風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目錄TOC\o"1-3"\h\u9747風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 126930一、項(xiàng)目概述 318911（一）企業(yè)簡(jiǎn)介 328967（二）項(xiàng)目背景 42323（三）項(xiàng)目建設(shè)情況 56901二、應(yīng)用場(chǎng)景及建設(shè)方案 63985（一）場(chǎng)景描述 619810（二）技術(shù)架構(gòu) 612722（三）建設(shè)方案 865051.項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo) 867832.重點(diǎn)工作任務(wù) 8194583.關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用：超聲波預(yù)緊力測(cè)量技術(shù) 9165974.領(lǐng)先點(diǎn)、創(chuàng)新點(diǎn) 123891三、項(xiàng)目效果 12708（一）項(xiàng)目效益 127301（1）螺栓狀態(tài)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè) 12149（2）預(yù)警機(jī)制、預(yù)防性的維護(hù) 1321593（3）節(jié)省運(yùn)維開(kāi)支 1323908（4）專業(yè)的運(yùn)行記錄報(bào)表 1326799（二）鑒定評(píng)價(jià) 1331029（三）推廣前景 1332607四、下一步計(jì)劃 14一、項(xiàng)目概述（一）企業(yè)簡(jiǎn)介XXXX電力試驗(yàn)研究院于2014年5月8日成立，是XXXX集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院投資設(shè)立的全資子公司。具備檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)資質(zhì)認(rèn)定證書、電力工程調(diào)試乙級(jí)資質(zhì)、CNAS實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可證書、承裝（修、試）電力設(shè)施業(yè)務(wù)等企業(yè)資質(zhì)。擁有XXXX集團(tuán)熱電聯(lián)產(chǎn)供熱研究中心、XXXX集團(tuán)計(jì)量中心、信息與集成技術(shù)研發(fā)中心3個(gè)特色中心，榮獲吉林省科技小巨人企業(yè)、吉林省五一勞動(dòng)獎(jiǎng)狀、吉林省青年文明號(hào)、吉林省五四紅旗團(tuán)委等殊榮，先后獲得省部級(jí)以上科技獎(jiǎng)項(xiàng)30余項(xiàng)。企業(yè)的經(jīng)營(yíng)范圍為:電力技術(shù)開(kāi)發(fā)、轉(zhuǎn)讓、咨詢、服務(wù)；電力工程設(shè)備調(diào)整試驗(yàn)、技術(shù)改造；電力及相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、研究、銷售；新能源的研究、開(kāi)發(fā)和利用，節(jié)能環(huán)保；信息系統(tǒng)集成、信息系統(tǒng)技術(shù)咨詢；軟件開(kāi)發(fā)與銷售；環(huán)境評(píng)價(jià)、職業(yè)健康評(píng)價(jià)、安全性評(píng)價(jià)；電力工程咨詢；電力系統(tǒng)內(nèi)培訓(xùn)；工業(yè)產(chǎn)品測(cè)試、鍋爐檢驗(yàn)、壓力容器檢驗(yàn)、金屬設(shè)備無(wú)損檢測(cè)、節(jié)能技術(shù)檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)；普通貨物道路運(yùn)輸；電力工程調(diào)試；電力設(shè)備租賃；電力設(shè)備檢定；工程承包；房屋租賃；電力工程施工；市政公用工程施工；熱力工程設(shè)計(jì)等。為適應(yīng)集團(tuán)公司數(shù)字化建設(shè)發(fā)展需求，東北院努力提升標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化、數(shù)字化、智慧化水平，貫徹落實(shí)集團(tuán)公司和科研總院工作會(huì)議精神，完整、準(zhǔn)確、全面貫徹新發(fā)展理念，圍繞集團(tuán)公司打好“四大攻堅(jiān)戰(zhàn)”、推進(jìn)“六大工程”工作部署和科研總院“6648”的工作要求，堅(jiān)持以創(chuàng)新發(fā)展推動(dòng)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展堅(jiān)持建設(shè)以服務(wù)為基礎(chǔ)、以研發(fā)為動(dòng)力的綜合型能源研究院愿景目標(biāo)，全面推進(jìn)科改示范，推動(dòng)作風(fēng)轉(zhuǎn)變，加速轉(zhuǎn)型調(diào)整，強(qiáng)化人才在企業(yè)的核心位置，加快科技產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展。