王文濤，高 揚(yáng)，王巍麟

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江杭州 310030）

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)風(fēng)力發(fā)電等新能源項(xiàng)目投入力度持續(xù)加大，某集團(tuán)公司2020 年集中新建了一批總?cè)萘?60 萬(wàn)kW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并陸續(xù)投產(chǎn)并網(wǎng)。作為重要結(jié)構(gòu)連接件，高強(qiáng)螺栓在承受部件自身重力載荷、熱載荷及葉片傳遞的氣動(dòng)載荷并傳遞到主要受力結(jié)構(gòu)的同時(shí)，承受著軸向力、彎矩、橫向力和扭矩組合載荷的作用，直接影響機(jī)組使用壽命及安全性能[1-2]。為排查制造安裝隱患、降低失效頻次，有效開(kāi)展投運(yùn)后續(xù)金屬監(jiān)督工作，采用實(shí)地檢查、與技術(shù)人員溝通交流以及查閱設(shè)計(jì)圖紙、出廠制造、檢驗(yàn)試驗(yàn)、定期檢修等技術(shù)資料對(duì)新建風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)螺栓進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)分析研究。

1 風(fēng)電機(jī)組用高強(qiáng)螺栓的特點(diǎn)

高強(qiáng)螺栓的斷裂失效嚴(yán)重威脅機(jī)組設(shè)備安全，是金屬專(zhuān)業(yè)重要的受監(jiān)部件。風(fēng)電機(jī)組用高強(qiáng)螺栓呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：一是螺栓數(shù)量大。1 臺(tái)機(jī)組約800～1 200 條高強(qiáng)螺栓，1 家風(fēng)電場(chǎng)螺栓總數(shù)可達(dá)幾萬(wàn)至十幾萬(wàn)條，數(shù)量巨大，顯著增加了失效斷裂頻次，增大了檢修檢驗(yàn)工作量。二是分布位置廣泛，受力環(huán)境復(fù)雜不一。螺栓普遍分布于塔筒間、塔筒與基礎(chǔ)間、塔筒與主機(jī)間，分布范圍廣，不同位置螺栓受力環(huán)境不同、設(shè)計(jì)要求不一，使得各位置螺栓運(yùn)行現(xiàn)狀不能一概而論，顯著增加了分析判斷的復(fù)雜性。

2 高強(qiáng)螺栓檢查發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及建議

2.1 檢測(cè)項(xiàng)目缺項(xiàng)及質(zhì)量驗(yàn)收不規(guī)范

2.1.1 到貨驗(yàn)收檢測(cè)項(xiàng)目缺項(xiàng)

檢查發(fā)現(xiàn)各風(fēng)電場(chǎng)新建機(jī)組高強(qiáng)螺栓到貨驗(yàn)收普遍缺少低溫沖擊性能、脫碳層深度、低倍缺陷、非金屬夾雜物、微觀組織試驗(yàn)等檢驗(yàn)項(xiàng)目，部分合金螺栓未進(jìn)行化學(xué)成分分析。沖擊韌性是指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，反映金屬材料對(duì)外來(lái)沖擊負(fù)荷的抵抗性能。材料沖擊韌性受環(huán)境溫度影響較大，根據(jù)材料特性，低溫環(huán)境下沖擊韌性性能急劇下降。風(fēng)電機(jī)經(jīng)常處于-30 ℃甚至更低的低溫環(huán)境，在以往螺栓斷裂案例中，常溫力學(xué)性能抽檢合格的螺栓，其低溫沖擊韌性等力學(xué)性能指標(biāo)往往低于設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)要求，為此，低溫沖擊試驗(yàn)不可缺少。通過(guò)測(cè)量脫碳層深度可檢驗(yàn)制造質(zhì)量，判斷螺栓表面硬度和強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求，常采用楔負(fù)載試驗(yàn)來(lái)控制螺栓脫碳[3]。螺栓表面脫碳嚴(yán)重，造成硬度強(qiáng)度嚴(yán)重降低，極易在螺紋牙根等應(yīng)力集中部位萌生疲勞裂紋，最終斷裂[4]。低倍缺陷、非金屬夾雜物、微觀組織試驗(yàn)是表征螺栓冶金熱處理等制造工藝、排查隱藏缺陷的有效試驗(yàn)手段。高強(qiáng)螺栓一般為42CrMo、25Cr2MoV 等合金材質(zhì)，對(duì)材料進(jìn)行化學(xué)成分分析可有效驗(yàn)證材質(zhì)是否符合設(shè)計(jì)要求。

2.1.2 葉片連接螺栓安裝前未進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)

