风电靠高强度10.9级螺栓连接紧固。高度80米左右风电机仓(包括电机设备、主轴法兰)和轮毂及叶片。按3兆瓦计算有60吨左右在高空中长期运行如同飞机一样。因此风电主要连接处部位使用的高强度10.9螺栓螺柱最理想、最保险、最安全还是从德国西欧国家进口为好。(从西欧国家进口的10.9高强度螺栓检验标准讲的是机械性能技术要求)风电上主要部位使用的10.9级螺柱从机械性能技术要求是:抗拉强度≥1040MPa,屈服强度≥900MPa,伸长率≥12%,收缩率≥48%(其中要点是取试棒从螺栓芯部取出做拉伸检验。断后伸长率≥12%。)(芯部取样屈服强度≥900MPa以上,断后伸长率≥12%)是大直径大规格螺栓质量重点,更是技术要求。
对大直径M52以下螺栓做冲击功试棒也是从螺栓芯部取出做低温-20℃冲击功AKV≥27J。从螺栓的截面积不同部位取试棒做的机械性能相差很大。进口螺栓取样是从螺栓芯部取出试棒测检必须达到10.9级机械性能标准。(由于风电及大型设备包括重型吊机的回转支承盘采用的多是合金钢并且热处理调质到硬度HB≥225)风电主轴法兰盘采用的也是合金钢材质并且热处理调质到HB≥225,它们的抗压强度大于770MPa~790MPa。(有些机械设备热处理调质到硬度HB≥240。抗压强度更高大于830MPa时使用的螺栓是12.9级。风电塔筒法兰盘也是热处理调质过的,硬度HB≥225,抗压强度也大于760MPa,由于风电连接主要部位的法兰盘的厚度比使用的螺栓螺柱大(厚)的多,从力学角度连接处所需要紧固轴力必须大于抗压强度790MPa。因此风电使用10.9级螺栓螺柱芯部取样做拉伸测检抗拉强度≥1040MPa,屈服强度≥940MPa(或屈服强度最低≥940MPa,指芯部)断后伸长率≥12%(因此国外技术要求指芯部断后伸长率≥12%为10.9级,机械性能技术要求)国外对国内技术保密,只给技术数据,不讲明为什么要螺栓芯部伸长率要≥12%)本人对进口螺栓进行解析从芯部取试棒做测验。发现与国内GB3098.1机械性能标准不同处,M56螺栓芯部屈服强度≥940MPa以上。断后伸长率≥12%以上,断面收缩率≥48%(同国内不同处是拉伸测检取样部位有所不同)国内超过Φ50直径取样试棒是直径1/4处做抗拉强度测检。检测拉伸合格和国外芯部取样拉伸合格是有很大差别的。因为在设计风电使用高强度螺栓级别和直径是从连接紧固要求而制定的,不可能设计时认为螺栓芯部抗拉强度可以低。伸长率可以低,屈服强度无所谓更没要求。大直径M48以上螺栓取拉伸试棒国家允许直径1/4处,取出做测检等等理由。
故在安装风电连接处时降低紧固(扭矩系数值k=0.08~0.13)造成风电各部位连接处由于螺栓螺母松动,造成重大事故发生:如风电整机倒塌和塔筒法兰连接处折腰倒塌几十台,机仓内所有设备毁灭性损坏造成每台直接经济损失1000万元以上。最严重的问题大家没有意识到是螺栓质量有严重问题,而造成安装放低扭矩紧固最低值的要求。风电使用的高强度10.9级螺栓螺柱技术要求。安装要参照德标DASt-Richtlinie021紧固技术标准(预紧力是屈服强度940MPa的67%~70%。扭矩紧固系数最低值k=0.15-0.16)在安装螺栓螺柱可以在螺栓螺柱的螺纹长涂少量油,或者少量润滑剂其主要目的平均扭矩偏差接近而已。风电法兰盘、回转支承盘、主轴法兰盘在连接时(扭矩系数值k=0.15~0.16)范围。而国内在安装1.5兆瓦以上风电听信生产螺栓厂提供的所谓企业标准。
