100多米高的风机塔,因一颗螺栓而折腰?

德国莱茵tuv 100多米高的风机塔,因一颗螺栓而折腰?
2018年6月6日 | 产品安全

      

 

少了一颗钉子,一个马掌丢了。


少了一只马掌,一匹马丢了。


少了一匹马,一位骑士丢了。


少了一位骑士,一场战争丢了。


而这些都是因为少了一颗马掌钉。


——英国民谚

 

2018年全球风电新增装机容量将超过60GW ,并且在未来4年内稳定增长,2020 年全球新增风电装机达到80GW ,年均增速为10%。据MAKE预测,2021年至2026年,平均年新增吊装容量和并网容量将达到27.3GW和28.6GW。

与此同时,风电机组零部件种类众多、数量庞大,涉及专业技术范围广阔,以某直驱型2MW风电机组为例,其一台整机零部件有550余种,6800余件,这些导致了零部件采购和质量控制的高风险。紧固件作为风电机组的基础,在主机、叶片、塔架和减速箱的连接中,与风力发电机组一起承担构件基本功能的各项要求。

近年来,因紧固件失效的质量问题屡屡出现。如某型号风电机组在运行过程倒塌,分析主要原因之一,塔筒与塔架的连接螺栓断裂。在对这些故障进行诊断过程中,不难发现这些紧固件在设计、生产、采购、验收乃至使用环节存在质量失控的问题,必须引起高度重视。基于此,德国莱茵TÜV经过xx年研究,推出紧固件标准2PfG 2565 – 风电结构用的高强螺栓连接副,有助于强化风电机组的质量控制,并提供全方位服务和解决方案。

 

为什么要做对紧固件进行认证?

风电结构的高强度紧固件由于长期野外服役,环境恶劣,维修条件差,为了确保风电整体结构在不同气候条件和交变荷载下长期的安全性和耐久性,风电紧固件的品质和可靠性是至关重要的一个因素。

正常连续工作情况下,风电紧固件要求必须保证15年以上的使用寿命。风电高强度螺栓大部分选择10.9级,少量为8.8级。对于10.9级高强度螺栓,其抗拉强度1250MPa≥ Rm≥1040MPa,断后伸长率A≥9%,断面收缩率Z≥48%,低温冲击强度(-45℃)KV2≥27J。目前,国产紧固件批量使用寿命只有2-3年时间,寿命和可靠性还未真正经受考验。

面对重重难关,必须研发和应用紧固件可靠性设计和制造,以功能强大的设计、检测和试验数据,使风电机组紧固件的寿命和可靠性让客户放心。

按2PfG 2565的标准要求,紧固件的以下性能需要被评估:

• 尺寸

• 表面缺陷

• 磁粉探伤

• 金相组织结构

• 螺栓螺母垫片的物理性能

• 连接副的预紧力和扭矩系数

 

小螺栓如何保持紧固不动?

针对紧固件松动的问题,TÜV莱茵的测试工程师采取了各种积极有效的检测手段,其中“螺栓的-40℃低温冲击”和“连接副的扭矩系数”是检测中经常失败的两项内容,主要原因有以下几个方面:

1. 螺栓原材料的选择,常用的原材料有42CrMo/B7/42CrNiMo;

2. 制造工艺的缺陷,导致测试时螺纹底部应力集中处易断裂;

3. 加工工序倒置(辊制螺纹在热处理之前),导致螺纹压应力不足,预紧力不达标;

4. 热处理温度和时间控制不合理,导致金相组织结构等级不够,影响产品最终性能。

 

温度会影响材料的物理性能,最显著的影响是螺栓材料的热胀冷缩效应,因而它会影响螺栓的松动行为。在−40℃环境条件下,紧固件的剩余紧固轴力与初始预紧力比值最高,数据离散度小,均处于90%以上;在0℃和40℃环境条件下,紧固件的剩余紧固轴力与初始预紧力比值分布较低,且数据离散性较大,其中40℃环境条件下的剩余紧固轴力最低。

试验结果表明,低温环境下的紧固件抗振防松性能明显好于高温环境下的紧固件抗振防松性能。

此外,控制安装预紧力是防止螺纹紧固件松动的经济有效措施之一,这种方法利用螺纹的自锁条件,不需要对螺栓、螺母结构做任何改动,通过保证合适的预紧力来防松。对于安装控制要求特别高的使用场合,采用直接控制的方法,在安装过程中测量预紧力,并加以控制,一般情况下,直接控制安装预紧力需要使用专门的装置或掌握专门的技术,难予推广。为了以经济的方法获得满意的预紧力,更多的采取间接测量和控制预紧力的方法,即扭矩控制法。

扭矩控制法通过扭矩系数将预紧力换算成装配扭矩,使用定扭矩或测扭矩装配机或扳手控制装配扭矩,或利用紧固件自身结构保证拧紧扭矩(如扭剪型螺栓连接副),间接达到控制预紧力的目的。为了达到预期的目的,要求连接副的扭矩系数能预先准确测定,并保证同批零件的扭矩系数离散性不大。如2Pfg 2565标准中明确规定同批连接副的扭矩系数单个值的允许范围为 0.130-0.160。

TÜV莱茵作为欧洲最权威的紧固件认证第三方机构,不仅仅针对客户的产品进行检测认证,更多的是帮助客户在既有生产能力下的产品升级和转型,同时在建筑、汽车、风电和航空航天等领域为客户提供全方位的服务和解决方案。

 

质者信息

陆俊杰

德国莱茵TÜV大中华区工业服务建筑产品部门经理

在建筑产品的测试及认证服务领域拥有10年的行业经验,

金属与紧固件产品业务的负责人