分析风机坠头与螺栓螺柱质量必然关系

添加时间：2012-04-06 14:50:35 来源：爱中国能源网

    由于风机是高空重型动态设备，与飞机在空中飞行时标准相差不多。飞机主要部位是轴，转轴能承受扭矩越高越好，当在空中飞行时其他配件也是很重要的。风机也是一样，比如回转支承盘及轴承滚道、塔筒及塔筒法兰盘，地基设计、齿轮箱及风叶，这些多是风机重要部分，大家公认的。但有些配件质量不太重视了，比如在这些重要部件连接的紧固件螺栓螺柱螺母的质量就特别不重视了。故会造成近几年风机整机倒塌，有连根拔起而倒，也有半腰塔筒法兰连接处折断而倒塌，地基倾斜塔筒处折断而倒下的，更多的是风机坠头。这些重大事故多和螺栓螺柱质量问题有直接关系，至今风机业主还没有搞清楚螺栓螺柱也有质量好坏的分别。国内对螺栓讲究外表尺寸公差，而忽视机械性能和扭矩值要求。风机上使用的高强度螺栓螺柱要符合德标（DASt）技术尺寸Richtinie-021技术标准制作。强调尺标公差标准是对的，但最重要的方面是（DASt）安装紧固的预紧力和扭矩最低值才是真正的技术核心。为了在安装风机必须要达到德标（DASt）紧固要求时，国外风机上使用的高强度10.9级的技术要求讲的很明白。热处理后马氏体要占90%以上，机械性能做拉伸取样为任何部位（包括螺栓芯部取样）必须屈服强度≥900MPa；伸长率≥12%；低温-20℃冲击功Akv≥27J。（为什么国外风机资料上要注明单项检测冲击功要求低温-20℃冲击功Akv≥27J呢？不说明取样的部位，这就是技术保密不肯讲明不愿意卖给国内垄断市场原因之一）本人学过材料知识，先从国外对风机上使用高强度10.9级螺栓必须热处理后马氏体占90%以上谈起。（马氏体低温冲击抗脆断、抗扭距、抗腐蚀、抗疲劳、抗延迟断裂的保证）马氏体占90%以上，其屈服强度能达到900MPa以上，能在低温-40℃芯部取样冲击功Akv≥27J。在表面往里10mm处取样低温-40℃取样冲击功Akv≥40J以上，马氏体占90%以上（碳原子、铬原子、钼原子、镍原子等其他成份原子分布均匀合理化、强度高、韧性好、抗扭矩、应力少，在安装紧固力达到德标（DASt）技术要求时扭不屈服，更不会扭断了。）碳原子分布均匀也是抗脆断、腐蚀慢，何况螺栓芯部有马氏体屈服强度≥900MPa支承力的保证才能使几十年不会屈服。几十年不屈服更不会疲劳，起到抗延迟断裂的作用。由于热处理后占马氏体90%以上，延伸率大于12%更为理想，芯部达到延伸率≥12%也是国外风机技术要求不可疏忽的。学过材料系的人都懂的延伸率也有个最低值来保证材料韧性度。一般在延伸率≥11.5%，故欧美、日本国要求高强度延伸率必须达到12%以上是有科学道理的（请风电领导查询国外风机技术资料就清楚了）。设计风机技术要求的机械性能参照国外，而安装根据GB/T1228国内低标准紧固，故造成整机倒塌几十台，风机坠头几百台。而且风机不断在继续坠头，毛病还是找不出，责三责四。
