风电螺栓紧固力超声波测量的现状与展望

风电螺栓紧固力超声波测量的现状与展望

蔡强

徐州徐工矿业机械有限公司  221000

摘要：目前，我国的超声波测量法有了很大进展，超声波声时测量法作为一种高精度无损检测技术，被广泛应用于风电螺栓紧固力检测领域。为进一步推动超声波声时测量法的完善发展和工业应用，文中系统性归纳了国内外超声波声时测量法在螺栓紧固力测量方面的研究方法、研究成果及存在问题。针对目前风电螺栓紧固力超声波声时测量法的应用价值和研究现状进行综述，从而保证螺栓轴力满足设计要求，降低螺栓断裂风险，保障风机的安全稳定运行。

关键词：超声波；声时测量法；风电螺栓；紧固力

引言

随着风力发电机组投运时间的增长，机组故障问题日益突出，特别是风机叶片螺栓断裂问题，直接影响到风电机组的安全运行，严重时还会导致风机叶片掉落和风塔倒塌事故的发生。目前国内风电机组大多存在叶片螺栓断裂问题，常规处理办法仅是更换新的叶片螺栓，未进行断裂原因分析，断裂根本原因未查清往往导致新更换螺栓在运行一段时间后再次发生断裂，如此往复，极大影响机组安全稳定运行。本文将从叶片螺栓设计、叶片螺栓质量、叶片螺栓安装等方面进行问题排查，通过理论分析和试验研究，深入探索叶片螺栓断裂原因，给出相关处置建议，力求从根本上解决螺栓断裂难题。

1风机螺栓监控系统的整体结构

研究主要针对风电机组变桨轴承高强度螺栓在复杂载荷作用下螺栓失效在线监测的问题，基于超声波和位移传感器，研究一种适用于风电机组多螺栓位移在线监测的方法和系统。系统通过采集器实时采集螺栓上的超声波位移传感器数据，并将该数据经过算法处理后实现对螺栓预紧力和螺栓横向偏转位移的实时测量，通过设立螺栓预紧力和横向偏转位移的阈值实现对风机螺栓的实时监测，并提供预警和告警。双波法测量原理：双波法采用纵波、横波两种波进行预紧力测量，利用纵波和横波波速对于预紧力的敏感性不同，通过比较和作差，在计算公式中，消除了螺栓长度这一变量。双波法不需要获得每根螺栓的原始长度数据，可以对在役螺栓进行测量。该方法对温度变化不敏感，减少了因温度变化带来的测量误差。并且无需打磨、耦合、贴片，大大减少了螺栓测试的工作量。当线圈中通以高频电流时，试件在集肤深度内感应出同频涡流。涡流在静磁场的作用下，使得铁磁性试件表面质点受到洛伦兹力、磁化力和磁致伸缩力的作用，从而激发超声波。当超声回波返回试件表面时，金属表面由于机械振动而切割磁感线，产生感应电动势和涡流。涡流的交变磁场被线圈拾获，完成超声波的接收。在铁磁性材料中，常规EMAT有三种作用机理：洛伦兹力机理、磁化力机理和磁致伸缩机理。

2电磁超声法研究现状

相对于传统的压电超声技术，电磁超声是一种非接触性测量技术，不需耦合剂便可直接利用电磁耦合方法激励和接收超声波，避免了因耦合剂误差导致的紧固力测量误差，同时拥有更高的测量精度。研究了电磁超声换能器在高温情况下激发纵波检测大型设备，并利用仿真模拟电磁超声换能器的材料、尺寸参数和工作条件进行验证，拓宽了电磁超声换能器在高温条件下的适用范围。电磁超声在工业领域常用于测厚、检测和探伤等方面，近些年开始应用于螺栓的紧固力测量。系统性研究了电磁超声测量技术的原理和方法，并针对电磁超声换能器效率低、信号弱的问题，通过COMSOL仿真分析，优化设计了一种新型换能器。该换能器实现所测误差小于5%，为进一步提高电磁超声测量技术的精度提供了新思路。通过对风电机组的风力涡轮机进行检测，建立了电磁超声换能器激发衍射纵波的模型，并详细分析了材料、距离等对传感器阻抗的影响，证明了换能器能够很好实现对衍射纵波接收，展现了电磁超声在风电机组检测中的潜力。目前电磁超声测量螺栓轴向应力作为一个比较新颖的方向，主要围绕建立换能器和螺栓仿真模型应力测量两个方向开展研究。而仿真模型大都停留在二维模型方面，因此在今后的研究中对于螺纹的影响需要重点考虑。尤其在铁塔地脚螺栓的应力测量中，螺纹对于小尺寸螺栓的影响是不可忽视的。如何建立更优的螺纹仿真模型也是一个重要的研究方向。

