风电机组用高强度螺栓连接质量管理

2023-06-07马晓飞

河南科技 2023年9期

马晓飞

摘要：【目的】提高高强度螺栓连接风电机组的安全性、可靠性。【方法】从高强度螺栓连接副出发，对高强度螺栓生产制造、进场验收、运输与储存、安装施工及施工质量验收等方面加强管理，提出螺栓从生产制造到施工验收过程的质量管理要求。【结果】出厂时对螺栓表面缺陷进行检验，达不到标准的要拒收；进场时对螺栓扭矩系数、机械性能、螺母保证载荷等参数进行抽样复检，确保螺栓符合要求；施工完毕后，对每一个螺栓连接副是否进行初紧与终紧进行检查，确保连接质量达标。【结论】对螺栓连接副制造、运输储存、进场验收、安装施工及施工质量验收等方面加强管理，提高螺栓质量，降低风机事故率。

关键词：高强度螺栓；风电机组；质量管理

中图分类号：TH131.3 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2023）09-0044-05

Abstract： [Purposes] To improve the safety and reliability of high-strength bolt connection for wind turbine generators.[Methods] Starting with high-strength bolt connection pairs， the quality management requirements for the bolt rectification process are introduced from the aspects of high-strength bolt production and manufacturing， mobilization acceptance， transportation and storage， installation construction， and construction quality acceptance. [Findings] Quality acceptance should be strengthened， and bolt surface defects should be inspected before leaving the factory. If they fail to meet the standards， they should be rejected; When accepting conducts， sampling and re-inspection on parameters such as bolt torque coefficient， mechanical performance， and guaranteed load of nuts are necessary to ensure that the bolts meet the requirements; After the completion of bolt construction， check whether each bolt connection pair has undergone initial and final tightening to ensure that the connection quality meets the standard. [Conclusions] It is recommended to strengthen management from the aspects of bolt connection pair manufacturing， transportation and storage， site acceptance， installation and construction quality acceptance， comprehensively improve bolt quality in various aspects， and reduce the accident rate of wind turbines.

Keywords： high strength bolt; wind turbine unit; quality assurance

0 引言

高強度螺栓是一种用于连接风力发电机结构部件的重要零件，具有施工简便、可拆卸更换、连接刚度高、受力性能好、抗疲劳、耐震的优点。风力发电机各个部件的连接和锁紧均采用高强度螺栓。

高强度螺栓是指8.8级及以上强度等级的螺栓。以高强度螺栓为连接紧固件，通常为摩擦型连接，通过对螺栓施加紧固轴力，使连接板夹紧而产生摩擦作用。外力作用时，连接板层接触面之间发生摩擦，将外力传递给螺栓，应力流通过接触面进行平滑传递［1］。

我国风电机组在使用高强度螺栓安装过程中出现滑丝、屈服、拉断等现象，风机机组运行过程中出现连接螺栓断裂的现象，降低风电机组的安全系数，严重时甚至会造成风机倒塌［2］。

螺栓的安全性决定整个风机的安全性。因此，需要对螺栓制造、进场验收、储运保管、连接施工及施工质量验收等环节进行质量管理，确保螺栓安全使用及整个风机安全运行。

1 螺栓的制造

1.1 螺栓制造过程

螺栓生产工艺流程为退火、酸洗、抽线、成型、碾牙、热处理、表面处理［3］。退火是将线材加热到一定温度，保温一定时间后慢慢冷却，用于改善相形和分布、细化晶粒、降低硬度、提高线材常温加工性能等。线材在退火后，对线材表面进行酸洗，去除氧化膜。抽线是将盘元冷拉至需要的直径。成型是将线材通过冷/热镦工艺制成螺栓半成品的形状。冷/热镦是指利用压力机，不加热或加热坯料，在上下模之间施加压力，对坯料进行轴向压缩、径向扩展的金属压力加工。一般的螺栓、螺母使用的是冷镦工艺，冷镦会产生加工硬化，使金属的抗拉强度和屈服强度等有所提高，同时金属坯内的流线没被切断，冷镦后的流线会沿着工件外形分布，可提高产品的疲劳强度，且冷镦后工件粗糙度及尺寸精度好，没有切削加工形成的加工丝缕痕迹。碾牙是将已成型的半成品螺栓或螺母碾制或攻丝达到所需的螺纹。根据不同材料和性能要求来确定热处理工艺，进行表面处理，表面处理的方法有磷化、发蓝、热浸锌、镀锌等［4］。

