在役風(fēng)電機(jī)組螺栓安全維護(hù)關(guān)鍵技術(shù)目錄TOC\o"1-3"\h\u14207在役風(fēng)力發(fā)電機(jī)組螺栓安全維護(hù)關(guān)鍵技術(shù) 122511一、項(xiàng)目概述 39977（一）企業(yè)簡介 326365（二）項(xiàng)目背景 39466（三）項(xiàng)目建設(shè)情況 48346二、應(yīng)用場景及建設(shè)方案 615843（一）場景描述 625274（二）技術(shù)架構(gòu) 613963（三）建設(shè)方案 727581.2超聲測應(yīng)力技術(shù)的研究現(xiàn)狀 96908三、項(xiàng)目效果 114059（一）項(xiàng)目效益 117214（二）鑒定評(píng)價(jià)（如有） 1125621（三）推廣前景 1131918四、下一步計(jì)劃 12一、項(xiàng)目概述（一）企業(yè)簡介XXX新能源事業(yè)部（以下簡稱新能源事業(yè)部）于2019年11月1日成立，現(xiàn)有在役裝機(jī)169.32萬千瓦（本部107.2萬千瓦；分部62.12萬千瓦），其中風(fēng)電裝機(jī)164.92萬千瓦，風(fēng)電場19座，風(fēng)機(jī)913臺(tái)；光伏裝機(jī)4.4萬千瓦，光伏電站3座；全釩液流儲(chǔ)能電站1座，容量為1萬千瓦；在建光伏項(xiàng)目1個(gè)，5萬千瓦。總裝機(jī)容量174.32萬千瓦（二）項(xiàng)目背景風(fēng)電同許多能源行業(yè)一樣，在保障安全生產(chǎn)方面也面臨諸多挑戰(zhàn)。根據(jù)多家國際組織及行業(yè)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)調(diào)查，隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在全球的蓬勃發(fā)展，各類事故也在頻繁發(fā)生。近年來，我國也陸續(xù)曝出多起風(fēng)機(jī)安全事故。如何在推動(dòng)行業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，加強(qiáng)生產(chǎn)安全、減少事故發(fā)生，已經(jīng)成為整個(gè)風(fēng)電行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)之一。螺栓連接是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝配中的重要裝配方式，幾乎涉及到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的所有部件。因此，螺栓的選用和強(qiáng)度校核及質(zhì)量檢驗(yàn)、在役評(píng)價(jià)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性的重要保證。一般情況下，螺栓斷裂主要來自以下四個(gè)方面：螺栓的質(zhì)量；螺栓的預(yù)緊力；螺栓的強(qiáng)度；螺栓的疲勞強(qiáng)度。各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)螺栓的施工步驟各不相同，但是其目的都是一致的，就是使高強(qiáng)度螺栓產(chǎn)生預(yù)定的軸力來夾緊被連接件使其到達(dá)預(yù)緊的目的。在運(yùn)行維護(hù)環(huán)節(jié)保證螺栓不發(fā)生斷裂事故。（三）項(xiàng)目建設(shè)情況在役風(fēng)力發(fā)電機(jī)組螺栓安全維護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究在2017年3月1日至2018年12月31日實(shí)施，建設(shè)周期22個(gè)月。預(yù)期目標(biāo)：采取螺栓超聲軸力檢測系統(tǒng)，對(duì)螺栓的預(yù)緊力檢驗(yàn)采用新的檢驗(yàn)方法：先用本系統(tǒng)對(duì)螺栓進(jìn)行逐個(gè)檢測，發(fā)現(xiàn)緊固力不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)再用力矩扳手對(duì)松動(dòng)螺栓重新進(jìn)行緊固。此方法在保證設(shè)備可靠性的前提下，極大的節(jié)約了外委維護(hù)或購買維修力矩扳手的成本和人力成本，提高了工作效率。螺栓便攜式超聲柱面導(dǎo)波相控陣系統(tǒng)可以快速完成螺栓探傷工作，消耗的人工成本很低，因此節(jié)約了大量外委檢測費(fèi)用，大大減少螺栓斷裂的不可控風(fēng)險(xiǎn)，保證風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行，避免了風(fēng)機(jī)事故造成的損失。