     为什么国内在安装风机重要部位连接回转支承盘和塔筒法兰连接处及地基处，使用高强度10.9级螺栓时不按德标（DASt）紧固技术要求和国内JG/T5057.40-1995技术要求紧固呢？（实际就是螺栓螺柱芯部不是马氏体）而是珠光体及有铁素体大量存在。珠光体及铁素体的抗拉强度比较低，特别是铁素体存在就好比泥沙，韧性度极差。靠螺栓表面层应力来达到抗拉强度，故在安装时一扭就断了。由于珠光体和铁素体的存在，说明此批高强度10.9级螺栓靠的是表面层应力来达到抗拉强度。当表面层应力随着时间延长，一般为半年到2年时应力散净，螺栓就会屈服拉长。会造成风机倾斜，风机拦腰折断，风机坠头。由于风机整机倒掉，塔筒法兰盘肯定开裂，风机坠头而造成回转支承和轴承开裂时，螺栓螺柱不会断掉的。因为风机经过几个月或几年运转，螺栓螺柱表面到芯部应力全部散发完了，这时螺栓螺柱强度降低而造成螺栓螺母松动，造成近几年风机回转支承和轴承开裂而造成风机坠头几百台，真正原因是支承螺栓螺柱有严重质量的问题。因为支承螺柱热处理后没有达到马氏体占90%以上，其螺柱芯部是珠光体夹有铁素体存在。它经不起径向力的扭矩力，只能放低预紧力和扭矩最低值的要求了。螺柱本身有质量问题无法使螺栓螺母紧固锁紧而松弛，造成风机倾斜，回转支承及轴承倾斜。轴承肯定开裂，回转支承随着也开裂，原因是螺栓质量问题而造成的因果关系。
     风机三大主要连接处必须采用高强度10.9级螺栓，为什么呢？高强度10.9级螺栓螺母锁紧靠的螺栓自身强度韧性和弹性。8.8级就不行了，因为预紧力太低。它的屈服强度只有600MPa，预紧力是屈服强度的70%，故8.8级属于预拉力紧固。使用在一般设备上的，每年调换几次拆下来方便而设计的。而风机主要部位连接紧固处就不同了，一次安装紧固几十年不调换。比如风机地脚螺栓，塔筒法兰连接螺栓，回转支承、轴承使用的支承螺栓也是20年以上不换的。它们靠的就是热处理后马氏体占90%以上的高强度10.9级自身弹性紧固锁紧的。（螺栓螺母锁紧有个最低紧固扭矩值）低于最低预紧力和预紧扭矩值（摩擦系数μ≥0.14）时，螺栓螺母就会松弛，使用在风机紧固上势必会发生倒塌事故。锁紧螺栓螺母必须要具备三个条件：
（一）靠螺栓轴力86-88%（指的轴向力）
（二）靠螺栓径向力（屈服强度≥900MPa，预紧力70%是属无径向力）
（三）当螺栓螺母的螺牙（摩擦系数μ≥0.14）时产生了屈服强度≥900MPa的螺栓轴向力已到86%，这时径向方面正好承受到扭矩最低值给予的力称径向力。此时（轴向力、径向力、螺牙的摩擦产生的扭矩力）的紧固最低值就是德标紧固技术要求（DASt）标准。风机安装有10年了，在五年前是小型风机不讲究紧固技术要求也没发生倒塌事故。而如今是安装中型、大型，多是1.5兆瓦以上的重型风机年代了，要按科学技术要求安装紧固了。国内的GB/T1228标准扭矩系数k的平均值为0.11～0.15允许扭矩系数偏差太大，只能使用在静态钢结构小规格螺栓范围内。GB/T1228紧固标准没有技术含量，更没有参考价值，只会误导错乱人们的思路。把德标（DASt）紧固技术要求当作尺寸公差制作方面思路上想了，安装按国内GB/T1228标准去做紧固对风机连接会带来可怕的恶果。（我们大家来计算一下不同标准得出不同结果的紧固力值） 相差扭矩值20%且结果太可怕了，按国标GB/T1228标准由于扭矩系数k平均值相差极大0.11值计算，按规格M64截面积是2680mm2×屈服强度940MPa×70%=1763KN，扭矩值1763KN×0.11×64=12412 N•m。力学中的10.9级的屈服强度是≥900MPa（芯部为准），德标（DASt）紧固要求2680 mm2×屈服强度900MPa×70%=1688KN，德标（DASt）扭矩值是1680KN×0.14×64=15000 N•m，而建设部发布的对机械设备紧固要求JG/T5057.40-1995预紧力和预紧扭矩值（摩擦系数μ≥0.14），扭矩值1763KN×0.14×64=15796 N•m。