T/CRES 0019—2023《风力发电机组 叶片螺栓组件》标准解读

赵智垒 李梦晗 杨中桂

摘 要：紧固件领域叶片螺栓组件团体标准T/CRES 0019—2023《风力发电机组 叶片螺栓组件》于2023年10月正式发布，其规定了风电叶片螺栓组件的型式与结构、技术要求、试验方法、检验规则等内容，为风电叶片螺栓组件的设计、制造与检验提供依据。本文介绍了该团体标准研制背景与意义、任务來源及制定过程，并详细解读了标准的主要内容，分析了标准的实施效果及后续工作建议，旨在促使相关方更好地理解该标准内容及使用该标准，推动该标准的广泛应用。

关键词：紧固件，风力发电机组，叶片螺栓组件，团体标准

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

0 引 言

在风力发电领域，风轮叶片是捕获风能的关键零部件，用于将风能转换成电能。风电叶片螺栓组件用于复合材料叶片与风机轮毂之间的连接，采用叶片螺栓连接是目前叶片与轮毂连接的唯一方式。风电叶片螺栓组件由双头螺柱、圆螺母（或预埋螺套、堵头）、六角螺母、垫圈等组成，直接影响风电机组的承载能力、使用寿命及安全性能[1-2]。风电叶片螺栓组件属于紧固件的范畴，但在服役环境、结构型式及性能要求等方面，与传统的紧固件存在明显差异[2]。

随着风力发电领域及紧固件领域的快速发展，高性能长寿命风电叶片螺栓组件的研制及应用是行业内亟需攻关方向之一，国家出台了一系列相关支持政策。工业和信息化部印发《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录》（2019版），高强度紧固件作为传动及连接件类别中的重要部分，将强度等级高于10.9级（含）、用于海上风电等方面的高强度紧固件列为重大技术装备的关键配套基础件。

《“十四五”可再生能源发展规划》及《“十四五”智能制造发展规划》等政策促进风力发电关键技术研究及基础零部件的大力发展，推动高性能长寿命风电叶片螺栓组件的研究及应用。

1 研制背景与意义

在风力发电领域，随着国家“30·60”双碳战略的深入实施，推动风电行业快速跨过陆上风电“平价时代”进入海上风电“平价时代”，海上风电、陆上风电等风电装备发展日新月异，18 MW+海上风电机组、10 MW+陆上风电机组等超大型风电机组相继问世，风电机组正朝着大功率、长叶片、高塔筒、大载荷、低成本方向快速发展，对风电叶片螺栓组件的综合性能提出了更高要求。风电叶片在运行过程中承受重力载荷、惯性力载荷、空气动力载荷等复杂的交变载荷和环境腐蚀作用，叶片螺栓是风电叶片载荷传递至风机轮毂的关键载体[3]。

随着国内外风电机组快速发展，叶片螺栓组件综合性能要求越来越高，而目前叶片螺栓组件存在强度低、耐腐蚀性能差、疲劳寿命短等问题，成为制约大功率风电叶片发展的瓶颈问题[4]。作为紧固件的细分领域，叶片螺栓与传统紧固件的应用场景、结构型式等存在明显差异，现有紧固件标准并不适用，行业存在叶片螺栓组件技术及标准空白，无标准可用于叶片螺栓组件的设计、生产及检验，因此行业对叶片螺栓标准有强烈的需求。

针对目前风电叶片螺栓行业亟需解决的痛点问题，需开发适用于大功率、长叶片的高性能长寿命叶片螺栓组件，研制技术水平达到国际先进水平的产品标准，以弥补现阶段国内风电叶片螺栓组件领域的技术及标准空白。通过对叶片螺栓组件的性能指标、验收等行为进行系统规范，确保性能稳定且运行安全可靠，为行业内相关用户提供标准化参考依据，引导整个叶片螺栓组件产业健康有序发展。

2 任务来源

《风力发电机组 叶片螺栓组件》团体标准于2021年8月正式立项。根据中国可再生能源学会《关于2021年学会团体标准立项的通知》（中再学〔2021〕11号），标准由中国可再生能源学会归口管理，由中船海为高科技有限公司牵头研制。

3 制定过程

在起草过程中根据各阶段标准任务的工作要求，组织了相关领域的调研，并召开了多次的研讨会，参与标准研讨的专家多来自风电叶片螺栓组件的设计单位、生产制造企业、用户及高校、科研院所等，通过对标准内容进行多次修改和完善，形成了目前的标准文本。主要编制过程包括筹建标准工作组、调研及搜集资料阶段、召开编制工作启动会、征求意见、中国可再生能源学会风能专委会技术审查、中国可再生能源学会技术审查、报批、专家审查及发布阶段。其中征求意见单位包括无锡风电设计研究院有限公司、艾朗风电科技股份有限公司、吉林重通成飞新材料股份公司、株洲时代新材料科技股份有限公司、连云港中复连众复合材料集团有限公司、中材科技风电叶片股份有限公司、中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司综合智慧能源工程公司、上海勘测设计研究院有限公司等单位。标准牵头单位对征求意见进行充分研究及处理，确保标准具有较好的适用性及可行性。