項(xiàng)目投資額240萬元，承建單位：武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份有限公司。目前該項(xiàng)目已完成研發(fā)和現(xiàn)場應(yīng)用，正在推廣中。日程安排時(shí)間工作內(nèi)容備注2017年03月完成聯(lián)合動(dòng)力、金風(fēng)、gamasa等不同主機(jī)高強(qiáng)螺栓斷裂部位調(diào)研工作，形成調(diào)研報(bào)告。2017年04-06月運(yùn)用常規(guī)超聲波探傷方法，對(duì)調(diào)研報(bào)告所列螺栓進(jìn)行探傷，明確設(shè)備、人員、工藝、有效性、費(fèi)用等，對(duì)其可行性作出評(píng)價(jià)。2017年07-12月了解超聲導(dǎo)波的原理、使用條件，并開展高強(qiáng)螺栓導(dǎo)波檢測的試驗(yàn)。摸索導(dǎo)波檢測高強(qiáng)螺栓的工藝、缺陷檢出率、檢出效率等。了解聲彈性應(yīng)力測量的原理、使用條件，并開展高強(qiáng)螺栓導(dǎo)波檢測的試驗(yàn)。摸索高強(qiáng)螺栓緊固力測量的工藝、測量精度控制等。2018年01-06月設(shè)備研發(fā)、試用、改進(jìn)；工藝制定、試用、確定。制訂檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)2018年06-12月風(fēng)場人員操作培訓(xùn)、使用、反饋與改進(jìn)。結(jié)題。二、應(yīng)用場景及建設(shè)方案（一）場景描述實(shí)施前風(fēng)機(jī)螺栓需要每年用力矩扳手進(jìn)行緊固，設(shè)備昂貴，維修費(fèi)用高，工作體力消耗大，外委費(fèi)用高。螺栓探傷能力缺失，不能提前發(fā)現(xiàn)螺栓損傷，螺栓失效導(dǎo)致倒塔的隱患大。實(shí)施后螺栓的緊固力可以通過超聲螺栓緊固力測試儀完成，設(shè)備小巧便攜，檢測速度快，測量精度高。螺栓探傷采用螺栓超聲相控陣導(dǎo)波檢測儀完成，設(shè)備輕便，檢測速度快，缺陷顯示直觀，可以發(fā)現(xiàn)初期裂紋。（二）技術(shù)架構(gòu)⑴依據(jù)聲彈性理論，推導(dǎo)了應(yīng)力與超聲渡越聲時(shí)差之間的關(guān)系，詳細(xì)論述了超聲螺栓應(yīng)力測量原理。同時(shí)，標(biāo)定了形狀系數(shù)的修正和溫度補(bǔ)償修正，修正溫度對(duì)聲時(shí)測量的影響，提高了應(yīng)力測量精度，也使超聲螺栓應(yīng)力檢測具有工程可行性。⑵在役風(fēng)機(jī)螺栓采用超聲相控陣導(dǎo)波檢測儀器軟件實(shí)現(xiàn)一維環(huán)形線陣循環(huán)掃描，已經(jīng)領(lǐng)先國外同類檢測技術(shù)一代。對(duì)螺栓中的超聲柱面導(dǎo)波的頻散曲線進(jìn)行了較為細(xì)致的分析，得出檢測桿狀螺栓時(shí)采用較高頻率的柱面導(dǎo)波模式能得到較好的檢測效果。討論了超聲柱面導(dǎo)波在螺栓端面反射波的特點(diǎn)，分析了螺栓檢測頻率的選取方法和重要參數(shù)的確定原則。研發(fā)了螺栓超聲柱面導(dǎo)波相控陣檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用16/64陣元相控陣專用檢測儀和高頻、64陣元環(huán)形一維線陣相控陣探頭，具有體積小、重量、探頭無需移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)、檢測靈敏度高、工作效率高的特點(diǎn)，適合現(xiàn)場檢測的需要。（三）建設(shè)方案螺栓是一種利用螺紋產(chǎn)生應(yīng)力以緊固被夾緊件的產(chǎn)品，已被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備、車輛船舶、飛機(jī)衛(wèi)星、鐵路橋梁、建筑結(jié)構(gòu)、工具器械、儀器儀表等領(lǐng)域。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中螺栓用量較大，一般采用扭矩扳手或者氣動(dòng)、液壓、電動(dòng)扳手進(jìn)行螺栓安裝，并由扭矩推算出螺栓的軸向應(yīng)力。實(shí)踐證明，許多情況下實(shí)際工況的諸多因素影響了螺紋副的摩擦，使得設(shè)定的施擰扭矩往往不能精確地得到一定的螺栓軸力，這也是這種間接控制螺栓軸力的方法一種常見現(xiàn)象。但是這些方法都是間接地來測量和得到螺栓的緊固軸力。由此可見由于拉長了轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，引入了扭矩扳手精度等因素，客觀上對(duì)準(zhǔn)確測量螺栓的軸力產(chǎn)生了影響。