風電機組用高強度緊固件扭矩系數的實測分析

文 | 趙少偉，王洪波，袁堅，盧晟，楊少華

風電機組用高強度緊固件扭矩系數的實測分析

文 | 趙少偉，王洪波，袁堅，盧晟，楊少華

高強度緊固件作為風電機組結構連接的關鍵部件，其連接的可靠性直接關系到風電機組的運行安全。扭矩法作為高強度緊固件裝配的關鍵工藝方法，其利用扭矩值與預緊力的線性關系，通過直接控制扭矩值來實現螺栓預緊，操作方法簡單、應用廣泛。但是，由于緊固扭矩的90%左右被螺紋和支撐面的摩擦扭矩所消耗，因此，離散度大，擰緊系數一般在1.4－3之間。其中，扭矩系數K是直接反映螺栓擰緊過程中的扭矩與軸力之間的系數，其離散度直接影響擰緊效果。

風電機組用高強度緊固件的扭矩系數評價標準是根據GB/T1231-2006《鋼結構用高強度大六角螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件》的要求，按批抽取8套，8套的平均扭矩系數及標準偏差符合規定范圍。按照國內使用MoS2情況，如果螺栓表面及墊圈的作用面上都均勻地涂上MoS2，扭矩系數的實測值范圍一般在0.080－0.13，標準偏差≤0.010。一般地，各主機廠的標準偏差值≤0.010，平均扭矩系數是根據不同的緊固工藝設定的。

但在施工過程中，扭矩系數K受到諸如緊固件表面涂層、潤滑劑型號、涂抹方式、連接結構、緊固次數等不同施工工藝的影響，因此，為了精確控制扭矩系數及評價各影響因素，本文采用試驗設計以模擬并試驗測量不同施工工藝對扭矩系數的影響，為風電緊固件扭矩系數設定提供參考。

本文所述試驗是采用CSZ-1500AS高強螺栓扭矩系數試驗機，該機采取伺服電機驅動，精密行星傳動，PC閉環控制，通過高精度力值、扭矩傳感器和旋轉編碼器等測得螺栓軸力、扭矩以及轉角，可自動采集、記錄、處理試驗數據，實時顯示試驗曲線。試驗用緊固件性能等級均為10.9級，表面達克羅處理。

不同的涂抹方式對扭矩系數的影響

目前，風電用高強度緊固件的涂抹方式有全涂抹和半涂抹兩種方式。半涂抹是指潤滑劑攪拌均勻后，用刷子僅在螺紋部位均勻涂抹潤滑劑；全涂抹是指潤滑劑攪拌均勻后，用刷子在螺紋部位及墊片支撐面均勻涂抹潤滑劑。如圖1所示。

因此，本試驗對比了相同批次緊固件、不同涂抹方式對扭矩系數的影響。M20、M30、M36雙頭螺柱、六角頭螺栓分別采用全涂抹、半涂抹方式檢測，試驗結果見表1。

圖1 涂抹方式示意圖

表1 全涂抹/半涂抹方式的實測值

由上述3組對比試驗結果可知，采用半涂抹方式測得的扭矩系數、標準偏差較全涂抹方式均偏大，且有2組標準偏差超差。可見，全涂抹方式更利于扭矩系數的穩定，因此，采用力矩法緊固時，推薦使用全涂抹方式，以利于保證螺栓組預緊力的較低離散度。

不同的潤滑劑對扭矩系數的影響

潤滑劑是在螺栓裝配中應用到螺紋或其他接觸面的化學品。潤滑劑不僅僅在螺栓安裝過程中起到潤滑作用，在螺栓的裝配、使用和拆卸過程中都起到重要的作用。目前，風電行業用潤滑劑主要品牌有MOLYKOTE G-Rapid Plus、ANTI SEIZE PASTE、785EN、MoS2等，種類繁多。為了驗證潤滑劑的影響，結合生產實際，采用相同批次的緊固件、全涂抹方式對MOLYKOTE G-Rapid Plus（簡稱MLK）、785EN兩種潤滑劑進行實測分析，施擰兩次的試驗結果如下：

從平均扭矩系數來看，785EN較MLK的平均扭矩系數偏大，且785EN對緊固次數較敏感，多次緊固影響較大。從標準偏差來看，兩種潤滑劑采用全涂抹均能滿足標準偏差≤0.01的要求；從Kmax/Kmin來看，MLK潤滑劑的比值較785EN偏大，其主要原因是由于785EN較MLK的平均扭矩系數偏大，在相同浮動范圍或標準差時，其表現出相對變化量較小。可見，使用不同的潤滑劑對扭矩系數存在明顯的差異性，因此，選擇或更換潤滑劑應充分考慮對K值的影響。

潤滑劑攪拌不均勻對扭矩系數的影響

為評價因施工不規范造成的扭矩系數影響，特將潤滑脂攪拌不均勻模擬施工情景。因罐裝潤滑脂長時間存放，出現油、脂分離的現象，如直接打開、未經均勻攪拌就使用，測試結果如表3所示。

