超聲螺栓應力測試儀在風電安裝中的應用研究

安孟德　張少飛　李旭

摘? 要：風機塔筒作為風力發電機的主要支撐部件，其高強螺栓安裝過程常存在緊固不當的現象。采用超聲波螺栓應力測試儀對風機塔筒高強螺栓安裝情況進行測試研究。通過對測試儀現場實測的風機螺栓安裝緊固數據分析，該檢測結果數據能夠很好的反映出風力發電機塔筒的法蘭高強螺栓實際緊固安裝的情況，對類似風力發電機設備安裝的質量控制具有較好的指導作用，該測試儀在風電設備安裝中具有很好的應用前景。

關鍵詞：風機塔筒;超聲波應力測試;螺栓預緊力

中圖分類號：TH823? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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，我國的風力發電行業無論是裝機總容量，還是裝機的新增容量，都保持著較快的增長趨勢，在世界其他相關國家也有較快的增長態勢。但是，隨著風力發電行業的迅猛發展，近些年來，該行業發生了許多風力發電機塔架傾倒的事故現象，部分事故經過有關的分析及鑒定，出現倒塔的原因，一方面除了極端強風天氣造成塔筒所受載荷過大的原因外，還有很多大都存在著風電設備安裝連接的高強螺栓其強度存在不足的原因、以及在螺栓緊固施工安裝的過程中存在不當的現象及實際安裝質量不符合安裝工藝、質量檢測手段滿足不了質量要求的問題等。風電設備中的塔筒作為風機主要的高聳支撐部件，如果其存在強度不足，或安裝質量存在隱患的問題，一旦損壞，將會對整臺機組中其他相關設備的運行產生非常大的安全威脅;此外，如果機組已并網發電，單臺機組的事故對地區局部電網也會帶來運行安全的影響。本篇文章介紹了采用一種超聲波螺栓軸向應力檢測設備對新疆某風電場風機塔架安裝施工過程中螺栓的安裝質量情況進行檢測，并對設備的應用進行測試研究。通過對該應力測試儀現場實際檢測的數據進行有關分析，該測試數據結果能很好的體現相關風機設備螺栓安裝的實際緊固狀態，對現場安裝質量的控制起到很好的檢測意義，對風電設備的安裝施工具有較好的指導作用。

1 超聲波測量螺栓軸向應力原理[1，2]

聲彈性的相關技術理論為螺栓預緊的軸向力控制檢測提供了相關的測試方法。該技術理論是通過對螺栓內部聲波的傳播速度的測量進而來測量其內部軸向應力。在緊固件的屈服強度內，其長度伸長量與所受的軸向緊固力成一定的線性比例關系，而緊固件內部的軸向應力與其長度的伸長量的比值為特定的常數，即彈性模量，通過聲彈性理論知識可知，相關螺栓內部聲波的軸向傳輸速度與其所受的軸向應力有關，從而可得出螺栓所加載的軸向力的載荷。

公式（7）表明，螺栓內部超聲縱波脈沖軸向傳輸時間的變化量Δt/t0與其所受的軸向應力成正比例關系。K1僅與螺栓的材料特性相關，通過相關的研究試驗測試可得，進而可得出其軸向應力數值。

因螺栓在安裝緊固時，緊固件僅會在有效緊固長度的范圍以內產生軸向應力，其對應的有效緊固長度與其本身的總長度往往是不同的，考慮到該因素的影響，可推導出螺栓軸向應力公式如下：

式中K2為緊固件的外形因子系數，與螺栓螺母緊固時的具體位置和螺桿的有關外形尺寸相關，可通過試驗測試得到，可參見相關文獻資料測量與計算得到常量系數K1和K2的數值。

此外，相關測試時聲波縱波脈沖傳輸速度會因被檢測物體及外部環境的溫度變化而產生一定的偏差。所以在相關測試計算的過程中還需考慮補償修正溫度變化的影響[3]。在具體的實測過程中，為確保測試結果數據的精度，所用檢驗測試設備應當具有測量溫度的功能及其對應的修正補償功能。