（二）項(xiàng)目背景“十四五”是碳達(dá)峰的關(guān)鍵期、窗口期，構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系是今后電力行業(yè)的發(fā)展方向，打造“綠色低碳、多能互補(bǔ)、高效協(xié)同、數(shù)字智慧”的世界一流能源供應(yīng)商是集團(tuán)公司發(fā)展的愿景，隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)，風(fēng)力發(fā)電得到了大力的推廣應(yīng)用，集團(tuán)公司也逐漸增加了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組迅猛發(fā)展的同時(shí)也暴露了相關(guān)問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)發(fā)生多起風(fēng)機(jī)倒塔事故，事故原因分析多數(shù)倒塔事故為螺栓斷裂導(dǎo)致。風(fēng)電機(jī)組中的重要元件如葉片、輪轂、主軸、機(jī)艙、塔筒等部件均采用高強(qiáng)度螺栓連接。風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件螺栓連接失效不僅影響整個(gè)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的使用，同時(shí)也造成極大的安全隱患直接影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全性及經(jīng)濟(jì)性。在螺栓預(yù)緊力作用下不同部件間產(chǎn)生了較大的摩擦力從而實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組不同部件連接的剛度和整體性。螺栓在應(yīng)力的長(zhǎng)時(shí)間作用下會(huì)產(chǎn)生蠕變及應(yīng)力松弛現(xiàn)象，導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力下降，緊固性能變差，直接影響部件的安全性能，在不同的外部環(huán)境下螺栓整體的受力狀態(tài)呈現(xiàn)不同狀態(tài)，當(dāng)無(wú)風(fēng)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組相當(dāng)于懸臂梁結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)葉片停止轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)機(jī)內(nèi)部的高強(qiáng)度螺栓主要承受承受靜載荷的作用。當(dāng)外部風(fēng)力變化明顯如臺(tái)風(fēng)等惡劣環(huán)境下，風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)也伴隨振動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)機(jī)組會(huì)出現(xiàn)共振，此時(shí)螺栓也受到振動(dòng)的影響，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致螺栓斷裂，因此對(duì)于螺栓預(yù)緊力的監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，同時(shí)也避免了大量人力資源的投入，直接減少因螺栓斷裂導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)倒塔事故發(fā)生，保障風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全性及經(jīng)濟(jì)性。（三）項(xiàng)目建設(shè)情況實(shí)施時(shí)間建設(shè)周期投資額承建單位預(yù)期目標(biāo)當(dāng)前進(jìn)展2019年7月至2020年12月（第一階段）1.5年16.78萬(wàn)XXXX電力試驗(yàn)研究院形成產(chǎn)生系列的高溫緊固螺栓、風(fēng)電機(jī)組、電力行業(yè)各類螺栓的“監(jiān)督螺栓”專利產(chǎn)品、螺栓壓電薄膜材料專利產(chǎn)品。按計(jì)劃完成該階段任務(wù)。2022年1月至2022年12月（第二階段）1年60.0萬(wàn)XXXX電力試驗(yàn)研究院基于超聲波螺栓預(yù)緊力檢測(cè)技術(shù)研究完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)螺栓的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，研究不同參數(shù)對(duì)檢測(cè)精度的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)螺栓的預(yù)緊力評(píng)估。按計(jì)劃完成該階段任務(wù)。