風力發電機組高強度螺栓卡滯的分析

汪志旭

上海電氣風電集團股份有限公司 上海 200233

1 分析背景

螺栓連接指通過螺栓、墊片及螺母等緊固件把工件連接成為一個整體。螺栓連接較之焊接、鉚接或膠接等連接方式,優點是施工工藝簡單、安裝方便、可拆換,適用于工地安裝、需要裝拆結構和臨時性連接的場合。螺栓從材料上分有普通螺栓和高強度螺栓,高強度螺栓的強度等級在8.8級以上。高強度螺栓在連接中靠摩擦力來傳遞載荷,具有應力集中小、剛性好、應力分布比較均勻、承載力大等優點,目前在鋼結構中被廣泛應用。

高強度螺栓的連接原理如下:在螺栓擰緊時,給螺栓施加很大的預拉力,使連接件之間產生擠壓力,由此在連接件接觸面間有很大的摩擦力,依靠接觸面上產生的摩擦力阻止連接件間的相對滑移,以達到傳遞外力的目的。在施工過程中,保持摩擦因數和扭矩因數的穩定性,以及準確控制螺栓的緊固程度,是保證高強度螺栓安裝質量的關鍵。螺栓超擰,容易引起螺栓斷裂、螺栓或螺母出現裂紋等缺陷。欠擰,會降低節點的抗滑能力,使結構易發生變形。

隨著我國國民經濟發展,風力發電裝機規模達到47 240 MW,保持世界第一,風力發電機組部件之間的連接廣泛采用高強度螺栓連接,如WG5.55-172風力發電機組中,葉片與風輪變槳軸承采用M36_10.9雙頭螺柱連接,變槳軸承與輪轂本體采用M42_10.9螺柱連接,輪轂與主軸采用M48_10.9雙頭螺柱連接,前后機架采用M42_10.9雙頭螺柱連接,偏航齒圈采用M36_10.9雙頭螺柱連接,驅動鏈軸承座與前機架采用M64_10.9雙頭螺柱連接,后機架的本體采用M42_10.9六角頭螺栓連接,變壓器與后機架采用M30_10.9六角頭螺栓連接等。高強度螺栓在風力發電機組部件實際裝配過程中,出現多起雙頭螺柱卡滯現象。螺柱卡滯不嚴重時的處理方法是用雙螺母緊固,銅棒振動螺桿,由加長扳手或大扭矩液壓扳手反向擰松,取出螺桿。嚴重卡滯時,需要采用焊接工藝搭塊或鉆銑床加工等破壞性方式來拆除卡滯的螺桿。針對一些精加工的高碳鋼傳動部件,為避免應力集中,不允許采用補焊螺堵頭等修復措施,只能報廢新購,由此會造成工期延誤和較大經濟損失。為了解決螺栓卡滯現象,保證擰緊力矩,避免返工浪費或經濟損失,筆者分析卡滯產生的原因,提出解決方案和技術要求。

2 高強度螺栓卡滯問題及解決

2.1 卡滯分析

從人、機、料、法、環等五要素分析實際問題。

(1) 人。倉庫備料拆包裝后無防護措施,導致螺桿螺紋互相磕碰。操作員工預裝時采用大力矩電動扳手緊固螺桿,導致螺紋擠傷。技能不熟練,螺桿擰入時未保證垂直。

(2) 機。加工螺紋的機床精度差,螺孔尺寸超差,垂直度差,螺距不合格等。

(3) 料。轉運的料盒保護不到位,運輸顛簸導致螺紋損壞。螺紋孔或螺桿質量不合格。

(4) 法。未規定螺紋孔檢驗方法,如大螺紋因量具昂貴,加工后未采用專用的通止規檢驗。安裝工藝未規定預裝力矩、擰緊工具或緊固順序,導致螺紋預緊固時力矩過大。

(5) 環。存儲環境溫濕度超差,導致螺紋銹蝕,螺牙損壞。環境清潔度差,有鐵屑或金屬顆粒物粉塵,清潔不到位有異物。

螺紋損壞魚骨圖如圖1所示,螺紋損壞末端原因分析如圖2所示。

圖1 螺紋損壞魚骨圖

圖2 螺紋損壞末端原因分析

2.2 要因確認

從人、機、料、法、環等五要素進行要因確認。

(1) 人。倉庫配料員拆除螺栓包裝,在轉運托盤內疊加放置,螺紋接觸面每層之間無防護,存在相互碰擦的現象。

(2) 機。在庫房轉運至裝配線過程中,車輛運輸顛簸振動螺栓相互磨擦,螺紋產生碰傷。

(3) 料。對來料的螺桿或螺紋孔目視檢查,存在加工缺陷,機床加工的刀具磨損未及時更換。螺桿用直線度工裝進行檢驗,長螺桿直線度超差。

(4) 法。螺栓和螺紋孔入庫檢驗時,工廠未配備止通規量具,無定性檢測手段。

(5) 環。環境潮濕,粉塵污染。

要因矩陣確認表見表1。

表1 要因矩陣確認表

2.3 問題解決

從人、機、料、法、環等五要素進行問題解決。

(1) 人。進行緊固件轉運方式培訓,對拆除包裝后緊固件轉運,在轉運托盤底部及螺栓每層之間加墊薄紙板,預防螺栓的磕碰。采用減振運輸車,減少螺紋間的相互碰撞。培訓螺栓裝配技巧,保證安裝力矩和垂直度。