近年來隨著現(xiàn)代科學(xué)和工業(yè)檢測技術(shù)的發(fā)展，各種直接檢測高強(qiáng)度螺栓軸力的技術(shù)和方法不斷的被提出來并在實(shí)際過程中得到應(yīng)用。其中以超聲波測應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用前景最為廣泛。本項(xiàng)目的目的在于研究基于聲彈性現(xiàn)象的應(yīng)力測量的方法，以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用的種規(guī)格高強(qiáng)度螺栓為樣品，探討風(fēng)機(jī)用高強(qiáng)度螺栓的環(huán)境溫度、螺檢規(guī)格、螺栓材料、夾緊長度、現(xiàn)場加工情況等因素對(duì)其軸力測量的影響，為超聲測應(yīng)力技術(shù)在工程領(lǐng)域應(yīng)用做好理論基礎(chǔ)，以便尋找和推廣這種方便易行，精度高，且可用于長期檢測的超聲測力方案。螺栓作為工業(yè)現(xiàn)場中常用的連接件，普遍存在于航空航天、船舶輪機(jī)、橋梁建設(shè)、化工設(shè)備、新能源等領(lǐng)域關(guān)鍵設(shè)備的連接處，起強(qiáng)化、密封的重要作用。其中，螺栓軸向應(yīng)力作為影響螺栓性能、壽命以及使用狀態(tài)的重要因素，愈發(fā)受到重視。由于栓體結(jié)構(gòu)的特殊性以及軸向加載后螺紋部分的形變，給螺栓軸向應(yīng)力測量帶來了非常大的不確定性以及測量難度，近幾十年來國內(nèi)外都在積極地探索解決這一問題的辦法。目前，工業(yè)現(xiàn)場常用到扭力扳手來簡易確定螺栓軸向應(yīng)力值大小。但由于螺帽部分與螺紋摩擦副部分的反向扭矩影響以及螺栓螺紋副部分的彈性變形，真正能夠使螺栓產(chǎn)生軸向應(yīng)力的扭矩不到扭力扳手面板數(shù)值的20%。除此以外，采用脈沖回波反射法、渡越時(shí)間法、相位法等技術(shù)的超聲縱波螺栓軸向應(yīng)力的無損檢測技術(shù)也能夠有效的獲取螺栓軸向應(yīng)力值大小，但針對(duì)已安裝螺栓或埋深地腳螺栓等原長度未知的栓體軸向應(yīng)力測量則無能為力。針對(duì)超聲波無損檢測技術(shù)需要穩(wěn)定耦合這一缺點(diǎn)提出的采用電磁超聲激勵(lì)剪切波測量螺栓軸向預(yù)緊力的辦法，也取得了一定的研究成果，但依然沒有解決螺栓軸向長度未知情況下軸向應(yīng)力大小的測量問題。根據(jù)聲彈性理論，超聲波在各向均一金屬材料中的傳播速度與應(yīng)力值大小有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且可以通過橫波與縱波表達(dá)式聯(lián)立求解的方式，消除螺栓軸向長度以及溫度變化帶來的影響。但是在實(shí)際測量中，螺栓軸向應(yīng)力在低載荷與高載荷情況下，聲時(shí)差之比并不與應(yīng)力值大小呈單純的線性關(guān)系。因此，需要探索一種更為有效的應(yīng)力測量模式，從而更準(zhǔn)確地獲得螺栓軸向應(yīng)力值大小，解決這一急需的工業(yè)應(yīng)用難題。1.2超聲測應(yīng)力技術(shù)的研究現(xiàn)狀超聲波測應(yīng)力技術(shù)利用超聲波靈敏地反映試驗(yàn)件內(nèi)部的各種信息，用超聲波參量來表征應(yīng)力。超聲檢測應(yīng)力對(duì)于工程實(shí)際應(yīng)用具有適應(yīng)狹小的檢測空間，方便現(xiàn)場攜帶等優(yōu)點(diǎn)，具體來講超聲波本身就具備以下優(yōu)點(diǎn)：（1）超聲波檢測不破壞被檢測件樣品，可以在施工現(xiàn)場對(duì)已經(jīng)安裝上的產(chǎn)品進(jìn)行檢測。（2）超聲波節(jié)能、環(huán)保，只要使用普通干電池就能維持長時(shí)間的工作。（3）超聲波檢測儀器已高度的集成化，各個(gè)模塊的設(shè)備越來越小型化和便攜化，其精度、體積和系統(tǒng)功能有利于施工現(xiàn)場檢測。（4）超聲波具有較好的穿透力，可以穿透數(shù)米的金屬件，足夠滿足一般的緊固件產(chǎn)品檢測需要。（5）超聲測量速度快速，超聲測量可以迅速完成數(shù)據(jù)的采集，如能再配上高效的信號(hào)處理系統(tǒng)則能快速高效的進(jìn)行測量，適合大批量同類型產(chǎn)品的檢測。（6）超聲對(duì)人體無傷害，對(duì)人體健康無害。因此，超聲檢測表征應(yīng)力的研究在近些年得到了迅速的發(fā)展，實(shí)用的超聲波應(yīng)力測試技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。目前，我們應(yīng)用在螺栓軸力測量上的主要技術(shù)是聲彈性原理。根據(jù)聲彈性原理，超聲波的速度會(huì)因材料中的應(yīng)力而產(chǎn)生微小的變化。