4 主要内容解读

4.1 标准框架

该标准包括前言、范围、规范性引用文件、术语和定义、符号、型式与结构、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输、贮存。其中，型式与结构、技术要求、试验方法、检验规则为主要内容。

4.2 标准适用范围

该标准是产品标准，标准化对象是风电叶片螺栓组件，规定了风力发电机组叶片螺栓组件的型式与结构、技术要求、试验方法、检验规则等，适用于风力发电机组叶片螺栓组件的设计、制造与检验。

4.3 术语和定义

为贴合叶片螺栓组件的实际应用工况、便于理解，该标准新给出了叶片螺栓组件、预埋螺套、堵头、圆螺母及双圆螺母的定义。叶片螺栓组件是由双头螺柱、螺母与预埋螺套、堵头，或与圆螺母、双圆螺母等零件组成的组合件，用于风力发电机组叶片与轮毂变桨轴承之间的连接。

4.4 型式与结构

4.4.1 型式与组成

按叶片螺栓组件的结构，可分为T型螺母型式、双圆螺母型式和预埋螺套型式三种型式。预埋螺套型式叶片螺栓组件较适用于大叶型场景，也是目前的主流产品型式。

4.4.2 产品结构

双头螺柱一般为两端螺纹、中间光杆结构。通常，为提高疲劳性能，双头螺柱采用缩颈结构，即中间光杆处直径小于两端螺纹处中径，且长螺纹端具有内六角孔。六角螺母与NB/T 10214、GB/T 6170等规定型式相同。垫圈包括倒角型垫圈、平垫圈及双叠自锁防松垫圈三种，以满足防松等不同需求。双头螺柱、六角螺母、圆螺母、双圆螺母及预埋螺套螺纹形式多样，可为圆弧螺纹或普通螺纹。

4.5 技术要求

4.5.1 材料、尺寸与公差

叶片螺栓组件常用材料为合金钢，堵头也可使用尼龙6或尼龙66。标准中仅体现了风电行业应用较广的叶片螺栓组件规格M36、M39、M42、Rd36及Rd39，其他尺寸及公差应符合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的规定。

4.5.2 机械性能

该标准规定了双头螺柱、圆螺母、预埋螺套、六角螺母、垫圈、堵头的机械性能，双头螺柱涉及10.9级与12.9级两个强度等级要求，见表1。

4.5.3 表面处理

风电机组对叶片螺栓的防腐蚀性能有着强烈的要求，尤其是海上风电机组。标准考虑多种表面处理方式，包括非电解锌片涂层、锌铝涂层、非电解锌片涂层等，并对各自提出相应的要求，比如涂层厚度、中性盐雾时间等。

4.5.4 扭矩系数

扭矩系数是叶片螺栓组件的关键指标，影响着叶片螺栓组件的安装及应用。标准规定，叶片螺栓组件扭矩系数一般应为0.10～0.13，偏差应不大于0.01。若无特殊要求，安装时润滑剂涂抹部位分别是双头螺柱外螺纹、六角螺母内螺纹和垫圈表面。

4.5.5 成品疲劳性能

叶片螺栓疲劳性能关系着其服役寿命，目前国内没有叶片螺栓疲劳性能的规定，叶片螺栓成品疲劳性能根据实际需求分为三个等级，分别在400±80 MPa、400±60 MPa、400±42.5 MPa的循环应力范围下历经200万次循环载荷后，双头螺柱与螺母不发生破坏。

4.5.6 防松性能

叶片螺栓防松性能关乎其紧固效果。若客户有特殊防松性能需求、采用双叠自锁防松垫圈时，可根据客户要求进行残余轴力衰减或临界横向力防松性能试验。双头螺柱、六角螺母和垫圈的连接副在特定振动次数后，残余轴力与初始轴力之比应不低于需方要求，标准仅规定最低防松性能要求，最低防松性能要求为振动1500次后残余轴力与初始轴力之比应不低于50%。

4.6 试验方法

与标准中“技术要求”一章逐条对应给出试验方法，多数检测均采用现有成熟技术，按照相应标准进行。连接副状态、测试环境温湿度、连接副是否重复使用、设备测试精度、润滑剂是否使用、润滑剂种类及涂摸位置等均会对测试结果产生影响[5-7]。因此，该标准规定连接副不应重复使用、垫圈不能翻转、应明确润滑剂的名称及涂抹方式。

