風力發電機組螺栓選用及預緊力控制淺析

□ 何賀松

許昌許繼風電科技有限公司 河南許昌 461000

風力發電機組螺栓選用及預緊力控制淺析

□ 何賀松

許昌許繼風電科技有限公司 河南許昌 461000

從風力發電機組螺栓連接的安全可靠性出發，對螺栓材料的選用、表面處理、預緊方法、安裝要求以及后期維護等方面進行闡述。結合螺栓的實際裝配情況，對螺栓預緊力矩值的確定方法進行了詳細描述，根據螺栓扭矩值的測試結果，對影響螺栓扭矩因數的因素進行了分析，進而提出螺栓安裝的工藝要求和力矩檢查要求，從而保證螺栓預緊力的準確性。

風電機組 預緊力 扭矩系數 高強度螺栓

隨著我國風電行業的迅猛發展，設備的質量問題也隨之突顯，尤其是兆瓦級風電機組出現倒塌、風機墜頭、塔筒攔腰折斷等現象［1］，因此，風力發電機組運行的安全可靠性越來越受到各整機制造廠的重視。螺栓作為風電機組的重要連接件，其安裝的可靠性和預緊力的準確計量直接決定著風力發電機組安全和穩定地運行。隨著大功率兆瓦級風力發電機組的研發，螺栓直徑越來越大，其質量和預緊力的控制愈發重要。螺栓預緊力主要是通過轉角法、扭矩法和軸向液壓拉伸法來獲得，影響螺栓預緊力的因素很多，螺栓的扭矩因數是影響螺栓預緊力最主要的因素，要獲得符合設計要求的螺栓預緊力，需要從各個方面和環節去控制。

1 螺栓材料選擇

風電機組安裝地點環境惡劣，裝配在風電機組中的螺栓經受著空氣中鹽霧的腐蝕以及極端溫差的考驗，還要承受軸向拉伸載荷和風輪旋轉帶來的沖擊載荷以及交變載荷［2］，因此要求螺栓材料要有足夠的強度和一定的韌性。風電機組選用的螺栓一般都是高強度螺栓，對于承受動態載荷的螺栓，只有性能級別達到8.8和10.9級的螺栓才能允許在風電機組的連接上使用［3］。

目前風電行業沒有制定相關的緊固件標準，GB/T 1231-2006鋼結構用高強度大六角頭螺栓也只規定了公稱直徑M30及以下規格的螺栓材料。從各個整機制造廠實際使用來看，在無特殊要求的情況下，風電機組的螺栓材料選用原則見表1［4］。

表1 螺栓制造材料選用牌號

為保證原材料的可控性和一致性，建議螺栓規格M20及以下的采用 20MnTiB鋼，M20以上的采用42CrMoA。GB/T 3098.1-2010中，對低溫沖擊試驗的規定是10.9級螺栓在-20℃條件下的沖擊吸收功Akv2≥27 J［5］，出于對風電機組所處環境和所受交變載荷的考慮，風電行業中要求-40℃條件下的沖擊吸收功Akv2≥27 J。故選42CrMoA作為風電機組大規格螺栓的選用材料。

2 表面處理

常見的螺栓表面處理一般有發黑、電鍍、熱浸鋅和達克羅，風電機組螺栓所選用的表面處理應從影響扭矩系數、防腐性能和導電性等方面來考慮。

發黑處理是金屬常用的一種表面處理手段，它使金屬表面產生一層致密的氧化膜，使金屬基體免受空氣的侵蝕，以達到防腐的目的。在對外觀要求和防腐性能等級要求不高時，可以采用發黑處理。

電鍍是在金屬基體表面鍍上一層金屬膜來提高零件的抗腐蝕性，由于電鍍鋅的防腐性能不佳且存在氫脆現象，所以在風電行業中，僅用于小規格螺栓（M16以下）上，從經濟和環境角度考慮，可以采用電鍍鋅作為螺栓表面的鍍層，其主要使用在電氣安裝處以加強導電作用。

熱浸鋅處理的螺栓具有很好的抗腐蝕性、耐氣候性以及抗鹽霧腐蝕，由于熱浸鋅表面涂層太厚，對于小規格的螺栓，受螺紋螺距和牙高因素的影響，不適宜采用熱浸鋅處理的螺栓。

達克羅是一種新型的表面處理技術，防腐能力較強，抗鹽霧試驗能達到1 200 h基體無紅銹，而且其涂層厚度較薄。達克羅處理對螺栓無氫脆作用，避免了螺栓在受較大載荷下出現氫脆斷裂現象［6］。所以，在無特殊要求情況下，風電機組螺栓選擇達克羅作為螺栓表面處理無疑是最合適的。