二、應(yīng)用場(chǎng)景及建設(shè)方案（一）場(chǎng)景描述風(fēng)電高強(qiáng)螺栓在預(yù)緊力作用實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)連接的剛度和整體性，螺栓連接的失效將直接威脅風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致倒塔事故發(fā)生，風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中高強(qiáng)螺栓由于蠕變、塑性變形等現(xiàn)象的影響不可避免發(fā)生預(yù)緊力衰減，現(xiàn)場(chǎng)劃線法無(wú)法精確表示螺栓預(yù)緊力的變化情況，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員多采用力矩扳手法進(jìn)行力矩維護(hù)，該方法誤差較大，高達(dá)±40％，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)力矩維護(hù)一般為一年一次，目前行業(yè)內(nèi)無(wú)法及時(shí)、有效對(duì)風(fēng)電螺栓預(yù)緊力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。以風(fēng)電螺栓預(yù)緊力易衰減的問(wèn)題為導(dǎo)向結(jié)合國(guó)家、集團(tuán)公司對(duì)數(shù)字化自動(dòng)化檢測(cè)、監(jiān)測(cè)方向的要求為導(dǎo)向，以及未來(lái)智慧風(fēng)電建設(shè)的需要，開(kāi)展風(fēng)電高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。（二）技術(shù)架構(gòu)風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)主線是超聲波預(yù)緊力測(cè)量原理。在一個(gè)各向同性固態(tài)介質(zhì)中，由于應(yīng)力的作用，該材料便具有聲彈性，即超聲波波速隨應(yīng)力狀態(tài)改變而變化的特性。也就是說(shuō)在承受應(yīng)力和不受應(yīng)力的情況下，超聲波在材料中的傳播速度是不一樣的，而且這種現(xiàn)象不論在彈性范圍還是在非線性應(yīng)力-應(yīng)變范圍均存在，同時(shí)聲彈性原理為通過(guò)測(cè)量超聲波在螺栓中傳播速度（或時(shí)間）來(lái)間接測(cè)量螺栓軸向應(yīng)力提供了理論基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)不同應(yīng)力狀態(tài)下傳播時(shí)間的計(jì)算便可以間接計(jì)算出螺栓的緊固狀態(tài)、預(yù)緊狀態(tài)，不同應(yīng)力狀態(tài)下超聲波在螺栓中傳播時(shí)間如圖1所示。圖1不同應(yīng)力狀態(tài)下超聲波在螺栓中傳播時(shí)間基于上述技術(shù)方法，風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出了應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的概念，在優(yōu)化超聲波預(yù)緊力測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用溫度、模型系數(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正，保證結(jié)果的精確性，思維導(dǎo)圖如圖2所示。圖2風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)思維導(dǎo)圖風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)在相應(yīng)點(diǎn)位設(shè)置超聲換能器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓的預(yù)緊力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)超聲換能器所監(jiān)測(cè)的螺栓預(yù)緊力發(fā)生變化時(shí)，換能器反饋時(shí)間發(fā)生變化，這就是風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理，其中核心部件為監(jiān)測(cè)設(shè)備、智能通訊控制器。（三）建設(shè)方案1.項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)基于超聲波螺栓預(yù)緊力檢測(cè)技術(shù)研究完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)螺栓的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，研究不同參數(shù)對(duì)檢測(cè)精度的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)螺栓的預(yù)緊力評(píng)估。