2 實測前的試驗研究

2.1 本項目螺栓軸向應力檢測儀介紹

本項目測試研究采用BoltMikeⅢ型超聲螺栓軸向應力檢測儀，該檢測設備是美國StressTel公司生產研制的一種螺栓應力檢測儀。本設備特點主要有：便攜式、使用操作簡便、具有自動校正和相關波形的自動顯示功能，方便精準且快速的對螺栓軸向應力進行測量，同時其測量結果可以得到螺栓件的緊固程度。在某些重要且關鍵的設備螺栓緊固安裝中具有很好的應用效果，例如：航空航天、民用及軍用飛機、衛星設備制造、大型熱電鍋爐、大中型發電裝備、關鍵的石化設備等。該設備測量結果的精度可以達到±2%，具有很高的測量精度。

2.2 風電安裝螺栓相關的參數標定[3]

選取本項目風電安裝工程實際使用的螺栓進行試驗研究，并對螺栓參數進行標定。螺栓為M36×522高強螺栓，性能等級為10.9級，材質為42CrMo，表面狀態鍍鋅。則：

其中：de為螺栓有效直徑、d為螺栓公稱直徑、P為螺紋螺距;可通過查詢標準資料計算得出de，進而得出螺栓有效面積Ae。

按照圖1、圖2對風電設備連接螺栓的有效長度進行計算，考慮其墊片的厚度為5mm，螺栓的直徑尺寸為36mm，塔筒節間法蘭連接的上下端面距離為400mm，得到有效長度為439mm（雙頭螺栓）、433mm（六角頭螺栓）。

按BoltMikeIII測試儀的生產商Stresstel公司提供的Guide to Ultrasonic Inspection of Fasteners技術文件，可計算得到下列參數：

螺栓的屈服強度Y：882.94 MPa

材料的彈性模量Eo：206206.90 MPa

材料的縱波聲速Vo：6047.23m/s

螺栓軸向應力系數K：1.1163×10-7m/sPa

溫度補償修正系數Cp：7.7×10-5

2.3 測試儀探頭型號的選用

對于緊固螺栓的安裝檢測，應根據緊固件的種類及型號，結合其長度和直徑等因素考慮選擇合適直徑和探測頻率的探頭，超聲檢測探頭的晶片直徑尺寸一般在6至30mm之間，探頭的探測頻率一般為1至15MHz范圍之間。對于長度較長且直徑較大的螺栓，選直徑大頻率低的探頭。考慮本工程風機安裝所用的是M36且總長為522mm的螺栓尺寸，選用型號為Φ20/2.5MHz的檢測探頭。

2.4 超聲波螺栓應力測試儀試驗檢測

在風電塔筒螺栓安裝預緊力現場檢驗測試之前，先對實際安裝的高強螺栓相關參數的計算標定結果的準確性及測試儀相關參數設置、以及設備相關操作規程的有效性、設備檢測數據結果的精準性進行相關驗證及對比分析。具體對比分析實施方法如下：隨機選取安裝中采用的三個相同螺栓，先采用實驗室經鑒定合格的試驗用拉力機對三個試樣螺栓進行加載，對螺栓逐個施加若干不等的載荷，同時設置一定的載荷保持時間，在載荷保持時間內，采用預先設置好的測試儀，按照預先制定的檢測規程進行相關軸向應力的檢測。在檢測完成后，對拉力機的加載數據與檢測設備的檢測數據結果進行分析對比。

三組試樣螺栓的試驗檢測記錄數據見表1。

通過拉力機對螺栓施加已知載荷，對檢測儀器的檢測結果進行比較，因為風電設備現場安裝施工中，螺栓設計預緊力為510kN，根據上述試驗測試數據結果表明，在設計預緊力數值范圍內，測試儀檢測數據誤差在2%以內，整體檢測數據誤差在3%以內，表明上述螺栓參數的標定準確，儀器的參數設置正確，預先制定的相關檢測規程合理，在上述條件滿足的情況下，該應力測試儀器的檢測數據較為準確可靠，能夠滿足風機現場安裝實際的測量要求（如圖3）。

3 現場安裝測試研究

風機塔筒安裝實際狀況：本項目風機共33臺，每臺風機的塔筒共分上、中、下三節。其中最下節塔筒與基礎法蘭連接的螺栓共140個，中層塔筒與下層塔筒連接的法蘭螺栓為100個，中層與上層塔筒連接的法蘭螺栓為84個。根據風機現場安裝的實際情況，每臺隨機選取下層塔筒與基礎法蘭連接的螺栓60個、中層與下層塔筒連接的法蘭螺栓50個、中層與上層塔筒連接的法蘭螺栓40個作為檢測樣本，并對選定的螺栓進行標記，在相關螺栓緊固安裝前，采用預先制定的檢測規程對螺栓原始狀態的相關數據進行采集記錄，然后把選取的螺栓均勻分布安裝在法蘭圓周上，在螺栓安裝完成后規定的時間內，對其實際緊固力進行檢測記錄（如圖4）。

