中车株洲卢勇：风机高强度螺栓监测技术研究及施工质量保证

2021年10月17日-20日，2021北京国际风能大会暨展览会（CWP 2021）在北京新国展隆重召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一，这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会，再次登陆北京。

本届大会以“碳中和——风电发展的新机遇”为主题，历时四天，包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“国际成熟风电市场发展动态及投资机会”“国际新兴风电市场发展动态及投资机会”“风电设备智能运维论坛”“碳达峰碳中和加速能源转型”等不同主题的15个分论坛。能见App全程直播本次大会。

在风电设备智能运维发展论坛上，中车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部质量部部长卢勇发表了题为《风机高强度螺栓监测技术研究及施工质量保证》的主题演讲。

以下为演讲全文：

卢勇：各位风电同仁，大家下午好！我是来自中车株洲的卢勇，下面由我向大家分享风机高强度螺栓监测技术研究及施工质量保证。

我的分享分为五部分，第一是螺旋监测的背景和意义。其实在质量管理领域，螺丝的故事有时候称之为事故，这是非常经典的，在百度上面搜螺栓事故，基本上不是空难就是毁家灭国的故事。因此螺栓应该是非常危险的物料，那么在风电整机领域，基本上所有的大型部件的连接，不管是结构件还是承载件，都是高强度螺栓起到连接作用，因此高强度螺栓应该说是风机各个部件可靠连接和运行的保障。

高强度螺栓，尤其是塔筒还有主轴螺栓，不仅起到结构连接的作用，还承载非常大的胶片载荷。螺栓设计,目标是预警力，只有预警力满足要求以后，才能保证机组可靠运行。目前有两种比较普遍的方式，一种是扭矩法，只能通过扭矩系数的转换，最后看压泵的压力值。拉伸法相对好一些，可以直接设定值，但是没有监测。

右边这两个图，其中一个图随着预警力的变化而变化，在预警力只有50%的时候，等效频率会是原来的两倍。这是螺栓寿命随着预警力变化的曲线，当预警力变化不到30%的时候，寿命会下降至原来的三分之一。这个可能不同的螺栓有一定的区别，但是总体趋势是不会改变的。因此螺栓对现场施工是一个关键工序也是一个特殊的过程。

目前随着风电机组大型化，尤其是这两年陆上风机6兆瓦，最大叶片到了叶轮直径190米以上。目前风电整机应该是处于精细化设计的一个阶段。高强度螺栓受制于结构的布局以及成本的压力，设计比早期的机组是在逐步的降低。这一背景下，怎么保证螺栓的施工预警力满足设计要求，螺栓预警测试研究和应用显得非常急迫和重要。

第二部分，在螺栓预警监测过程中经典案例。我们在这些年至少监测了上百台高强度螺栓预警力，其中一些典型的案例超出普遍的认知。第一个案例是螺栓润滑剂的涂抹，众所周知润滑剂肯定会影响系数，最终影响预警力，影响有多大？不同的螺栓不一样。在风机上做的案例，半涂抹和全涂抹影响力在30%左右，其他螺旋可能会有一定的区别。基于普遍的认知，大概是30%，但是后面在这案例里，有一台风机的涂抹表面状态，不是完全满足规范，但是在螺纹咬合部位来说还是可以的。评估的时候，认为会比预警力稍微偏低一点，但是还是满足要求的。

第二个案例分享现场安装螺栓锈蚀，因为特殊的情况现场客观的存储条件，潮湿天气因素的影响，确实存在螺栓锈蚀情况。大部分会弃之不用，对于左边这个图的情况，基于精度的要求，很难和业主或者总包方说不能用。这是湖北的风场，当时螺栓有锈蚀，也让客户不要用，但是基于现场调转的精度，我们认为锈蚀相对来说没有那么严重的，基本能够满足下限要求。但是装以后，基于质量管理和保险起见，后面进行了测试，最后测出来的结果非常吃惊，预警力比设计下限低了很多，这是测试的雷达图，大家可以看一下。因此螺栓锈蚀对影响非常大，后面也进一步咨询了其他螺栓厂家以及专家，他们认为锈蚀对于螺栓的影响大概是三个方面，一是流级系数，另外锈蚀可能会影响螺栓表面的涂层状态，从而导致表面涂层受到影响。第三是螺纹精度，锈蚀产生腐蚀可能会造成螺纹咬合地方，进一步降低螺栓的疲劳寿命。

第三个案例是泥沙等异物，我们在其中一台风机测试时，别的地方的螺栓都是可以的，但是在这个位置测出来低很多。目标值是800左右，测出来只有三百，当时认为施工过程应该还是管控比较可以。但是那个位置的螺栓就是不行，后续拆出来看了一下，结果是什么？因为当时条件，他们爬上爬下以后，在螺纹孔和螺栓表面沾上了泥沙。在原来的理解里，可能有一些影响，但确实没有想到影响特别大。后面把几个螺栓清洗以后重新涂抹润滑剂，就可以满足设计要求，这也超出了之前一些认知。

最后一个案例分享的是人员作业，在风电行业人员的流动非常频繁，新的施工人员进场这些东西非常多，会导致使用规范方面可能存在很多不确定性。我们有一个风场，当时换了一批施工队，其中有一些新人进来做作业，最后做完以后的结果是左边这个图，没有达到预警力的要求，后面换了更熟悉的人测试，达到了要求，而且进一步提升。说明预警力测试非常重要的一点，现场的人员很难保证所有人都能够完全按施工规范进行作业。

第三部分对螺栓预紧力监测技术介绍，主要讲基本原理。基本原理是利用螺栓在静止状态下和受力状态下，由于长度不同，超声波在其中传播时间不一样。利用这两个差不同，得到拉伸程度，把它的预警力计算出来，这是比较简单的原理。目前业内争论比较多的三种手段，一个是压电测试，还有电磁横波和双波的测试。但是由于风电行业整机螺栓数量比较多，效率角度和准确率角度比较推荐电磁双波测量，因为效率是比较高，而且三种设备测量精度是差不多的。

最后总结与展望，目前这项工作已经开展几年了，未来要做的工作构建高强度螺栓预紧力数据库，一方面定期开展螺栓预警测试，另一方面就是开展螺栓实时预警在线监测，根据运行数据做螺栓生命预测，同时改进整机的螺栓设计。目前在3060碳达峰碳中和的背景下，风电的发展会更好，螺栓预紧力监测，以终为始，直接测量预紧力，保证施工与设计的符合性，为风电机组的安全稳定运行提供保障。

可以预见后续高强度螺栓预紧力监测技术的发展会更加迅速，其工程化应用前景会更加广阔。风电行业遇到的很多问题、疑难杂症其实大部分都是共性问题，做为质量管理人员，非常希望与各位同行朋友进行交流与分享，共同助力行业的健康可持续发展。谢谢各位！

（根据演讲速记整理，未经演讲人审核）