2.重點(diǎn)工作任務(wù)第一階段：制做超聲波驅(qū)動(dòng)及接收裝置，利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，接收反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)螺栓的伸長(zhǎng)量精確測(cè)量→編制應(yīng)用軟件將反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成預(yù)緊力值等缺陷信號(hào)報(bào)警等參數(shù)。第二階段：在風(fēng)機(jī)塔筒上安裝帶有壓電涂層測(cè)點(diǎn)的螺栓，監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)塔筒螺栓受力情況，進(jìn)一步研制風(fēng)機(jī)塔筒緊固螺栓預(yù)緊力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。第三階段：構(gòu)建智能螺預(yù)緊力測(cè)量平臺(tái)，開(kāi)發(fā)螺栓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)以及后臺(tái)管理子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析、預(yù)警等功能。3.關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用：超聲波預(yù)緊力測(cè)量技術(shù)超聲波用于螺栓應(yīng)力測(cè)量的波型主要有縱波和橫波。在一個(gè)各向同性固態(tài)介質(zhì)中，由于應(yīng)力的作用，該材料便具有聲彈性，即超聲波波速隨應(yīng)力狀態(tài)改變而變化的特性。也就是說(shuō)在承受應(yīng)力和不受應(yīng)力的情況下，超聲波在材料中的傳播速度是不一樣的，而且這種現(xiàn)象不論在彈性范圍還是在非線性應(yīng)力-應(yīng)變范圍均存在。聲彈性原理為通過(guò)測(cè)量超聲波在螺栓中傳播速度（或時(shí)間）來(lái)間接測(cè)量螺栓軸向應(yīng)力提供了理論基礎(chǔ)。當(dāng)超聲縱波在固體介質(zhì)中沿應(yīng)力方向傳播時(shí)，其傳播速度與應(yīng)力以及三階彈性常數(shù)之間的關(guān)系如式（1-1）所示：（1-1）式中：Vσ——超聲縱波沿應(yīng)力方向的波速，單位m/s；V0——介質(zhì)無(wú)應(yīng)力作用時(shí)的縱波聲速，單位m/s；σ——應(yīng)力，單位Mpa；λ、μ——拉曼常數(shù)；J、m——三階彈性常數(shù)；ρ0——介質(zhì)密度，單位kg/m3。式（1-1）為聲彈性原理的基本數(shù)學(xué)表達(dá)式，它揭示了固體介質(zhì)的應(yīng)力改變會(huì)引起超聲縱波沿應(yīng)力方向波速的改變，為基于聲學(xué)法測(cè)量材料應(yīng)力提供了理論依據(jù)。超聲縱波法對(duì)螺栓軸向應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，該方法主要結(jié)合了兩個(gè)理論：胡克定律和聲彈性效應(yīng)。根據(jù)胡克定律，在物體的彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比例關(guān)系，比值為材料的楊氏模量E，可得到式（1-2）：（1-2）式中：L1——分別為螺栓有效受力區(qū)間未受應(yīng)力的長(zhǎng)度和受應(yīng)力δ后的長(zhǎng)度，單位mm；L2——螺栓不受應(yīng)力的區(qū)間長(zhǎng)度，單位mm；L0——螺栓未受應(yīng)力時(shí)的總長(zhǎng)，單位mm。圖3螺栓的尺寸約定根據(jù)聲彈性效應(yīng)，固體中的聲速與應(yīng)力有關(guān)。若假設(shè)螺栓所受的應(yīng)力為單向均勻拉伸應(yīng)力，那么超聲波在螺栓內(nèi)沿軸向傳播的速度與應(yīng)力有線性關(guān)系，可得到式（1-4）。式（1-5）是超聲波在螺栓中往返的位移-速度關(guān)系式。（1-4）（1-5）式中：V0——分別是超聲波在無(wú)應(yīng)力和有應(yīng)力狀態(tài)下的傳播速度，單位m/s；t0——無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的縱波渡越時(shí)間，單位s；A——聲彈性系數(shù)。聯(lián)立式（1-2）～式（1-5）可得如下公式：（1-6）式中：tσ——受應(yīng)力狀態(tài)下的縱波渡越時(shí)間，單位s。式（1-5）中?1，所以得式（1-7）:（1-7）令，，則：（1-8）式中：F——螺栓所受應(yīng)力，單位MPa；K——與螺栓幾何尺寸和材料類型有關(guān)的系數(shù)，可通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)確定。需要指出的是，溫度變化對(duì)超聲波傳播速度有較大的影響。當(dāng)螺栓的溫度升高時(shí)，超聲波的傳播速度減慢，傳播時(shí)間變長(zhǎng)。因此，必須對(duì)溫度的影響進(jìn)行修正，以提高測(cè)量精度。