓金属监督检查发现的问题及对策

王文涛，高 扬，王巍麟

（华电电力科学研究院有限公司，浙江杭州 310030）

0 引言

随着国家对风力发电等新能源项目投入力度持续加大，某集团公司2020 年集中新建了一批总容量660 万kW 的风力发电机组，并陆续投产并网。作为重要结构连接件，高强螺栓在承受部件自身重力载荷、热载荷及叶片传递的气动载荷并传递到主要受力结构的同时，承受着轴向力、弯矩、横向力和扭矩组合载荷的作用，直接影响机组使用寿命及安全性能[1-2]。为排查制造安装隐患、降低失效频次，有效开展投运后续金属监督工作，采用实地检查、与技术人员沟通交流以及查阅设计图纸、出厂制造、检验试验、定期检修等技术资料对新建风电机组高强螺栓进行了专项分析研究。

1 风电机组用高强螺栓的特点

高强螺栓的断裂失效严重威胁机组设备安全，是金属专业重要的受监部件。风电机组用高强螺栓呈现以下特点：一是螺栓数量大。1 台机组约800～1 200 条高强螺栓，1 家风电场螺栓总数可达几万至十几万条，数量巨大，显著增加了失效断裂频次，增大了检修检验工作量。二是分布位置广泛，受力环境复杂不一。螺栓普遍分布于塔筒间、塔筒与基础间、塔筒与主机间，分布范围广，不同位置螺栓受力环境不同、设计要求不一，使得各位置螺栓运行现状不能一概而论，显著增加了分析判断的复杂性。

2 高强螺栓检查发现的问题及建议

2.1 检测项目缺项及质量验收不规范

2.1.1 到货验收检测项目缺项

检查发现各风电场新建机组高强螺栓到货验收普遍缺少低温冲击性能、脱碳层深度、低倍缺陷、非金属夹杂物、微观组织试验等检验项目，部分合金螺栓未进行化学成分分析。冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗性能。材料冲击韧性受环境温度影响较大，根据材料特性，低温环境下冲击韧性性能急剧下降。风电机经常处于-30 ℃甚至更低的低温环境，在以往螺栓断裂案例中，常温力学性能抽检合格的螺栓，其低温冲击韧性等力学性能指标往往低于设计及标准要求，为此，低温冲击试验不可缺少。通过测量脱碳层深度可检验制造质量，判断螺栓表面硬度和强度是否满足要求，常采用楔负载试验来控制螺栓脱碳[3]。螺栓表面脱碳严重，造成硬度强度严重降低，极易在螺纹牙根等应力集中部位萌生疲劳裂纹，最终断裂[4]。低倍缺陷、非金属夹杂物、微观组织试验是表征螺栓冶金热处理等制造工艺、排查隐藏缺陷的有效试验手段。高强螺栓一般为42CrMo、25Cr2MoV 等合金材质，对材料进行化学成分分析可有效验证材质是否符合设计要求。

2.1.2 叶片连接螺栓安装前未进行相关检验

叶片螺栓是用于连接风轮叶片与轮毂的高强度螺栓，检查发现部分风电场叶片连接螺栓安装前未进行相关检验。未检原因为该螺栓为出厂时与叶片整体安装到货，基建安装工期较紧，螺栓并未拆卸。叶片承受风力交变荷载、氧化腐蚀以及为应对超强风力的破坏而产生的较大过载，因此叶片螺栓易发生疲劳断裂、松动及脆断等现象[5]，叶片螺栓的检验不可缺少。

2.1.3 出厂前部分螺栓未进行无损检测

高强螺栓出厂前进行检验检测是检查制造质量、排查缺陷的重要手段，也为螺栓制造加工工艺提供了借鉴参考。检查发现部分螺栓出厂前未进行表面、超声波等无损探伤。未进行以上检测，将不能排查螺栓内部、螺纹牙底、螺栓表面的裂纹等超标缺陷，出厂质量验收不到位。

以上各项检验检测能够反映高强螺栓不同方面的性能指标、现行状态、出厂制造质量，可判断螺栓是否满足标准及设计要求，各项试验相辅相成，缺一不可。建议对不同批次高强螺栓未开展的试验项目，利用后续检修等机会进行补充试验，试验项目及比例应符合标准要求。螺栓已完成安装的，可对各批次螺栓备件进行补充试验，根据试验结果制定后续监督处理措施。