通過研究螺栓軸力與超聲波傳播時(shí)間變化率的關(guān)系可以利用超聲波發(fā)出和接收的時(shí)間來測量螺栓的緊固軸力。超聲波測應(yīng)力的原理是利用不同應(yīng)力條件下，超聲的傳播時(shí)間來控制的，故用超聲波來測量螺栓應(yīng)力至少有以下個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）方便緊固件的后期檢修、核查。超聲波設(shè)備小巧、便攜、節(jié)能，依靠便攜式的小容量電源就能長時(shí)間的工作，可以使工程師方便的帶到工地現(xiàn)場進(jìn)行檢測，或者連接通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制和監(jiān)測緊固件的工作情況。（2）使用超聲波設(shè)備在施梓擰的時(shí)候依據(jù)超聲波的回波信號(hào)把螺栓的預(yù)緊力調(diào)整到適當(dāng)?shù)姆秶?。螺栓的特性?yīng)力關(guān)系一旦建立即可實(shí)時(shí)的檢查螺栓的應(yīng)力狀態(tài)和螺栓的軸力，這樣就可以精確地調(diào)整螺栓的預(yù)緊力。（3）超聲波檢測可以消除摩擦力對(duì)扭矩測量的影響，即其測量的是直接的超聲傳播時(shí)間與螺栓軸力之間的關(guān)系，與施加的扭矩值和接觸面的狀態(tài)不存在干涉關(guān)系。（4）超聲測應(yīng)力方法可以對(duì)已經(jīng)緊固的螺栓可起到檢查的作用。根據(jù)已經(jīng)建立的螺栓應(yīng)力與超聲傳播時(shí)間的關(guān)系曲線，可以實(shí)時(shí)的檢測到已經(jīng)緊固的螺栓的應(yīng)力狀態(tài)，從而消除了其他測定方法無法實(shí)時(shí)測量已緊固螺栓應(yīng)力的情況。（5）適合于相對(duì)檢測，可以進(jìn)行一組或者多組螺栓的緊固對(duì)比，有利于后期的檢測分析?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)自超聲波被應(yīng)用到螺栓應(yīng)力測量領(lǐng)域以來，國內(nèi)外對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展相當(dāng)迅速。。三、項(xiàng)目效果（一）項(xiàng)目效益本項(xiàng)目無直接經(jīng)濟(jì)效益，效益體現(xiàn)在節(jié)約人力成本和避免風(fēng)機(jī)事故上。在不拆卸螺栓的情況下，快速完成高強(qiáng)螺栓的在役檢測，保證檢測周期內(nèi)高強(qiáng)螺栓的安全。可以減少螺栓檢測外委費(fèi)用，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，降低人力成本及螺栓斷裂可能帶來的損失。螺栓力矩檢測每臺(tái)機(jī)組需要費(fèi)用約0.3萬元，2017年156臺(tái)風(fēng)機(jī)外委花費(fèi)46.5萬元，2018年209臺(tái)風(fēng)機(jī)外委花費(fèi)62萬元，2019年度計(jì)劃所有風(fēng)機(jī)采用本技術(shù)進(jìn)行檢測，項(xiàng)目不需要外委，自行檢測人工和材料消耗約10萬元，因此每年可節(jié)約成本至少50萬元。因螺栓維護(hù)不力導(dǎo)致倒塔等事故的損失更加不可預(yù)計(jì)。因此間接經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。（二）鑒定評(píng)價(jià)（如有）本項(xiàng)目于2018年12月26日通過中電聯(lián)科技成果鑒定，鑒定結(jié)論為國內(nèi)領(lǐng)先。2019年11月獲得中電聯(lián)2019年度電力科技創(chuàng)新獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。（三）推廣前景根據(jù)本項(xiàng)目研發(fā)的螺栓超聲軸力檢測系統(tǒng)和螺栓便攜式超聲柱面導(dǎo)波相控陣系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單人現(xiàn)場操作，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送、遠(yuǎn)程分析等功能。在這方面國內(nèi)外的一些公司都沒有比較成熟的產(chǎn)品，更沒有實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，便攜式便于高空作業(yè)的產(chǎn)品研究現(xiàn)在成為一個(gè)熱點(diǎn)問題。而便攜式檢測設(shè)備可以適應(yīng)野外檢測和現(xiàn)場檢測，攜帶方便，應(yīng)用性較強(qiáng)。特別隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，還可