(2) 機。機床加工精度滿足要求,增加相應的刀具配置,刀具磨損及時更換。螺紋底孔滿足要求,加工后螺紋采用規定的止通規檢驗。長螺栓要求增加直線度檢查。針對表面涂層,要增加專用檢測儀進行檢驗。

(3) 料。每批高強度螺栓應具有制造廠提供的質量合格證明。包裝應符合要求,螺栓、螺母、墊圈應屬于同一批號。工程設計統一選用標準件庫中的標準件,能夠保證同系列產品的一致性,減少物料種類。

(4) 法。用止通規檢查螺孔加工質量。若有飛邊、毛刺、棱角等缺陷,采用砂輪機或絲錐清理,并用毛刷或磁吸工具清理干凈孔內鐵屑。若有浮銹,需用鋼絲刷清除干凈。

(5) 環。環境干燥,濕度應小于50%。保證環境清潔,避免粉塵或金屬顆粒物污染。

3 高強度螺栓安裝技術要求

(1) 質量要求。螺栓連接件必須配套使用,螺栓規格不隨便代用。一套高強度螺栓連接副必須使用同一供應商供貨,同一個工作面緊固件必須使用同一供應商供貨。螺栓孔徑和安裝板厚須滿足圖紙要求。高強度螺栓孔徑公差的差異,會使連接節點中各排螺栓的受力差異加劇。連接板厚度公差的差異,使節點中高強度螺栓的受力不均勻性增大。

(2) 緊固順序。高強度螺栓連接一般是成組使用,因螺牙的特殊結構和各螺栓間的相互彈性作用,后擰緊的螺栓對先擰緊螺栓中的預緊力會產生一定的影響,所以,同時緊固最佳,對角緊固和間隔緊固次之,順序緊固最差。螺栓的緊固順序按先中間、后兩邊、對角、順時針方向依次、分階段緊固的原則進行。

(3) 緊固力矩。為了增強螺紋連接的剛性、緊固性,提高防松能力,并防止受橫向載荷螺栓連接的滑動,高強度螺栓在連接裝配時都要預緊。施加預緊力矩時,可用力矩扳手法、螺母轉角法、指示墊圈法、測定螺栓伸長法和螺栓延伸長法來控制預緊力。風力發電機組高強度螺栓連接常采用扭矩法緊固,施工必須先初緊后終緊,初緊高強螺栓需用沖擊型電動扳手或扭矩可調電動扳手。采用分步驟緊固:① 預緊,不論是手動還是小力矩動力工具,預緊扭矩都要求小于最終扭矩的50%;② 緊固螺栓到最終扭矩的75%,允許力矩偏差在±10%;③ 緊固螺栓到最終扭矩的100%,螺栓承受的軸向拉力達到最大允許值為螺栓材料屈服強度的50%～70%。

(4) 緊固標識。為了防止漏緊固,便于維護人員快速識別松動連接處,高強度螺栓緊固后應立即畫標識。標識線應對齊,一筆到位,禁止多次涂改。標識線應盡量做到清晰、粗細均勻、連續。一次緊固在螺栓頭標記一條線,二次緊固多劃一條線標記,形成X形。

4 高強度螺栓安裝檢驗

現場裝配時,主要根據力矩值來檢查安裝是否到位。施工完成后,對高強度螺栓連接副必須進行扭矩檢查。

高強度大六角頭螺栓連接副終擰1 h后、48 h內應進行終擰扭矩檢查。

對于檢査數量,按節點數抽查10%,且不應少于10個。每個被抽查節點按高強度螺栓數抽查10%,且不應少于2個。

在螺尾端頭和螺母相對位置劃線,將螺母退回60°左右,用扭矩電動板手測定擰回至原來位置時的扭矩值。該扭矩值與施工扭矩值的偏差在10%以內為合格。如發現有不符合規定的,應再擴大檢查10%。如仍有不合格者,則整個節點的高強度螺栓應重新擰緊。

對于經檢查合格后的高強度螺栓連接處,要涂防銹漆,避免出現腐蝕。

5 結束語

高強度螺栓連接副是風力發電機組的重要組成部分,正確使用高強度螺栓,合理的緊固順序,適當的緊固力矩,以及安裝后的檢查檢驗方法,都對高強度螺栓的安裝質量有很大的影響。根據實際的施工經驗和方法,編制規范的施工工藝,形成正式受控文件。在施工時,要特別注意對操作員工進行不定期的換崗作業,從而可以發現習慣性與非習慣性的問題。自行檢查、互相檢查及質檢員專檢相結合,降低因高強度螺栓安裝問題帶來的工時或物料損失,避免因高強度螺栓緊固方法不當影響風力發電機組的安裝工期和安全質量。