4.7 检验规则

叶片螺栓组件的检验分为型式试验和出厂检验，应按照标准第6章及第7章规定进行检验。考虑到目前國内试验机功能、检测成本等因素，成品疲劳性能及防松性能为按客户要求进行的型式试验项目。该标准给出了不同检验项目的取样数量以及检验判定规则，便于相关方进行检验及验收。

4.8 标志、包装、运输、贮存

该标准规定了叶片螺栓组件的标志方法及要求、包装要求及张贴标识内容要求、运输要求及贮存规定，便于叶片螺栓组件的生产及交付。

5 标准实施效果

该标准适用于风电叶片螺栓组件的设计、制造与检验，已用于指导标准牵头单位高性能风电叶片螺栓组件的研制，并在SR113、SR156、SR220、SR236等叶型中，顺利通过全尺寸叶片静载试验、全尺寸叶片疲劳试验、挂机试验等试验验证。此外，众多应用证明表明，该标准已用于指导生产制造企业进行叶片螺栓组件的结构设计、加工制造、热处理、性能检验及销售，已用作第三方检测机构进行叶片螺栓组件参数检验的标准，亦是知名主机厂叶片螺栓组件的采购规范，实施效果良好。

6 讨论与建议

材料种类扩充。一方面，标准中规定的材料仅为执行GB/T 3077—2015、GB/T 699—2015的材料，无执行国际标准或国外标准的材料标号，如34CrMo4（EN 10083-3）、B7（ASTM A193）等，建议扩充材料种类。另一方面，标准根据叶片螺栓组件组成部分进行材料要求，非按10.9、12.9性能等级进行。建议后续纳入14.9级等更高性能等级要求，增加诸如不锈钢、钛合金、超高强度合金钢等材料。

螺纹类型扩充。根据目前应用情况，叶片螺栓组件螺纹类型可为圆弧螺纹或普通螺纹，其中普通螺纹产品应用较多。后续建议扩充螺纹型式，进行梯形螺纹等螺纹在叶片螺栓组件中的应用研究。

优化扭矩系数指标及试验方法规定。该标准中仅采用扭矩系数值范围及偏差进行规定，而GB/T 1231（报批稿）选用扭矩系数平均值范围及变异系数进行规定，认可度更高。建议进行扭矩系数研究，囊括平均值、变异系数等指标及螺母转速、试验温度、试验湿度等试验方法要求。

其他方面。增加表面处理方式，比如纳米合金共渗等方式。明确叶片螺栓标记方法，给出标记示例。

7 结 语

该标准是国内紧固件领域首个风电叶片螺栓组件产品标准，对风电叶片螺栓组件的型式与结构、技术要求、试验方法、检验规则等内容进行规定，旨在为风电叶片螺栓组件的设计、制造及检验提供依据。该标准的发布和实施为生产制造企业、应用单位、第三方检测机构及认证机构等行业内相关方提供叶片螺栓组件结构设计、加工制造、热处理、性能检验、销售、采购、检测、认证等依据。

该标准取得了一定的应用效果，得到一定范围内相关方的认可。下一步，将积极推动该标准的推广应用，促进风电行业及紧固件行业高质量发展。同时，建议在材料种类及螺纹形式扩充、优化扭矩系数指标及试验方法规定等方面进行研究，持续搜集标准应用案例，不断对标准文本进行修订和完善，更好地推动风电叶片螺栓组件的应用，并进行标准升级，助力标准体系建设。

参考文献

[1]张轶东，张恩享，王有超，等.海上风电机组叶片螺栓断裂原因分析[J].船舶工程，2023，45（S1）：37-41.

[2]庄攀，彭德榜，陈玲，等.浅析风电叶片高强度螺栓的选材与热处理工艺[J].热加工工艺，2019，48（12）：175-177.

[3]吴胜军，冯威，苑斐琦，等.风电叶片螺栓安装预紧力研究[J].玻璃钢/复合材料，2016（8）：50-52+21.

[4]刘永超，郭德瑞，李帅，等.风电机组高强度螺栓的失效形式分析[J].太阳能，2021（1）：44-50.

[5]郑国龙，刘河，杨炯明，等.风电机组螺栓复用扭矩系数变化的研究[J].机电产品开发与创新，2022，35（1）：124-126+130.

[6]徐金波.螺纹紧固件连接副扭矩系数测试技术应用研究[D].北京：机械科学研究总院，2011.

[7]赵健，冯冠宙.环境温度和湿度对扭矩系数的影响分析[J].交通世界，2022（13）：90-93.

作者简介

赵智垒，硕士研究生，助理工程师，研究方向为机械设计及标准化管理。

李梦晗，硕士研究生，助理工程师，研究方向为机械设计与制造。

杨中桂，通信作者，硕士研究生，研究员，研究方向为机械设计与制造。

（责任编辑：张瑞洋）