根據風電機組安裝環境并結合以上分析，風電機組所用螺栓表面處理所選用的要求如下。

（1）螺栓連接處需要有導電性要求，螺栓表面處理選擇電鍍鋅。

（2）被連接件是不銹鋼材料，螺栓表面處理選擇電鍍鋅或者螺栓使用不銹鋼材料。

（3）除（1）、（2）之外，其余螺栓均應采用達克羅表面處理。

3 預緊方法

風電機組中所用螺栓的預緊方式主要有扭矩法、轉角法、軸向液壓拉伸法3種。無論采用哪種方法對螺栓進行緊固，最終要獲得的是預定的螺栓軸向拉伸力，以使被連接的零部件緊密地貼合在一起。

3.1 扭矩法

目前風電機組螺栓采用的預緊方式主要是扭矩法，通過螺栓軸向力與扭矩的關系，可以計算出螺栓設計軸向力所需要的扭矩，具體公式如下：

式中：M為預緊扭矩，N·m；F為螺栓軸向預緊力，N；D為螺栓螺紋的公稱直徑，mm；K為扭矩因數。

根據EN1090-2中規定，無特殊規定的情況下，螺栓最小軸向預緊力為螺栓材料屈服強度的70%，即［7］：

式中：AS為螺紋應力截面積，mm2；σs為螺栓材料屈服強度，MPa。

從式（1）中可以看出，螺栓規格型號一旦選定，決定扭矩的因素只有扭矩因數K值。影響扭矩因數K值的因素有很多，主要體現在以下幾個方面。

（1）螺栓外螺紋和螺母內螺紋配合的精度。

（2）螺紋加工的精度及粗糙度。

（3）螺栓、螺母及墊圈的表面處理方式。

（4）螺栓擰入機體的材料。

（5）螺紋潤滑劑以及潤滑方式。

（6）螺栓的夾緊距離。

（7）環境溫度。

由于影響扭矩因數K值的因素太多，而且很多因素具有不可控性，在同一施工扭矩下，如果在施工過程中扭矩因數K值過大，則所獲得的預緊軸向力就過小，導致螺栓預緊力不足，就是所謂的欠擰，螺栓就達不到鎖緊的功能，螺栓連接就會產生松動，隨著時間的推移，螺母會慢慢松脫，最終會因為螺栓受疲勞載荷而斷裂；如果K值過小，則螺栓得到的預緊力就會超過螺栓的屈服強度，導致螺栓超擰斷裂［8］。

所以，建議根據試驗的實際數據進行扭矩值的確定，以某2.0 MW風力發電機組結構性螺栓連接為例，說明扭矩值的確定方案。

3.1.1 試驗方案

（1）高度模擬螺栓在風電機組實際裝配中的狀態，利用30 000 N·m電動扭矩軸力試驗機進行扭矩因數的測試。試驗螺母的材料為螺栓旋入零部件機體的材料，螺母高度為機體螺紋孔的深度。螺栓旋入試驗螺母的深度相當于在實際裝配中旋入零件螺紋孔的深度，夾緊距離為螺栓頭底部到零件出現螺紋孔之間的距離。

（2）潤滑方式分為全潤滑和半潤滑兩種，全潤滑為螺栓螺紋部分和墊圈表面分別均勻涂抹潤滑劑；半潤滑為螺栓螺紋部分涂抹潤滑劑，墊圈表面不涂抹潤滑劑。顯然，全潤滑方式潤滑充足，減少了螺栓和墊圈之間的摩擦因數，可以用較小的扭矩獲得較大的螺栓軸向力，而半潤滑方式就需要較大的扭矩才能獲得同等的螺栓軸向力。考慮到液壓扭矩扳手的量程以及在施工過程中由于疏忽將潤滑劑涂抹到墊圈表面，故風電機組高強度螺栓采用全潤滑的方式進行潤滑。

（3）所需測試螺栓螺紋部分涂抹相應的螺紋潤滑劑，把試驗螺母固定，螺栓擰進試驗螺母，調整好夾緊距離，開始試驗，當螺栓伸長量達到規定的螺栓軸向力時，試驗停止。用設備記錄試驗的數據信息。