螺栓螺柱表面涂油或涂润滑剂(可降低扭矩系数值k=0.08~0.13)搞什么新开发无扭力锁紧连结。无摩擦拉力紧固,认为螺栓螺纹涂油就可以降低扭矩值的要求。结果造成风电主轴法兰连接轮毂的法兰盘孔被螺柱磨损变形甚至开裂。也正因为螺柱螺母放低扭矩系数值k=0.08~0.13.使主轴法兰与轮毂连接螺柱螺母松动,风轮转动力矩不均,长期在不均匀中转动使主轴/联轴器损坏很多。风电齿轮箱齿轮在超负荷工作时带给电机系统超负载工作使齿轮在半年磨损坏了,要调换。齿轮箱齿轮在超负荷工作时带给电机系统超负荷工作故成电机烧坏,电机系统故障,近一年调换以上一连串事故的设备有几万台次。经济损失上百亿元,至今还没有共识是螺栓螺柱有严重质量问题引起一些例事故发生的根源。螺栓螺柱有质量问题只能(降低紧固扭矩系数值k=0.08~0.13)。
如今准备向海上发展大型风电。安装风电主要部位连接处使用的高强度10.9级螺栓螺母参照德标DASt标准还是采用无扭力液压式锁紧连结拉力法企业标准呢?关系到风电命运大是大非问题了。(为什么采用进口螺栓螺柱在预紧力是屈服强度的70%(扭矩系数值在k=0.15-0.16)紧固时螺栓不会被扭屈服。而国内生产螺栓厂及行业要求(扭矩系数k=0.08~0.13)呢。点穿了自己生产的螺栓质量有问题,要求降低扭矩系数范围k=0.08~0.13.
由于螺栓表面镀达克罗,泡在海水里有表面热浸的达克罗粉末作防腐作用比老工艺热镀锌防锈好得多。镀达克罗时间长会发生表面红色起到防腐作用。不会再往里腐烂了。(一般大直径螺栓螺牙是4-6牙距),有达克罗防腐层保护下。影响螺栓机械性能必须从表面往里烂掉2毫米和3毫米的表面层,没有20年是烂不到2毫米深度的。故要风电螺栓马氏体占90%,达到了螺栓无铁素体成分的质的变化试螺栓芯部抗拉了强度提高。防腐蚀锈能力也强,马氏体又能抗低温脆断,螺栓芯部取样达到10.9级机械性能要求,才能按风电要求参照德标DASt紧固标准螺栓螺母几十年不会松。何为马氏体占90%以上,扭矩系数值k=0.15~0.16是保证螺栓螺母不会松动的最低安装扭矩值要求。
离螺栓扭屈服还保留30%~40%呢!因此参照德标DASt紧固标准时扭断扭屈服多属于螺栓螺柱不合格,最起码风电主要部位不能用。因风电主要连接处的另件多经热处理调质过的我在前面谈过,调质过的钢硬度HB≥225而且厚度大于螺栓直径(厚度)其平均抗压强度大于780MPa。按材料力学角度讲螺栓紧固力矩要大于被连接紧固的另部件才能锁紧螺栓螺母不会松动。而德标DASt技术要求紧固扭矩值k=0.15-0.16,是根据主轴/联轴法兰盘硬度HB≥230要求设计紧固扭矩最低值k=0.15-0.16。对双头螺栓10.9级低温-20℃≥42J(而不是低温-20℃≥27J)(要求主轴带法兰连接轮毂紧固扭矩系数值k=0.15-0.16)必须达到最低紧固值的要求。从风电设计的双头螺柱螺纹长度是螺柱直径2.2倍说明紧固的重要性。从1.5兆瓦到3兆瓦连接主轴螺柱是M42,螺牙长度躲在95mm以上,风轮毂内螺纹长度也是螺柱直径的2.5倍计110~120mm。主轴带法兰硬度HB≥230,所需要抗压强度≥780MPa,高强度10.9级螺柱屈服强度940MPa的85%轴力计799MPa才能锁紧主轴法兰盘的紧固值,如果螺柱芯部抗拉强度达不到1040MPa,屈服强度达不到940MPa,能起到紧固主轴与轮毂防松计790MPa最低扭矩值要求吗?要求放低扭矩值是对风电不负责的行为。