3拉线传感器采集螺栓横向偏转位移理论计算

将拉线位移传感器安装在风机变桨轴承和叶片螺栓旁边固定位置，因为风机在工作中处于旋转和变桨状态，螺栓容易松动。因此需要将拉线位移传感器固定在螺栓旁边某个具体位置来实现螺栓横向偏转位移监测。螺栓横向偏转测量是先将拉线位移传感器固定在风机螺栓周围某个固定位置，而拉线位移传感器的拉线需要固定六边螺栓的某个位置。当螺栓发生偏移时拉线位移传感器的拉线跟随移动，通过设计拉线位移传感器采集终端数据，利用相应算法最终测出螺栓的横向偏转距离。

4风场螺栓风险排查

某风电场变桨轴承螺栓存在长期频发断裂情况。经检查，发现螺栓强度等级为10.9，此等级在螺栓完美契合时，强度满足使用要求。根据以往超声相控阵对13台风机变桨轴承与轮毂连接螺栓的检测，螺栓裂纹在螺杆120～160mm处较多（螺纹部分长度86mm，螺杆部分长度154mm，裂纹出现在螺杆与螺纹交接区域），裂纹螺栓主要集中在46～52号螺栓处。现场抽测4台有一定变桨轴承螺栓断裂风险的风机进行超声相控阵检测，发现1～3级风险的机组存在裂纹、低风险机组未发现裂纹。通过检查机组定检报告、定检影像资料等未发现异常情况。初步判断螺栓断裂与风险等级相关。为了查找螺栓产生裂纹的原因，本文选取存在一定风险等级的机组进行螺栓轴力检测。

5综合分析

宏观和微观检查发现断裂螺栓的螺杆局部与法兰存在碰磨和挤压现象，断口分析确定断面裂纹源紧接螺杆表面碰磨位置，金相显微镜观察到螺杆此处的表层晶粒存在塑性流变，且扫描电镜在断面裂纹源区域观察到由于挤压形成的凹坑，说明螺杆受挤压处承受了较大的应力并导致表面损伤。由于叶片在运行过程中，变桨、阵风和风切变等因素使得其连接轮毂的螺栓不断承受交变载荷作用，且疲劳裂纹的萌生对部件表面缺陷非常敏感，导致螺杆在表面碰磨损伤处衍生疲劳裂纹并最终致使螺栓断裂，因此螺杆受到碰磨和挤压导致表面损伤是螺栓断裂的直接原因。扫描电镜观察到螺杆碰磨区域有密集、平行的碰磨条痕，说明连接螺栓有松动现象，在运行中螺栓与连接件之间因此出现相对位移现象并发生碰磨，导致螺杆局部受到碰磨和挤压，使螺栓承受额外弯矩、拉伸和剪切等复杂的交变载荷。

结语

综上所述，超声测量理论和设备日趋成熟，测量精度也不断提高。此系统能满足风机螺栓在复杂环境下的监测和风电场对风机螺栓的实时监测要求，还将对采集的螺栓数据建立模型进行故障预测分析，以提前对风机螺栓预警。对保障人员安全、设备维护维修和管理都具有巨大作用，可以为国家安全、社会发展做出贡献。螺栓轴力检测能够有效排查风机螺栓风险，及时发现离散性超过设计要求的机组。后续，通过整改对超出设计要求的风机螺栓轴力进行整改，预防螺栓裂纹、断裂发生，保障风机安全稳定运行，切实提高风电场整体经济效益。未来测量系统要朝着小型化、智能化、便携化方向发展，实现现场螺栓紧固力的实地实时测量。

参考文献

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