3.1.2 試驗結果

表2～表4為施加不同潤滑劑的試驗結果，表格中的扭矩因數是8組螺栓測試數據的平均值。

表2 潤滑劑chesterton785的試驗結果

表3 潤滑劑Myloke的試驗結果

表4 潤滑劑可賽新1769的試驗結果

由試驗結果可以看出，使用不同的潤滑劑對扭矩因數的影響很大，且不同的潤滑劑扭矩因數的穩定性不一樣。同種規格螺栓、同種潤滑劑，不同公稱長度對扭矩因數影響也很大，這就要求在制定螺栓施工扭矩的時候要通過試驗來確定，從表1中M30×330和M30×180可以看出，對同規格但公稱長度差別大的螺栓要制定不同的扭矩，如果按照一種扭矩進行施工，造成的結果肯定是要么一個超擰，要么一個欠擰。

所以，選用合適的螺紋潤滑劑是很關鍵的，鋼結構螺栓連接同批連接副的扭矩因數平均值是0.11～0.15，標準偏差小于0.01［9］；而風電行業內塔筒螺栓連接副的扭矩因數為0.08～0.12，標準偏差小于0.01。并不是扭矩因數越小越好，扭矩因數越小，它的敏感性就愈大，稍有不慎就會造成螺栓軸力浮動過大。對于風電機組安裝螺栓，M30以上的選擇潤滑因數較小的潤滑劑，M30及以下的選用潤滑因數偏大一點的潤滑劑。

3.2 轉角法

通過測定螺母的旋轉角度來控制螺栓的軸向拉力，從而將螺栓預緊力控制在允許范圍內。

3.3 液壓拉伸法

通過拉伸螺栓可達到預緊螺栓的目的，液壓拉伸器的壓力與要求的預拉伸力要對應，直接將螺栓拉伸到規定的預緊力。此種方法對預緊力的控制較為準確，但是受到安裝位置和空間的限制，風力發電機組只能在部分連接處使用液壓拉伸法進行預緊。

4 安裝及檢驗要求

在確定完螺栓預緊扭矩之后，如何保證在施工過程中達到設計的預緊力是至關重要的。

4.1 基本要求

螺栓裝配前，仔細檢查所有螺栓及相關緊固件是否有機械損傷，確保物料完好無損，必須清除表面的污染物以及臨時性防腐保護涂層。

確保被連接零部件的質量合格，與螺栓接觸的表面清潔、平整，被連接的零部件之間表面應盡可能平行。

裝配前螺母應可以用手在相應的螺栓上轉動，如需要用工具才能轉動螺母，則使用工具轉動后應可以用手轉動。無論采用哪種預緊方式，預緊前都需要用手擰緊。

如無特殊要求，對于同一個連接，必須使用同樣性能等級的螺栓和螺母（10.9級螺栓使用10級螺母，8.8級螺栓使用8級螺母），墊圈的硬度等級必須和螺栓的性能等級對應 （10.9級螺栓使用300 HV墊圈，8.8級螺栓使用200 HV墊圈）。

當使用規格大于等于M16的緊固件裝配時，應使用同一家制造商制造的螺栓、螺母和墊圈，且螺栓、螺母和墊圈具有相同的防腐保護。

螺栓連接組件中的螺栓頭在預緊后伸出螺母的長度最少應為一個完整的螺距［10］。

4.2 工具要求

只能使用經過檢定和貼有檢定標簽并在有效期之內的工具進行螺栓的預緊，定期依照制造商的使用說明檢查各個工具的精度。同時，必須遵守工具制造商的相關操作維護說明。

預緊過程中，工具支撐位置應符合相應規定，且工具必須中心定位，以防止螺栓等緊固件損壞。

工具必須滿足精度公差：預置式扭力扳手的精度公差為±4%；液壓轉矩扳手的精度公差為±4%；液壓拉伸器的精度公差為±4%。

4.3 擰緊順序要求

如果螺栓連接中有多于3個螺栓排列成行，必須在中間連接處預緊，然后向外。在螺栓布置成環形排列時，必須按如圖1（以16個螺栓為例說明）所示的順序依次預緊。

在某種情況下，預緊力矩較大或被連接件之間的間隔較大時（為消除兩個連接部件間的縫隙），需要預緊幾次，以防止螺栓之間和被連接件的受力不均衡。

4.4 力矩檢驗

螺栓的力矩檢驗應在終擰后24 h內進行［11］，檢驗過程需遵循“先預緊、先檢驗”的原則，按照螺栓預緊的先后順序進行力矩檢驗。

用額定力矩至少隨機抽檢20%的螺栓。如果零部件連接螺栓少于20個，至少要檢查4個螺栓；如果零部件連接處少于4個螺栓，則檢查連接處全部螺栓。

螺栓的力矩檢驗采用扭矩轉角法進行判定，根據測得的轉動角度判斷螺栓的預緊情況，具體如下。（1）如果轉角＜30°，預緊力充分，螺栓預緊合格。（2）如果轉角為30°～60°，預緊力在允許的范圍之內，檢測連接中的兩個其它鄰近的螺栓。