根據(jù)文獻(xiàn)，溫度變化對(duì)聲速的影響可表述為式（1-9）。式（1-10）為在應(yīng)力和溫度同時(shí)作用下的聲速表達(dá)式。(1-9)(1-10)式中：——受溫度影響的速度，單位m/s；——溫度對(duì)超聲波速度的影響系數(shù)；——溫度和應(yīng)力同時(shí)作用下的速度，單位m/s。因此，同時(shí)考慮溫度的影響，渡越時(shí)間表示為式（1-11）：（1-11）（1-12）由式（1-12）可知，在實(shí)驗(yàn)下分別測(cè)得不同材料的,，，，在通過(guò)線性你和，即可獲得需要標(biāo)定的系數(shù)和。4.領(lǐng)先點(diǎn)、創(chuàng)新點(diǎn)（1）該技術(shù)填補(bǔ)了現(xiàn)行高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力無(wú)法精確、快速檢測(cè)的行業(yè)空白，能夠提高風(fēng)機(jī)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。（2）該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓預(yù)緊力的離線監(jiān)測(cè)。（3）通過(guò)螺栓安全評(píng)價(jià)體系的建立對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒及螺栓的安全狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)形成風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警體系，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行維護(hù)。三、項(xiàng)目效果（一）項(xiàng)目效益通過(guò)本技術(shù)應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)受監(jiān)部位螺栓預(yù)緊力的在線監(jiān)測(cè)，在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的應(yīng)用代替了人工定期檢修的維護(hù)，保證機(jī)組安全的條件下降低運(yùn)維成本，同時(shí)該技術(shù)也為智慧風(fēng)場(chǎng)、數(shù)字化風(fēng)場(chǎng)的檢測(cè)提供了有利的技術(shù)保障，項(xiàng)目實(shí)施后可實(shí)現(xiàn)以下四項(xiàng)效果。（1）螺栓狀態(tài)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)螺栓狀態(tài)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)，對(duì)螺栓應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，指導(dǎo)運(yùn)維人員進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。（2）預(yù)警機(jī)制、預(yù)防性的維護(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)受檢部位螺栓狀態(tài)預(yù)警，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，有效防止設(shè)備運(yùn)行異常。（3）節(jié)省運(yùn)維開(kāi)支通過(guò)本技術(shù)將監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)按比例分布安裝在監(jiān)測(cè)工作面上，定期監(jiān)測(cè)螺栓的預(yù)緊力變化，可評(píng)估全法蘭內(nèi)螺栓的緊固力松弛狀態(tài)，確定是否需重新進(jìn)行緊固，有效的降低了螺栓力矩維護(hù)的工作量，維護(hù)費(fèi)用一個(gè)風(fēng)場(chǎng)每年可節(jié)約數(shù)十萬(wàn)元人工維護(hù)費(fèi)用。（4）專業(yè)的運(yùn)行記錄報(bào)表該系統(tǒng)能夠生成專業(yè)化運(yùn)行記錄報(bào)表，能夠?qū)崟r(shí)記錄各測(cè)點(diǎn)出螺栓預(yù)緊力變化狀態(tài)，歷史記錄具有可追溯性，便于后期查閱、分析。（二）鑒定評(píng)價(jià)項(xiàng)目通過(guò)查新，經(jīng)吉林省電機(jī)工程學(xué)會(huì)專家評(píng)審鑒定該項(xiàng)技術(shù)成果達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。（三）推廣前景針對(duì)風(fēng)電機(jī)組螺栓檢修、維護(hù)管理等方面出現(xiàn)的普遍性問(wèn)題，研究成果形成的風(fēng)電機(jī)組螺栓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可靠性符合工程應(yīng)用要求，所采用的關(guān)