1.2 制造过程常见缺陷及检测方法

螺栓、螺母制造过程中常见的表面缺陷有裂纹、原材料裂纹或条痕、凹痕、褶皱、刀痕与损伤等［5］。螺栓、螺母上的裂纹分为淬火裂纹、锻造裂纹、锻造爆裂与剪切爆裂。淬火裂纹是在热处理过程中，由过高热应力和应变产生的裂纹，通常在紧固件表面呈现出不规则的相交和不规则的方向。任何深度、任何长度、任何部位的淬火裂缝都不允许存在［6］。锻造裂纹、锻造爆裂与剪切爆裂缺陷均在锻造工序中产生，一般位于螺栓六角头的对角上、对边平面上或螺母的外表面，除淬火裂纹外，其余裂纹在标准GB/T 5779.1—2000的要求范围内允许出现。原材料裂纹或条痕是制造螺栓原材料中固有缺陷，一般为沿光杆或螺栓头部纵向延伸的细线或光滑曲线［5］。凹痕未能在锻压过程中消除，是在原材料中的锈层或剪切、切削过程因毛刺而产生的压痕或压印。褶皱是在镦锻一次冲击过程中产生的，位于或低于螺栓支承面的内拐角上不允许有皱纹，在螺栓外拐角上允许存在皱纹。刀痕是因切削刀具超越螺栓表面运动而产生的，在螺栓的光杆、圆角等处会出现切削产生的刀痕，要求表面粗糙度一般不超过Ra=3.2 [μ]m。损伤通常指凹陷、擦伤、缺口等，是螺栓在制造或运输过程中因磕碰而产生的，损伤缺陷一般不作为拒收的依据，除非上述损伤影响螺栓强度。位于螺栓螺纹上的凹陷、擦伤、缺口等损伤不能影响螺纹通止规通过，通止规拧入的扭矩不应大于0.001 d3N·m［7］。

1.3 制造验收

螺栓制造完成后，要按照批量大小随机抽取样品，抽取样品的数量要求见表1，用目视检测、磁粉检测、脉冲涡流检测等无损检测技术对螺栓与螺母表面的缺陷进行检查。使用目视检测等对表面进行无损检测，若在螺栓、螺母的任何部位发现淬火裂纹缺陷，螺栓头的内拐角上发现褶皱缺陷，这批产品应拒绝通过。若发现未超出许可范围的缺陷样品，该批次产品将予以验收；如果未发现不可出现缺陷，但发现其他缺陷，且有缺陷的样品数量超过允许限量，这些不合格的产品会被当作破坏性批量来检验。将有严重缺陷的产品组成第二个检验样本进行破坏性检验样品的抽取，检验时要求抽样的数量见表2。在进行破坏性检验时，所取截面要垂直于缺陷长度方向，且通过缺陷最大深度。在进行破坏性检验时，若未发现超过标准GB/T 5779.1—2000中允许尺寸极限的镦锻裂纹、爆破、条痕、凹痕、褶皱、刀痕与损伤等缺陷，该批产品予以通过；若尺寸超过GB/T 5779.1—2000中的要求，应拒绝通过。

2 螺栓进场验收

风电机组高强度螺栓进场后要清点数量，按螺栓连接副批次进行抽检复检，同批螺栓连接副最大数量为5 000套，抽检数量见表3［8］。

复检后产品参数应符合国家标准要求。其中，扭矩系数试验按照GB/T 17.2—2000进行，螺栓连接副扭矩系数见表4。

扭矩系数检测所用的螺栓、垫圈、螺母试样，在经扭矩系数试验后，螺栓连接副可继续使用，每套做一次試验，不得重复试验，试验过程中若发生垫圈转动事件，试验数据无效。

3 高强度螺栓连接副储存与运输

高强度螺栓制造厂商应按照GB/T 3098.1—2000要求，对每根螺栓进行产品性能等级标记，每箱螺栓副应有配套包装，不同批次的螺栓不得混合包装，包装箱内要用聚乙烯塑料薄膜等防水膜布包裹住螺栓的表面，防止因雨水等的进入，导致螺栓生锈。同时在螺栓之间用珍珠棉隔开，防止螺栓螺纹被磕破损坏。螺栓包装箱应科学、美观、牢固、经济，确保运输过程中不发生破坏。包装盒内要有螺栓产品的质量保证书，包装盒外要有生产厂家名称、产品名称、产品规格型号、数量、档次、出厂日期等信息。

风电机组高强度螺栓连接副一般是按套进场的，一套包含一个螺栓、一个螺母和两个垫片，使用时要在同一批中配套使用。在运输过程中，运输工具应采取防雨、防潮、防晒等措施，螺栓应分类有序摆放，做到轻装、轻卸，防止螺栓表面发生损伤和生锈。