葉片螺栓是用于連接風(fēng)輪葉片與輪轂的高強(qiáng)度螺栓，檢查發(fā)現(xiàn)部分風(fēng)電場(chǎng)葉片連接螺栓安裝前未進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)。未檢原因?yàn)樵撀菟槌鰪S時(shí)與葉片整體安裝到貨，基建安裝工期較緊，螺栓并未拆卸。葉片承受風(fēng)力交變荷載、氧化腐蝕以及為應(yīng)對(duì)超強(qiáng)風(fēng)力的破壞而產(chǎn)生的較大過(guò)載，因此葉片螺栓易發(fā)生疲勞斷裂、松動(dòng)及脆斷等現(xiàn)象[5]，葉片螺栓的檢驗(yàn)不可缺少。

2.1.3 出廠前部分螺栓未進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)

高強(qiáng)螺栓出廠前進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)是檢查制造質(zhì)量、排查缺陷的重要手段，也為螺栓制造加工工藝提供了借鑒參考。檢查發(fā)現(xiàn)部分螺栓出廠前未進(jìn)行表面、超聲波等無(wú)損探傷。未進(jìn)行以上檢測(cè)，將不能排查螺栓內(nèi)部、螺紋牙底、螺栓表面的裂紋等超標(biāo)缺陷，出廠質(zhì)量驗(yàn)收不到位。

以上各項(xiàng)檢驗(yàn)檢測(cè)能夠反映高強(qiáng)螺栓不同方面的性能指標(biāo)、現(xiàn)行狀態(tài)、出廠制造質(zhì)量，可判斷螺栓是否滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)試驗(yàn)相輔相成，缺一不可。建議對(duì)不同批次高強(qiáng)螺栓未開(kāi)展的試驗(yàn)項(xiàng)目，利用后續(xù)檢修等機(jī)會(huì)進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目及比例應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。螺栓已完成安裝的，可對(duì)各批次螺栓備件進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果制定后續(xù)監(jiān)督處理措施。

2.2 到貨驗(yàn)收抽檢不規(guī)范

對(duì)數(shù)量眾多的螺栓科學(xué)地抽取樣品進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)，可有效反映同批次螺栓整體狀態(tài)，同時(shí)也可提高檢測(cè)效率和降低檢測(cè)成本。檢查發(fā)現(xiàn)各風(fēng)電場(chǎng)普遍存在高強(qiáng)螺栓到貨驗(yàn)收抽檢不規(guī)范、部分批次未抽檢問(wèn)題。如某風(fēng)電場(chǎng)共裝配約14 萬(wàn)條高強(qiáng)螺栓，不同位置螺栓共計(jì)分3～9 批次供貨，但只抽檢1～3 批次，且每批次只抽檢2～4 條螺栓，抽檢批次、抽檢數(shù)量嚴(yán)重不足。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，同一性能等級(jí)、材料、爐號(hào)、螺紋規(guī)格、長(zhǎng)度、機(jī)械加工、熱處理工藝、表面處理工藝的螺栓為同一批次，檢驗(yàn)應(yīng)按批次進(jìn)行[6]。不同批次高強(qiáng)螺栓因制造工藝、質(zhì)量控制等因素造成各批次力學(xué)性能等指標(biāo)不同，某一批次檢驗(yàn)結(jié)果不能代表其他批次螺栓性能狀態(tài)。抽檢不規(guī)范，將不能掌握未抽檢批次螺栓的性能狀態(tài)，增加失效風(fēng)險(xiǎn)。

建議對(duì)到貨螺栓按制造廠各批次統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確，建立臺(tái)賬，對(duì)未進(jìn)行試驗(yàn)的各批次螺栓進(jìn)行補(bǔ)充檢驗(yàn)。試驗(yàn)多為有損檢測(cè)，針對(duì)已安裝完成并投運(yùn)的機(jī)組，可對(duì)該批次螺栓備件進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果制定后續(xù)監(jiān)督處理措施。