通過現場的測試數據結果可知，在風機塔筒法蘭螺栓安裝預緊完成后，實際軸向緊固力較設計張拉力偏低，從檢測數據統計得出，下層的螺栓緊固力與設計張拉力相比，偏低約10%，中層與上層緊固力偏低約13%。此外，部分緊固后的螺栓實際預計力不均勻，數值較離散，個別螺栓偏差較大。

根據風機法蘭螺栓首次安裝緊固后的測試結果，對相關設備安裝方案進行適當的調整完善，同時安裝時，對液壓張拉設備的加載數值從510kN增加到590kN，對法蘭螺栓進行安裝緊固，再次對實際軸向緊固力進行測試。由測試數據可得，調整安裝方案后，相關法蘭螺栓的實際安裝緊固力基本滿足設計預緊力的數值要求。

在設備安裝完畢后，安裝單位質檢人員采用手持式液壓張拉設備對螺栓的堅固安裝情況進行抽檢，抽檢時對螺栓加載的張拉力是設計緊固力的80%，此時，對螺母進行擰動，如果螺栓未發現松動現象，安裝堅固合格。由于采用液壓拉力器對螺栓安裝質量進行檢測時，法蘭螺栓的緊固結構存在一定的彈性回彈現象，通過測試儀檢測發現，部分螺栓的預緊力即使低于80%的設計預緊力，抽檢過程中，也沒有發現螺母松動的現象。采用BoltMikeIII設備檢測時，無需對法蘭螺栓施加載荷，且測試的數據結果與螺栓實際所受軸向緊固力更加接近;當螺栓安裝后的檢測結果與設計值偏差超過規定要求時，對其進行重新緊固，直至達到設計緊固要求。通過測試儀在設備安裝及質量抽檢過程中的實際應用發現，該設備能較好的控制風電塔筒螺栓的安裝質量。

4 結束語

實際安裝測試前，通過拉力機的螺栓的加載與超聲波軸向應力檢測設備的測試結果分析對比，超聲螺栓應力檢測設備在螺栓相關軸向緊固力檢測方面有很好的準確度及較高的精度。

在風機設備實際安裝檢測過程中，如果螺栓端面存在毛刺等現象，測試前應進行適當打磨清理，最好端面保持一定的平整及光潔，螺栓端頭接觸面與探頭之間的耦合狀況，對設備測試數據的準確性存在很大的影響;測試儀探頭放置的是否合適，也對數據的準確性有很大的影響。在螺栓零應力狀態下，進行相關參數采集及標定的過程中，應盡量保持探頭在螺栓端面放置平整，保持探頭與端面的耦合狀態穩定;當檢測數值不穩定或跳動較大時，可適當對探頭進行移動或旋轉，使采集的相關數值讀書穩定。在零應力狀態下采集完相關參數后，應對探頭測試時的放置位置進行標記，當螺栓安裝緊固后，實際檢測時，保持前后兩次探頭的位置基本相同，對測試數據的準確性有很好的保障。此外，前后兩次測試時端面與檢測探頭的耦合效果應盡可能保持一致。測溫探頭的放置是否合理，也對檢測結果的準確性有一定的影響，溫度探頭應盡量靠近被測螺栓側面，如果無法實現，應盡可能與螺栓靠近，此外在檢測過程中應盡量保持測溫探頭與被測物體溫度接近，如溫度采集信息有誤或較實際情況偏差較大，對測試數據的準確性有一定的影響[3]。

通過對BoltMikeIII設備在風電安裝現場的實際測試數據進行分析研究，該設備的測試結果很好的反映了風電設備緊固螺栓實際的安裝情況，對風電設備的安裝施工有很好的指導作用，對其安裝質量的控制起到了很好的效果。

參考文獻：

[1]冉啟芳，費星如.超聲波方法測量螺栓應力[J].固體力學學報，1982（1）：64-69.

[2]杜剛民，李東風，曹樹林.螺栓軸向應力超聲測量技術[J].無損檢測，2006，28（1）：20-25.

[3]Stress Tel.Guide to Ultrasonic Inspection of Fasteners[Z].Part No.021-002-175 Rev.B.