超声螺栓应力测试仪在风电安装中的应用研究

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　　摘  要：风机塔筒作为风力发电机的主要支撑部件，其高强螺栓安装过程常存在紧固不当的现象。采用超声波螺栓应力测试仪对风机塔筒高强螺栓安装情况进行测试研究。通过对测试仪现场实测的风机螺栓安装紧固数据分析，该检测结果数据能够很好的反映出风力发电机塔筒的法兰高强螺栓实际紧固安装的情况，对类似风力发电机设备安装的质量控制具有较好的指导作用，该测试仪在风电设备安装中具有很好的应用前景。
　　关键词：风机塔筒;超声波应力测试;螺栓预紧力
　　中图分类号：TH823         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）14-0060-04
　　Abstract： As the main supporting part of wind turbine， the high-strength bolts of wind turbine tower are often improperly tightened. The ultrasonic bolt stress tester is used to test and study the installation of high-strength bolts in wind power tower. Through the analysis of the installation and fastening data of the fan bolts， the test result data can well reflect the actual tightening and installation of the flange high-strength bolts of the wind turbine tower. It has a good guiding role for the quality control of similar wind turbine equipment installation， and the tester has a good application prospect in the wind power equipment installation.
　　Keywords： wind turbine tower; ultrasonic stress test; bolt preload
　　引言
　　目前，我国的风力发电行业无论是装机总容量，还是装机的新增容量，都保持着较快的增长趋势，在世界其他相关国家也有较快的增长态势。但是，随着风力发电行业的迅猛发展，近些年来，该行业发生了许多风力发电机塔架倾倒的事故现象，部分事故经过有关的分析及鉴定，出现倒塔的原因，一方面除了极端强风天气造成塔筒所受载荷过大的原因外，还有很多大都存在着风电设备安装连接的高强螺栓其强度存在不足的原因、以及在螺栓紧固施工安装的过程中存在不当的现象及实际安装质量不符合安装工艺、质量检测手段满足不了质量要求的问题等。风电设备中的塔筒作为风机主要的高耸支撑部件，如果其存在强度不足，或安装质量存在隐患的问题，一旦损坏，将会对整台机组中其他相关设备的运行产生非常大的安全威胁;此外，如果机组已并网发电，单台机组的事故对地区局部电网也会带来运行安全的影响。本篇文章介绍了采用一种超声波螺栓轴向应力检测设备对新疆某风电场风机塔架安装施工过程中螺栓的安装质量情况进行检测，并对设备的应用进行测试研究。通过对该应力测试仪现场实际检测的数据进行有关分析，该测试数据结果能很好的体现相关风机设备螺栓安装的实际紧固状态，对现场安装质量的控制起到很好的检测意义，对风电设备的安装施工具有较好的指导作用。
　　1 超声波测量螺栓轴向应力原理[1，2]
　　声弹性的相关技术理论为螺栓预紧的轴向力控制检测提供了相关的测试方法。该技术理论是通过对螺栓内部声波的传播速度的测量进而来测量其内部轴向应力。在紧固件的屈服强度内，其长度伸长量与所受的轴向紧固力成一定的線性比例关系，而紧固件内部的轴向应力与其长度的伸长量的比值为特定的常数，即弹性模量，通过声弹性理论知识可知，相关螺栓内部声波的轴向传输速度与其所受的轴向应力有关，从而可得出螺栓所加载的轴向力的载荷。