德标（DASt）紧固力和国内JG/T5057.40-1995紧固值不谋而合，说明我国老前辈研究力学定律是正确的，比国外早几年。JG/T5057.40-1995只不过重新提示大家对机械设备和桥梁必须要按JG技术条件紧固。因为在1984年在改革开放为统一，国标为GB标准其主要是螺栓螺柱、螺母、销轴等便于对照，统一的是外形尺寸公差范围，国外国内查资料方便而已，而不是统一机械性能，更不是安装紧固必须采纳的唯一标准，千万不能把技术要求和GB尺寸公差标准混淆一谈了。比如化工部要求外型尺寸公差按国标GB标准，而技术要求耐高温、耐腐蚀，就必须采用耐高温材料做。由于化工部有些部位就是高压的，执行按建设部发布的国内JG/T5057.40紧固技术要求了，因此讲风电风机主要部位国外资料是采用10.9级高强度螺栓螺柱，配回转支承及轴承的支承螺柱必须10.9级和螺纹长度必须是直径的2倍以上。为什么呢？回转支承盘技术要求硬度HRC23～28，为了确保回转支承盘内螺纹在运行轴承转过去转过来，扭矩产生的振动很大的，回转支承盘内螺纹不会被振裂，只能靠支承螺柱直径2倍长度的螺牙旋进内螺纹确保回转支承盘内螺纹的保载。（因此讲风机回转支承螺柱不能按国标GB898或国际ISO898标准制作）塔筒法兰盘连接螺栓10.9级也要按马氏体占90%要求。安装紧固更要按国内JG/T5057.40标准或按德标（DASt）紧固力标准才能使螺栓螺母几十年不会松弛。一次紧固，50年不会松动。既能在安装紧固时就会及时发现螺栓是否有质量问题，又能避免由于螺栓螺柱没有紧固到位而引起倒塌、倾斜、坠头等事故的发生。
     真正达到马氏体占90%以上，唯一通过扭矩值才能称得上10.9级要求，因为近年来许多厂家用淬火机床来淬高强度10.9级螺栓。速度快，20分钟出淬火炉。由于淬火机床淬的快使碳原子和合金原子在短短20分钟左右分布不均匀及奥氏体也无法在20分钟左右均匀化。使金相分析很难看出马氏体里既有贝氏体又有碳原子集中和合金原子集中点没有分布均匀之处。尽管抗拉强度达到要求，由于没有来得及奥氏体化和碳原子均匀化，故在安装时当径向力受到一定承受力时就扭断了或屈服了，只能降低预紧力和扭矩紧固值了。如今热处理工程师对材料力学方面知识懂得太少，更不会理解风机上使用的高强度10.9级重要性是机械性能技术要求。因此会使用淬火机床来淬高强度螺栓，不科学性原理都不懂。淬火机床淬8.8级螺栓问题不大，因为8.8级预紧力低，只有屈服强度660MPa的70%。8.8级芯部有贝氏体珠光体多没关系，因扭矩值低，安装紧固力低得多。但是螺栓螺柱心部是珠光体或贝氏体夹有铁素体只能按国内GB/T1228标准中的（摩擦系数μ=0.11）来紧固了。使风机永远存在整机倒塌和坠头的危险性，螺栓直径超过Ф36就会发生芯部贝氏体珠光体。而真正热处理马氏体占90%以上，螺栓在屈服强度70%预紧力后扭矩值（摩擦系数μ≥0.18）时不会被扭屈服，更不会被扭断。（被扭断应力太多芯部强度不够，被扭屈服芯部是珠光体夹有铁素体。）德标（DASt）实际是安装扭矩紧固值技术标准，请风机企业领导深思虑想，就清楚科学紧固就能辨出螺栓问题所在了。 材料力学事业者：史敏