（3）如果轉角＞60°，預緊力不充分，須更換檢測。

▲圖1 一個圓周連接點上的螺栓預緊順序

5 結束語

風電機組螺栓連接的質量和預緊力雖然在各個環節能進行控制，但其不可控因素依然存在，由于溫度對扭矩因數也有一定的影響，而扭矩測定是在室溫條件下進行，加之在實際涂抹潤滑劑過程中每個操作人員涂抹的均勻度不一，導致螺栓預緊力只能控制在一定的范圍內，而不能獲得設計所要求的軸向拉伸力。所以風力發電機組在螺栓裝配時，一定要按照要求的施工扭矩和方式執行，只有這樣才能保證螺栓連接的可靠和風機的安全運行。

［1］風機倒塌原因探討 ［EB/OL］.http：//www.cnwpem.com/web. php？wid=22&cid=9220&page=0，2011-04-25.

［2］張先鳴.風電緊固件工藝和技術期待 ［J］.裝備材料，2011（2）：56-59.

［3］Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH.GL-Wind 2010，Guideline for the Certification of Wind Turbine［S］. Germany：Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH，2010：13-14.

［4］鐘盛鋼，張先鳴.風電用與鋼結構用高強度緊固件的差異［J］.金屬制品，2009，35（6）：62-65.

［5］GB/T 3098.1-2010.緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱［S］.北京：中國標準出版社，2011.

［6］張偉明.達克羅-當今世界表面處理的高新技術［J］.材料保護，1995（8）.

［7］Execution of Steel Structures and Aluminium Structures-Part 2：Technical Requirements for Steel Structures［S］；German Version EN 1090-2：2008+A1：2011.

［8］沈家驊，劉憲成.我國高強度螺栓連接的現狀與發展方向［J］.鋼結構，1999，14（3）：53-54.

［9］GB/T 1231-2006，鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角頭螺母、墊圈技術條件［S］.北京：中國標準出版社，2006.

［10］DIN18800-7-2008.Steel Structures-Part 7：Execution and Constructor's Qualification ［S］.German：Standardization Institute.

［11］JGJ 82-2011，鋼結構高強度螺栓連接技術規程［S］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

（編輯 丁 罡）

國資委將建央企創新投資基金

2014年12月22日，國務院國資委在京召開中央企業、地方國資委負責人會議。會上，國務院國資委主任張毅表示，將圍繞新一批國家重大科技專項，進一步加大研發技改投入，打造“制造強國”戰略，探索建立央企創新投資基金。

張毅表示，央企要把實施創新驅動發展戰略放在更加突出的位置，在高端裝備、信息網絡、集成電路、新能源汽車、新材料、航空發動機及燃氣能機“兩機”等重點領域，突破和掌握一批關鍵技術。他還提出，要推動建立重大技術裝備首臺套保險補償機制，增強自主知識產權的創造、應用、管理與保護能力。

張毅強調，央企要實施資本與技術雙輪驅動戰略，多方式籌集創新資本，探索建立央企創新投資基金，積極利用政府引導基金、風險投資基金和私募股權基金，加快科技成果的產業化和商業化。這是以央企為整體的創新投資基金概念首次提出，且資金來源趨于多元化。

會議披露的數據顯示，2014年國資企業平穩發展，前11個月，全國國資委系統監管企業實現營業收入39.8萬億元，同比增長4.5%；實現利潤1.95萬億元，同比增長5.2%；企業實現增加值8.1萬億元，同比增長6.9%；上交稅金2.8萬億元，同比增長4.8%。《財富》雜志世界500強中，也有47家中央企業和21家地方國資委監管企業上榜。

針對社會關注的國企深化改革議題，張毅表示，在推進改革中，要注重把該企業行使的權力都放給企業，把不該企業負擔的包袱都卸下來，切實增強企業作為獨立市場主體的活力和競爭力。

他承諾，國務院國資委要“帶頭自我改革、自我革命”，以壯士斷腕的決心，改革完善國有資產監管體制。“國資委監管工作的改革不應是動其皮毛的修修補補，而必須是動其筋骨的大刀闊斧，有些方面甚至要脫胎換骨”。各級國資委都要以聚焦監管內容、調整監管方式、提高監管效能為重點，建立權力清單、責任清單、負面清單，授權一批，下放一批，收縮一批，移交一批，把該放的堅決放到位，把該給的堅決給到位，同時對該管的也要管到位。

（孫郁瑤）

TH122；TK83

A

1000-4998（2015）02-0048-04

2014年8月