2.3 部分螺栓力矩標(biāo)識(shí)不規(guī)范

風(fēng)電機(jī)組各位置螺栓因受力環(huán)境等因素不同，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，螺栓預(yù)緊力為2 100～12 000 N·m，各位置螺栓預(yù)緊力差別較大。若預(yù)緊力超過(guò)設(shè)計(jì)要求，將顯著增加螺栓發(fā)生塑性變形甚至被拉斷的風(fēng)險(xiǎn)；若預(yù)緊力過(guò)小，則會(huì)在螺栓連接的兩部件中產(chǎn)生縫隙，使螺栓松動(dòng)，運(yùn)行期間特別是在惡劣工況下，與力矩正常時(shí)相比，螺栓承受應(yīng)力顯著增加，極易造成螺栓斷裂[7-8]。為此，在基建安裝及服役期間，定期檢查螺栓力矩尤為重要。采用力矩扳手等工具可對(duì)力矩狀態(tài)進(jìn)行有效核查[9]，但風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組螺栓眾多，使用力矩扳手存在檢查效率低、檢驗(yàn)勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。為解決該問(wèn)題，可對(duì)螺栓標(biāo)識(shí)力矩線(xiàn)，將顯著減少力矩扳手使用次數(shù)，提高檢查效率?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)塔筒與基礎(chǔ)部分連接螺栓未標(biāo)識(shí)力矩線(xiàn)。未標(biāo)識(shí)力矩線(xiàn)，顯著降低了力矩檢查效率，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的力矩變化及螺栓偏轉(zhuǎn)情況，增加了安全隱患。建議按照設(shè)計(jì)要求對(duì)未標(biāo)線(xiàn)螺栓進(jìn)行力矩檢查，補(bǔ)充標(biāo)識(shí)力矩線(xiàn)。標(biāo)線(xiàn)應(yīng)清晰，歷次檢查的力矩線(xiàn)應(yīng)采用不同顏色分別標(biāo)識(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的目的。

2.4 部分螺栓緊固力矩不符合設(shè)計(jì)要求

現(xiàn)場(chǎng)查看某風(fēng)電機(jī)組安裝及500 h 定期檢修螺栓力矩標(biāo)示線(xiàn)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)塔筒與機(jī)艙連接位置部分螺栓緊固力矩不符合設(shè)計(jì)要求，安裝期間螺栓緊固和安裝不到位，影響整臺(tái)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。建議利用后續(xù)500 h、半年檢等檢修機(jī)會(huì)，對(duì)各位置螺栓安裝質(zhì)量進(jìn)行全面檢查，按各螺栓不同設(shè)計(jì)要求值分別核查力矩，檢查螺栓安裝緊固情況，及時(shí)清除錯(cuò)誤標(biāo)線(xiàn)，規(guī)范力矩標(biāo)識(shí)。

2.5 設(shè)計(jì)圖紙資料不準(zhǔn)確

檢查發(fā)現(xiàn)部分風(fēng)電場(chǎng)高強(qiáng)螺栓設(shè)計(jì)圖紙與機(jī)組已安裝螺栓在規(guī)格、尺寸、數(shù)量等方面不一致。設(shè)計(jì)資料是設(shè)備部件重要的基礎(chǔ)性信息，也為后續(xù)檢修檢驗(yàn)、技術(shù)改造等工作提供有效數(shù)據(jù)支撐。圖紙等重要設(shè)計(jì)資料與實(shí)際安裝設(shè)備不符，將為后續(xù)技術(shù)監(jiān)督、更換螺栓、檢修檢驗(yàn)等造成誤導(dǎo)錯(cuò)判。建議聯(lián)系風(fēng)電機(jī)廠家核實(shí)設(shè)計(jì)資料，保證設(shè)計(jì)資料與采購(gòu)合同、技術(shù)協(xié)議、現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組設(shè)備信息相一致，及時(shí)向業(yè)主單位移交。

2.6 檢測(cè)報(bào)告不規(guī)范且關(guān)鍵信息缺失

查閱第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)出具的到貨驗(yàn)收檢測(cè)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)報(bào)告內(nèi)容中受檢螺栓信息缺少長(zhǎng)度、制造廠批次等必要信息。同一機(jī)組相同公稱(chēng)直徑螺栓存在多種長(zhǎng)度規(guī)格，檢測(cè)報(bào)告中尺寸等重要信息缺失，將不能判斷螺栓是否進(jìn)行了試驗(yàn)分析，檢測(cè)混亂將影響后續(xù)監(jiān)督檢驗(yàn)及失效分析等工作。建議聯(lián)系檢測(cè)單位核實(shí)受檢螺栓信息，完善檢測(cè)報(bào)告[10]。

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)檢查表明，新建機(jī)組高強(qiáng)螺栓存在檢測(cè)項(xiàng)目缺項(xiàng)、部分批次未抽檢、螺栓緊固不到位、力矩標(biāo)識(shí)不規(guī)范、設(shè)計(jì)資料不準(zhǔn)確、檢測(cè)報(bào)告不規(guī)范等共性問(wèn)題。大量新建機(jī)組短期集中安裝投產(chǎn)，上述問(wèn)題普遍存在，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。各新建風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)以上述問(wèn)題為導(dǎo)向，對(duì)全場(chǎng)高強(qiáng)螺栓進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)檢查，根據(jù)暴露出的設(shè)備隱患、管理缺失制定專(zhuān)項(xiàng)處理方案，落實(shí)整改閉環(huán)措施，進(jìn)一步加強(qiáng)高強(qiáng)螺栓金屬技術(shù)監(jiān)督管理工作。