风电业主分析一下就会明白。国外是根据另部件强度厚度,载重量设计螺柱强度等级技术要求(比如:轮毂设计时内螺纹长度是螺柱直径2.5倍)因为轮毂是浇制而成。其强度比较低,一般在抗压(抗拉强度480MPa~560MPa)由于内螺纹长度深,它的保载增加约有2.2倍以上。(按480MPa×2.2倍=1056MPa),螺柱屈服强度940MPa×85%扭矩紧固值=799MPa。因此讲扭矩值超过940MPa螺柱扭屈服轮毂内螺纹也不会倍拉掉,不必担心。
风电连接处使用的10.9级螺栓螺柱多有高强度平垫片,高强度垫片硬度大于螺母,而且截面积大抗压性高,因此在紧固扭矩时垫片不会变形。垫片下面连接的另部件,更不会被紧固变形的说法更不用担心。只要设计正确海上风电安装紧固使用高强度螺栓螺柱10.9级最好从欧美国家进口为好,进口螺栓直径再大。机械性能是从螺栓芯部取样,必须达到设计时螺栓等级要求。(如10.9级机械性能要求必须是从螺栓芯部取样达到要求)(而国内行业还没有适应大直径要求螺栓芯部取试棒做拉伸测检必须达到屈服强度940MPa以上要求)国外安装紧固螺栓螺纹表面涂油其目的是扭矩系数偏差尽量小一点。(但是扭矩系数值不得低于k=0.15)而国内为了竞争降低成本。螺栓马氏体占50%,螺牙表面涂油涂润滑剂就可以降低扭矩系数值,不顾风电主要另部位多是调质过的抗拉强度≥780MPa的因素,和法兰盘的厚度,(一味搬照连接薄钢板的钢结构连接副的要求扭矩系数k=0.08-0.13)紧固。
大谈特谈德国(摩擦系数μ=0.08)而不按风电安装紧固参照德标DASt紧固要求,使风电重大事故不断发生无法控制。德国的(摩擦系数μ=0.08)是对A3钢普通钢板没有热处理调质过的厚度低于25mm的低合金钢板连接可以按(摩擦系数μ=0.08)要求紧固,如日本扭剪型,国内GB/T3632扭剪型在紧固时把螺杆尾部梅花扭断产生所需要的(摩擦系数μ=0.08-0.15)。没有螺母垫片螺栓摩擦能扭断尾部梅花头吗?另外被连接紧固的材料钢板没有调质过的抗压强度只有380MPa~610MPa内。有10.9级屈服强度940MPa的67%预紧力计630MPa,足够紧固610MPa钢板的抗压强度了。无扭力锁紧拉力紧固对没有调质过的钢板是可以的。而风电主轴带法兰连接轮毂是靠46根螺柱紧固。轮毂加上3片叶片(按3兆瓦是62吨)横向转动产生力矩很大。由于螺柱螺母没有按德标DASt技术标准紧固,螺柱螺母松弛在转动时62吨风轮的扭力大大超过设计时的力矩,故造成主轴,齿轮箱齿轮和电机系统超负荷工作。风电运行一年半载这些配件多要调换,损失惨重。(如果国内螺栓配套出口国外安装风电行吗?)国内统一对高强度大直径螺栓检测取样从螺栓芯部取出做拉伸试验,达到10.9级机械性能要求,使用在海上风电完全可以的。因为表面镀达克罗没有大的技术要求:只要720小时后红色不锈就足够了。关键还是螺栓马氏体要占90%和芯部达到屈服强度940MPa。希望风电做强做大,少出事故。 陈跃进 2012年7月26日