高强度螺栓连接副应保存在室内，存放时要避免和酸、碱、盐水泥等对螺栓连接副有腐蚀作用的材料堆放在一起，室内环境应干净、干燥，储存温度为-40～40 ℃、湿度不超过85%，螺栓副应按照包装箱上的批号、规格分类分批保管，螺栓不宜堆摞太高，存放时间一般不超过6个月，一旦超过6个月，要按照相关标准要求重新进行扭矩系数或紧固轴力测试，符合标准要求后方可使用［9］。

4 高强度螺栓连接安装

4.1 紧固扳手和连接副组装

在使用高强度螺栓前，应调节螺栓孔的中心位置，使两个连接件的螺栓中心孔对准。螺栓装配时，一个节点上所有螺栓的安装方向应一致。在螺母侧，垫圈上有倒角的一侧应与螺母上有圆台的一侧依次贴合；在螺栓头侧，垫圈上有倒角的一侧应与螺栓头贴合［10］。

螺栓安装前，必须对所用的扭矩扳手进行日常检查，扭矩最大相对误差[≤]±5%。日常检查用标准扭矩扳手应经过计量检定单位检定或校准，其最大允许误差[≤]±5%。

4.2 螺栓孔与扩孔

风电机组用高强度螺栓安装时，若螺栓不能自由穿入，要禁止强行穿入，应用铰刀对该螺栓孔进行修整，螺栓孔修整数量不应超过螺栓总数的25%，修整后的直径不应大于1.2倍螺柱直径。严禁使用气割法进行扩孔。当螺栓孔的修整数量超过螺栓总数的25%，或修整的最大直径大于1.2倍螺栓直径［8］，应先向设计单位提出申请，经设计单位同意后再进行施工。记录下来扩孔后的孔径大小、扩孔位置，由设计单位按大圆孔、槽孔等扩大孔型进行复核计算。

4.3 螺栓的初紧、复紧、终紧

4.3.1 风电机组高强度螺栓副的紧固分为初紧、复紧与终紧，有时也只进行初紧和终紧。初紧和复紧扭矩值为终紧扭矩值的一半左右。初紧和复紧后要用一个颜色的记号笔在高强度螺栓的螺母上做好标记，以免重复紧固。终紧时按本批次螺栓连接副的扭矩系数计算得到最终紧扭矩值进行拧紧，终紧后用另一种颜色的记号笔在螺母上做好标记，高强度螺栓的初紧、复紧与终紧要在24 h内完成［11］。

4.3.2 风电机组高强度螺栓要按一定顺序进行初紧、复紧和终紧，所有螺栓在完成初紧后再进行复紧，复紧全部完成后再进行终紧。同一节点螺栓连接副的安装施工顺序为先中间再逐步向外。不同位置从刚度大的接头开始向刚度小的接头位置施工，简单接头一般从接头中间位置向两端进行施工，两个或多个连接接头一般先对主要构件接头进行施工，再对次要构件进行施工［12］。

4.4 高强度螺栓紧固方法

风电机组高强度螺栓紧固方法有两种，一是扭矩法紧固，二是转角法紧固。

4.4.1 高强度螺栓扭矩法紧固。高强度螺栓扭矩法紧固施工是利用螺栓的设计预紧力F与扭矩系数K计算得到螺栓的终紧扭矩值M，用扭矩扳手按计算所得的终紧扭矩值M依次对螺栓进行初紧、复紧与终紧。螺栓的预紧力F由设计预紧力来确定，考虑到螺栓施工时的预紧力损失量一般为设计预紧力的10%，因此螺栓拧紧的预紧力F為设计预紧力的1.1倍。在贮运过程中螺栓转矩系数易发生变化，在施工现场，按要求对扭矩系数进行复检，复检扭矩系数在表4范围内时，根据复检确定的扭矩系数进行施工。螺栓施工时初紧、复紧与终紧要依次进行。螺栓初紧的目的是让各连接部件的接触面紧密贴合，螺栓的预紧力达到10～50 kN 。在实际操作中，一个操作者使用普通手动扳手，在不使用任何辅助工具拧紧螺栓，即完成初紧。