由試驗數據可知，785EN潤滑脂攪拌不均勻雖使得扭矩系數略小，且離散度較大，但滿足扭矩系數要求。但是，為降低扭矩系數離散度，仍要求攪拌均勻后涂抹。

不同連接結構對扭矩系數的影響

風電機組高強度螺栓連接結構形式主要有3種（圖2）：螺釘連接a（由螺栓、墊片、機體內螺紋組成）、螺栓連接b（由螺栓、墊片、螺母組成）、螺柱連接c（由螺柱、墊片、機體內螺紋組成）。根據施擰部位的不同，可將力矩法緊固方式分為螺母側或螺栓頭側緊固兩種。擰緊力矩主要消耗在旋轉支撐面摩擦、螺紋摩擦、預緊力處，因此，對于螺栓連接b和螺柱連接c采用擰緊螺母側緊固法時，可認為其扭矩系數的影響因素相同，均是支撐面（螺母與墊片）、螺紋摩擦、預緊力。因此，將風電機組常用的三種結構簡化成螺釘連接a和螺栓連接c兩組連接方式，進行擰緊系數對比試驗，結果見表4。

表2 MLK與785EN潤滑劑的實測值

表3 潤滑劑攪拌不均勻的實測值

通過試驗對比分析，不同連接結構存在差異，采用螺釘連接結構a較螺栓連接b、螺柱連接c的扭矩系數偏大且離散。半涂抹方式時，還存在標準偏差超差現象。因螺釘連接是螺栓與機體內螺紋連接，在材料上、加工工藝上二者均存在差異，同時，因在模擬機體內螺紋時需要從風電機組其他部件處取材加工成機體螺母，很難及時有效地對螺栓與機體內螺紋進行配套的扭矩系數檢測，因此，筆者認為，采用螺栓連接、螺柱連接的標準件連接結構更利于扭矩系數的控制。

圖2 螺栓連接常見結構圖

不同墊片類型對扭矩系數的影響

風電機組用墊片存在高強度平墊片（DIN6916）與Moser墊片兩種類型，在成本上后者是前者的7倍，因此，為降低成本，評估高強度平墊片與Moser墊片可替代性，即采用相同的緊固件對比不同涂抹方式下的扭矩系數差異性。

由表5可知，高強度平墊圈較Moser墊圈在其他條件一致的情況下，扭矩系數范圍、標準差等指標參數基本一致，并在全涂抹方式時其扭矩系數表現較好。

不同緊固次數與重復使用對扭矩系數的影響

根據《JG/T5057.4建筑機械與設備高強度緊固件技術條件》，高強度螺栓可重復使用一次。因此，本試驗采用相同的緊固件重復施擰。即完成8套試驗后重新涂抹潤滑劑后，在相同條件下重復施擰。試驗結果見表6、圖3。

由試驗數據可得，扭矩系數均隨著緊固次數增加而變大。平均扭矩系數對比，第2次緊固較第1次增加約14.4%，增幅明顯；第3次較第2次增加約4.6%，增幅略低。因此，在實際施工中，對于高強度緊固件重復使用時，需適當調整扭矩系數。

表4 螺柱連接與螺釘連接的實測值

表5 不同墊片扭矩系數實測值

表6 扭矩系數與緊固次數實測值

圖3 扭矩系數隨緊固次數變化圖

緊固工具精度與扭矩系數設定關系

根據緊固扭矩T與預緊力F、扭矩系數K的經驗公式：

可知，在緊固件規格一定時，為了獲得規定范圍內的預緊力F，需控制緊固扭矩T和扭矩系數關系。

根據GB/T16823.2-1997《螺紋緊固件緊固通則》，考慮緊固工具實施緊固的終止點、緊固扭矩的離散度（±m%，其中m為絕對值）等因素，最大扭矩系數（Kmax）和最小扭矩系數（Kmin）比值應滿足的條件，如下：

通常，采用液壓扳手緊固M30以上緊固件，其精度為±3%，即輸出的緊固扭矩離散度為±3%，因此，m取值為3。

Q為擰緊系數，根據VDI2230標準，液壓扳手緊固的擰緊系數范圍為1.4－1.6，如取1.4，代入上式計算，可得，

因此，在扭矩系數范圍設定時，應結合施工工具的精度與設計要求的螺栓組擰緊系數，校核Kmax/Kmin，使其滿足要求。

通過對試驗數據分析發現，如僅采用平均扭矩系數和標準偏差兩個參數作為評價標準，有出現Kmax/Kmin超限的可能。以某批次塔筒螺栓M42*225的扭矩系數為例，其平均扭矩系數為0.094，滿足0.08－0.1的要求，但最大/最小扭矩系數偏差為1.358－1.318，螺栓組緊固時將會出現部分螺栓預緊力超差。

因此，筆者認為，扭矩系數范圍不應是扭矩系數平均值的范圍，而是要求批次抽樣的8套連接副扭矩系數均要保證在要求的扭矩系數范圍內，且扭矩系數范圍的設定應考慮最大/最小扭矩系數比值。

結語

風電機組用高強度緊固件扭矩系數因不同的涂抹方式、潤滑劑、連接結構、緊固次數等施工工況而出現較大變化。精確控制扭矩系數并對其測量指標（平均扭矩系數、標準偏差、最大/最小扭矩系數比值）有效評價，是獲得穩定可靠預緊力的關鍵。本文通過對試驗數據分析對比，可以得出以下結論：

（1）全涂抹方式可有效控制標準偏差在0.01范圍內；

（2）不同的潤滑劑對扭矩系數影響較大，選型使用時，需充分驗證；

（3）施工過程要注意潤滑劑涂抹均勻；

（4）扭矩系數受緊固次數影響較大，如重復使用，需復核扭矩系數；

（5）在連接結構上，優選螺栓連接或螺柱連接方式，更有利于控制扭矩系數；

（6）在扭矩系數設定時，考慮緊固工具的精度，將Kmax/Kmin作為扭矩系數評價指標之一。

（作者單位：中車株洲電力機車研究所有限公司）