2.2 到货验收抽检不规范

对数量众多的螺栓科学地抽取样品进行各项试验，可有效反映同批次螺栓整体状态，同时也可提高检测效率和降低检测成本。检查发现各风电场普遍存在高强螺栓到货验收抽检不规范、部分批次未抽检问题。如某风电场共装配约14 万条高强螺栓，不同位置螺栓共计分3～9 批次供货，但只抽检1～3 批次，且每批次只抽检2～4 条螺栓，抽检批次、抽检数量严重不足。根据标准要求，同一性能等级、材料、炉号、螺纹规格、长度、机械加工、热处理工艺、表面处理工艺的螺栓为同一批次，检验应按批次进行[6]。不同批次高强螺栓因制造工艺、质量控制等因素造成各批次力学性能等指标不同，某一批次检验结果不能代表其他批次螺栓性能状态。抽检不规范，将不能掌握未抽检批次螺栓的性能状态，增加失效风险。

建议对到货螺栓按制造厂各批次统计准确，建立台账，对未进行试验的各批次螺栓进行补充检验。试验多为有损检测，针对已安装完成并投运的机组，可对该批次螺栓备件进行试验，根据试验结果制定后续监督处理措施。

2.3 部分螺栓力矩标识不规范

风电机组各位置螺栓因受力环境等因素不同，根据设计要求，螺栓预紧力为2 100～12 000 N·m，各位置螺栓预紧力差别较大。若预紧力超过设计要求，将显著增加螺栓发生塑性变形甚至被拉断的风险；若预紧力过小，则会在螺栓连接的两部件中产生缝隙，使螺栓松动，运行期间特别是在恶劣工况下，与力矩正常时相比，螺栓承受应力显著增加，极易造成螺栓断裂[7-8]。为此，在基建安装及服役期间，定期检查螺栓力矩尤为重要。采用力矩扳手等工具可对力矩状态进行有效核查[9]，但风电场机组螺栓众多，使用力矩扳手存在检查效率低、检验劳动强度大等问题。为解决该问题，可对螺栓标识力矩线，将显著减少力矩扳手使用次数，提高检查效率。现场检查发现塔筒与基础部分连接螺栓未标识力矩线。未标识力矩线，显著降低了力矩检查效率，不能及时发现可能存在的力矩变化及螺栓偏转情况，增加了安全隐患。建议按照设计要求对未标线螺栓进行力矩检查，补充标识力矩线。标线应清晰，历次检查的力矩线应采用不同颜色分别标识，达到动态监测的目的。

2.4 部分螺栓紧固力矩不符合设计要求

现场查看某风电机组安装及500 h 定期检修螺栓力矩标示线，对比发现塔筒与机舱连接位置部分螺栓紧固力矩不符合设计要求，安装期间螺栓紧固和安装不到位，影响整台机组的安全稳定运行。建议利用后续500 h、半年检等检修机会，对各位置螺栓安装质量进行全面检查，按各螺栓不同设计要求值分别核查力矩，检查螺栓安装紧固情况，及时清除错误标线，规范力矩标识。

2.5 设计图纸资料不准确

检查发现部分风电场高强螺栓设计图纸与机组已安装螺栓在规格、尺寸、数量等方面不一致。设计资料是设备部件重要的基础性信息，也为后续检修检验、技术改造等工作提供有效数据支撑。图纸等重要设计资料与实际安装设备不符，将为后续技术监督、更换螺栓、检修检验等造成误导错判。建议联系风电机厂家核实设计资料，保证设计资料与采购合同、技术协议、现场机组设备信息相一致，及时向业主单位移交。

2.6 检测报告不规范且关键信息缺失

查阅第三方检测机构出具的到货验收检测报告，发现报告内容中受检螺栓信息缺少长度、制造厂批次等必要信息。同一机组相同公称直径螺栓存在多种长度规格，检测报告中尺寸等重要信息缺失，将不能判断螺栓是否进行了试验分析，检测混乱将影响后续监督检验及失效分析等工作。建议联系检测单位核实受检螺栓信息，完善检测报告[10]。

3 结束语

经检查表明，新建机组高强螺栓存在检测项目缺项、部分批次未抽检、螺栓紧固不到位、力矩标识不规范、设计资料不准确、检测报告不规范等共性问题。大量新建机组短期集中安装投产，上述问题普遍存在，严重影响机组安全稳定运行。各新建风电场应以上述问题为导向，对全场高强螺栓进行专项检查，根据暴露出的设备隐患、管理缺失制定专项处理方案，落实整改闭环措施，进一步加强高强螺栓金属技术监督管理工作。