4.4.2 高强度螺栓转角法紧固。由于螺栓的扭矩系数是离散的，特别是螺栓的制造质量不高、包装条件差、运输储存条件恶劣，导致螺栓的扭矩系数超过标准值，此时再采用扭矩法施工会造成较大误差，出现过紧或欠紧现象。螺栓转角法施工是在螺柱弹性变形区间内，调整螺母的旋转角度来控制螺柱的弹性伸长量，获取所需预紧力［13］。为解决扭矩法施工过紧或欠紧问题，引入转角法施工。螺栓转角法施工的基本原理如下：螺栓在完成初紧后，螺柱在弹性范围内变形，螺母的旋转角度与螺栓预紧力为线性关系，得到螺栓预紧力后，可计算出螺栓的旋转角度，初紧后按此旋转角度施工，可准确控制预紧力。高强度螺栓转角法的紧固分为初紧与终紧，对大型复杂结构增加复紧。初紧比扭矩法施工要严格，若初紧状态不一致，施工时有一部分会用于消除板缝间的距离，导致旋转角度与预紧力的关系极不稳定。转角法的初紧是为了消除连接件缝隙的影响，为螺栓终紧提供一个基本一致的起点。但转角法施工对初紧扭矩没有统一标准，均是以连接板紧密贴合为原则，再根据各个工程项目的具体情况进行确定，终紧是在初紧基础上，将螺母旋转一定角度，使螺栓的轴向力达到计算预紧力的要求。

转角法具体施工顺序如下：采用定扭矩扳手以螺栓群为中心逐个向外初紧，初紧完毕后用小锤敲击螺栓，防止漏拧，最后对初紧后的螺栓依次划线标记，初紧完成。用专用扳手（一般为电动扳手、电动定转角扳手及手动扳手等）按照初紧顺序依次使螺母旋转一个确定角度，为准确控制螺母旋转角度，将计算得到的转角角度刻在套筒上，套筒安装到螺母后，将套筒上刻度角终止线的位置在连接件上标记好，拧动扳手，套筒上转角起始线与连接件上的标记重合后，达到规定转角，终紧结束。为确保终紧的正确性，施工时要采取一定措施来防止螺柱与螺母共转。终紧结束后要用量角器对螺栓螺母上画的相对转角逐个进行检查。对终紧自检完的螺栓用不同颜色的记号笔进行标记，以防漏拧和重复终紧。

在使用螺母转角法施工前要进行复检，在同批螺栓副样本中随机抽取8套螺栓副（包括螺栓、螺母、垫圈），试验用螺栓的状态要与实际使用的螺栓状态一致，试验用螺栓不可继续在风电机组上使用。转角复检要在有相应资质的第三方检测单位进行，所用的仪器仪表必须经过计量检定合格，且在有效期内。

5 高强度螺栓连接施工质量验收

风电机组用高强度螺栓采用扭矩法施工紧固质量检测应符合以下四个要求。①用0.3 kg重的小锤依次敲击高强度螺栓的螺母，不得漏拧螺旋。②对螺栓副的终紧扭矩进行10%的抽查，且不少于两个螺栓连接副，检查时在螺栓与螺母上画一条直线，用扳手将螺母上拧松60°角，再用扭矩扳手重新拧紧，使螺母与螺柱上的两根直线重合。此时，测得的扭矩若在0.9～1.1 M内，则符合要求。③若发现有达不到要求的，应再增加一倍螺栓连接副进行扩大检查，如仍有不合格的，对所有高强度螺栓连接副重新进行施工［8］。④螺栓扭矩的检查要在螺栓终紧后1～24 h内完成，检查用扭矩扳手应经过计量检定或校准，最大允许误差在±3%范围内［9］。

风电机组用高强度螺栓采用转角法施工紧固质量检测要符合以下四个要求。①依次检查终紧起始线与终紧终止线的角度是否达到要求。②在每个节点上随机抽取总数10%的螺栓，且不少于两个螺栓连接副检查终紧转角，检查时在螺柱与螺母上画一条直线，将螺母全部卸松，按原规定要求进行初紧和终紧，测量原终止线与终止线之间的角度误差在±30°为合格。③若发现有达不到要求的，应再增加一倍螺栓连接副进行检查，如仍有不合格的，所有高强度螺栓连接副要重新进行施工［8］。④转角的检查要在螺栓终紧后1～24 h完成，检查用扭矩扳手应经过计量检定或校准，最大允许误差在±3%范围内。

6 结语

风电机组用高强度螺栓连接副失效事件时有发生。为降低螺栓连接副失效发生概率，应对螺栓连接副制造、运输储存、进场验收、安装施工及施工质量验收等环节加强管理，在各个环节提高螺栓质量，降低风机事故发生概率。

参考文献：

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［8］王忠锋，余泉.风电机组高强螺栓试验与安装技术总结［J］.风能，2018（1）：78-82.

［9］李伟霞，王海霞.谈高强度大六角头螺栓连接的施工要求［J］.河南科技，2010（14）：61.