　　公式（7）表明，螺栓内部超声纵波脉冲轴向传输时间的变化量Δt/t0与其所受的轴向应力成正比例关系。K1仅与螺栓的材料特性相关，通过相关的研究试验测试可得，进而可得出其轴向应力数值。
　　因螺栓在安装紧固时，紧固件仅会在有效紧固长度的范围以内产生轴向应力，其对应的有效紧固长度与其本身的总长度往往是不同的，考虑到该因素的影响，可推导出螺栓轴向应力公式如下：
　　式中K2为紧固件的外形因子系数，与螺栓螺母紧固时的具体位置和螺杆的有关外形尺寸相关，可通过试验测试得到，可参见相关文献资料测量与计算得到常量系数K1和K2的数值。
　　此外，相关测试时声波纵波脉冲传输速度会因被检测物体及外部环境的温度变化而产生一定的偏差。所以在相关测试计算的过程中还需考虑补偿修正温度变化的影响[3]。在具体的实测过程中，为确保测试结果数据的精度，所用检验测试设备应当具有测量温度的功能及其对应的修正补偿功能。
　　2 实测前的试验研究
　　2.1 本项目螺栓轴向应力检测仪介绍
　　本项目测试研究采用BoltMikeⅢ型超声螺栓轴向应力检测仪，该检测设备是美国StressTel公司生产研制的一种螺栓应力检测仪。本设备特点主要有：便携式、使用操作简便、具有自动校正和相关波形的自动显示功能，方便精准且快速的对螺栓轴向应力进行测量，同时其测量结果可以得到螺栓件的紧固程度。在某些重要且关键的设备螺栓紧固安装中具有很好的应用效果，例如：航空航天、民用及军用飞机、卫星设备制造、大型热电锅炉、大中型发电装备、关键的石化设备等。该设备测量结果的精度可以达到±2%，具有很高的测量精度。 　　2.2 风电安装螺栓相关的参数标定[3]
　　选取本项目风电安装工程实际使用的螺栓进行试验研究，并对螺栓参数进行标定。螺栓为M36×522高强螺栓，性能等级为10.9级，材质为42CrMo，表面状态镀锌。则：
　　其中：de为螺栓有效直径、d为螺栓公称直径、P为螺纹螺距;可通过查询标准资料计算得出de，进而得出螺栓有效面积Ae。
　　 按照图1、图2对风电设备连接螺栓的有效长度进行计算，考虑其垫片的厚度为5mm，螺栓的直径尺寸为36mm，塔筒节间法兰连接的上下端面距离为400mm，得到有效长度为439mm（双头螺栓）、433mm（六角头螺栓）。
　　按BoltMikeIII测试仪的生产商Stresstel公司提供的Guide to Ultrasonic Inspection of Fasteners技术文件，可计算得到下列参数：
　　螺栓的屈服强度Y：882.94 MPa
　　材料的弹性模量Eo：206206.90 MPa
　　材料的纵波声速Vo：6047.23m/s
　　螺栓轴向应力系数K：1.1163×10-7m/sPa
　　温度补偿修正系数Cp：7.7×10-5
　　2.3 测试仪探头型号的选用
　　对于紧固螺栓的安装检测，应根据紧固件的种类及型号，结合其长度和直径等因素考虑选择合适直径和探测频率的探头，超声检测探头的晶片直径尺寸一般在6至30mm之间，探头的探测频率一般为1至15MHz范围之间。对于长度较长且直径较大的螺栓，选直径大频率低的探头。考虑本工程风机安装所用的是M36且总长为522mm的螺栓尺寸，选用型号为Φ20/2.5MHz的检测探头。
　　2.4 超声波螺栓应力测试仪试验检测
　　在风电塔筒螺栓安装预紧力现场检验测试之前，先对实际安装的高强螺栓相关参数的计算标定结果的准确性及测试仪相关参数设置、以及设备相关操作规程的有效性、设备检测数据结果的精准性进行相关验证及对比分析。具体对比分析实施方法如下：随机选取安装中采用的三个相同螺栓，先采用实验室经鉴定合格的试验用拉力机对三个试样螺栓进行加载，对螺栓逐个施加若干不等的载荷，同时设置一定的载荷保持时间，在载荷保持时间内，采用预先设置好的测试仪，按照预先制定的检测规程进行相关轴向应力的检测。在检测完成后，对拉力机的加载数据与检测设备的检测数据结果进行分析对比。
　　三组试样螺栓的试验检测记录数据见表1。
　　通过拉力机对螺栓施加已知载荷，对检测仪器的检测结果进行比较，因为风电设备现场安装施工中，螺栓设计预紧力为510kN，根据上述试验测试数据结果表明，在设计预紧力数值范围内，测试仪检测数据误差在2%以内，整体检测数据误差在3%以内，表明上述螺栓参数的标定准确，仪器的参数设置正确，预先制定的相关检测规程合理，在上述条件满足的情况下，该应力测试仪器的检测数据较为准确可靠，能够满足风机现场安装实际的测量要求（如图3）。
　　3 现场安装测试研究
　　风机塔筒安装实际状况：本项目风机共33台，每台风机的塔筒共分上、中、下三节。其中最下节塔筒与基础法兰连接的螺栓共140个，中层塔筒与下层塔筒连接的法兰螺栓为100个，中层与上层塔筒连接的法兰螺栓为84个。根据风机现场安装的实际情况，每台随机选取下层塔筒与基础法兰连接的螺栓60个、中层与下层塔筒连接的法兰螺栓50个、中层与上层塔筒连接的法兰螺栓40个作为检测样本，并对选定的螺栓进行标记，在相关螺栓紧固安装前，采用预先制定的检测规程对螺栓原始状态的相关数据进行采集记录，然后把选取的螺栓均匀分布安装在法兰圆周上，在螺栓安装完成后规定的时间内，对其实际紧固力进行检测记录（如图4）。
　　通过现场的测试数据结果可知，在风机塔筒法兰螺栓安装预紧完成后，实际轴向紧固力较设计张拉力偏低，从检测数据统计得出，下层的螺栓紧固力与设计张拉力相比，偏低约10%，中层与上层紧固力偏低约13%。此外，部分紧固后的螺栓实际预计力不均匀，数值较离散，个别螺栓偏差较大。
　　根据风机法兰螺栓首次安装紧固后的测试结果，对相关设备安装方案进行适当的调整完善，同时安装时，对液压张拉设备的加载数值从510kN增加到590kN，对法兰螺栓进行安装紧固，再次对实际轴向紧固力进行测试。由测试数据可得，调整安装方案后，相关法兰螺栓的实际安装紧固力基本满足设计预紧力的数值要求。
　　在设备安装完毕后，安装单位质检人员采用手持式液压张拉设备对螺栓的坚固安装情况进行抽检，抽检时对螺栓加载的张拉力是设计紧固力的80%，此时，对螺母进行拧动，如果螺栓未发现松动现象，安装坚固合格。由于采用液压拉力器对螺栓安装质量进行检测时，法兰螺栓的紧固结构存在一定的弹性回弹现象，通过测试仪检测发现，部分螺栓的预紧力即使低于80%的设计预紧力，抽检过程中，也没有发现螺母松动的现象。采用BoltMikeIII设备检测时，无需对法兰螺栓施加载荷，且测试的数据结果与螺栓实际所受轴向紧固力更加接近;當螺栓安装后的检测结果与设计值偏差超过规定要求时，对其进行重新紧固，直至达到设计紧固要求。通过测试仪在设备安装及质量抽检过程中的实际应用发现，该设备能较好的控制风电塔筒螺栓的安装质量。
　　4 结束语
　　实际安装测试前，通过拉力机的螺栓的加载与超声波轴向应力检测设备的测试结果分析对比，超声螺栓应力检测设备在螺栓相关轴向紧固力检测方面有很好的准确度及较高的精度。
　　在风机设备实际安装检测过程中，如果螺栓端面存在毛刺等现象，测试前应进行适当打磨清理，最好端面保持一定的平整及光洁，螺栓端头接触面与探头之间的耦合状况，对设备测试数据的准确性存在很大的影响;测试仪探头放置的是否合适，也对数据的准确性有很大的影响。在螺栓零应力状态下，进行相关参数采集及标定的过程中，应尽量保持探头在螺栓端面放置平整，保持探头与端面的耦合状态稳定;当检测数值不稳定或跳动较大时，可适当对探头进行移动或旋转，使采集的相关数值读书稳定。在零应力状态下采集完相关参数后，应对探头测试时的放置位置进行标记，当螺栓安装紧固后，实际检测时，保持前后两次探头的位置基本相同，对测试数据的准确性有很好的保障。此外，前后两次测试时端面与检测探头的耦合效果应尽可能保持一致。测温探头的放置是否合理，也对检测结果的准确性有一定的影响，温度探头应尽量靠近被测螺栓侧面，如果无法实现，应尽可能与螺栓靠近，此外在检测过程中应尽量保持测温探头与被测物体温度接近，如温度采集信息有误或较实际情况偏差较大，对测试数据的准确性有一定的影响[3]。
　　通过对BoltMikeIII设备在风电安装现场的实际测试数据进行分析研究，该设备的测试结果很好的反映了风电设备紧固螺栓实际的安装情况，对风电设备的安装施工有很好的指导作用，对其安装质量的控制起到了很好的效果。
　　参考文献：
　　[1]冉启芳，费星如.超声波方法测量螺栓应力[J].固体力学学报，1982（1）：64-69.
　　[2]杜刚民，李东风，曹树林.螺栓轴向应力超声测量技术[J].无损检测，2006，28（1）：20-25.
　　[3]Stress Tel.Guide to Ultrasonic Inspection of Fasteners[Z].Part No.021-002-175 Rev.B.
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