为什么风电风机主要连接处部位的连接紧固要采用高强度10.9级机械性能螺栓、螺柱和螺钉,而不是采用9.8级或8.8级的螺栓、螺柱和螺钉呢?从国外进口的风电风机资料中分析,风机主要部位的零部件材质多是合金钢做的,并且调质过的。
(比如塔筒连接的法兰盘,塔筒与机仓连接的回转支承盘及支承盘轴承连接处,风电主轴与齿轮箱连接处,风电主轴连体法兰与风轮毂的连接处,风叶与轮毂的连接等等主要部件的材料是合金钢做的,而且其中大部件设计时的要求必须调质过的。)比如塔筒连接处的法兰盘是调质过的,主轴连体的法兰盘也是调质过的,塔筒顶连接的回转支承盘也是调质过的,叶片连接的法兰盘也调质过的。这些风电风机主要大型部件设计要求材料必须调质到一定标准的硬度和强度。有了好的材质并且通过热处理调质后,达到设计要求强度的硬度。(强度指的是机械性能物理综合要求,硬度只不过是机械性能中的一个要求。)这些大部件经过调质后的抗压强度必须大于740MPa,设计时有些部位法兰盘调质后的抗压强度大于780MPa。
举个例子,风电主轴连接轮毂的法兰盘的主轴连体采用的优质合金钢,并且通过热处理调质后强度达到760MPa~800MPa范围,也是国外风电风机技术核心。同样风机塔筒法兰盘调质硬度要求比风电主轴高,塔筒法兰技术核心是法兰盘平整为第一,其次是法兰盘表面层硬度要求HRC≥20~23范围内的技术要求(法兰盘的抗压强度的要求必须大于800MPa),因此风电风机在安装时有他的技术紧固扭矩值的要求。从风电风机技术要求如塔筒法兰盘设计的抗压强度大于800MPa,因此需要使用的连接螺栓必须是高强度10.9级(而不是9.8级或8.8级),设计由于是10.9级螺栓螺柱的机械性能中的屈服强度是940MPa,参照风电风机安装技术紧固要求国外参照德标DASt-Richtlinie021(预紧力是屈服强度的70%,扭矩最低值 k≥0.15)。
根据10.9级的屈服强度940MPa的70%计658MPa是预紧力(属初扭)(终扭是最低扭矩值k=0.15,之和是屈服强度的85%计799MPa)螺栓螺柱达到屈服强度的85%的轴力才能防止螺栓螺母松动的科学物理依据。10.9级屈服强度是940MPa乘以85%计799MPa正好和塔筒法兰盘调质过的抗压强度800MPa要求符合,也是风电风机设计要求的紧固值。
最低标准风电风机主要部件连接处一定要使用10.9级螺栓螺柱,其另目的,螺栓螺柱表面层硬度HRC≥32,是耐磨损、防剪切而断的技术要求。(为什么垫片要求硬度必须HRC≥36,因为垫片调质到HRC≥36其耐磨性好,起到螺栓螺母在紧固扭矩时大部件不会被损伤,更不会被压成凹坑或大部件压成有痕迹)垫片在紧固扭矩时起到的作用是防止零部件被压损,故垫片直径比螺母的对角、对边大一圈。其抗压强度远远高于被紧固的连接部件,没必要听三听四认为风电风机塔筒法兰盘会被压出痕迹或凹坑。请计算一下垫片的直径和硬度就清楚了,风电安装标准参照德标DASt紧固技术要求是设计时的技术要求。
风电技术资料早期是从国外买来的,安装紧固标准参照德标DASt-Richtlinie021技术,扭矩值k≥0.15。风电风机早在2008年全部是进口的,包括高强度10.9级螺栓螺柱螺母也是进口的。故没有发生过一起风机整机倒塌重大事故和风电机仓机组的机械事故的发生。说明了什么呢?因为安装时按进口技术资料中讲的参照德标DASt紧固要求,而不是国内GB/T1228连接副紧固,故没有发生一起机械事故和风机倒塌事故。
自从2009年开始使用国内生产的高强度10.9级螺栓螺柱安装在风电风机连接紧固后,风电风机在2年时间整机倒塌几十台之多。随着这2年时间内风机在运行中不断发生风电机组机械事故和电机等重大事故。比如:主轴扭坏、电机系统损坏及电机烧坏、主轴连体法兰盘与轮毂连接处 螺柱屈服后造成风轮转动不均衡,使主轴超扭损坏,带动主轴转动的齿轮箱齿轮在半年内磨损坏。电机系统在长期超负荷转速下电机烧坏,包括叶轮损坏、变桨系统等等事故的发生率高达数十万台次之多,调换的大部件也有几万台次。比如:主轴/联轴器、叶轮、发电机、齿轮箱、回转支承盘。这些大部件调换每次损失上百万元,在2年不到的时间内调换几万台次,经济损失300亿元左右。这些机械事故发生频率如此之高,很大程度与安装紧固有关。放低紧固预紧力,放低扭矩值,不按风电紧固标准要求参照德标DASt技术紧固,而一意要按国内GB/T1228连接副紧固,造成风电机组不断发生重大的机械事故,这与螺栓螺柱螺母质量不合格有关。故有螺栓行业自定紧固标准来取代风电风机参照德标DASt紧固要求。
(有关风能刊物登载对风电风机法兰盘连接处紧固扭矩值k=0.10~0.13和无扭矩紧固创新是不科学的。)故造成今年9月份在新疆某风电场安装过程中又发生塔筒倒塌重大事故。事故造成了一定的人员和财产损失,又给风电行业深刻的教训和启示。启示我们安装风电风机紧固要按科学去做,国内中华人民共和国建设部早在1995年发布的JG/T5057.40-1995紧固要求“预紧力是屈服强度的70%,扭矩值摩擦系数μ≥0.14”的标准。建筑机械与设备高强度紧固技术条件必须按JG/T5057.40-1995标准要求紧固而不是国内GB/T1228连接副紧固,更不应该按螺栓行业自行自主创新的更低扭矩值来紧固风电风机主要部位连接处。因为风机主要部位连接处使用的高强度螺栓螺柱多是10.9级(而不是8.8级或9.8级)是风机设计时的技术要求使用10.9级。如果由于供应螺栓螺柱质量有问题而放低扭矩值要求,就会造成整机倒塌事故和风电机组事故,近2年有十几万台次的事故率的发生。
这数十万台次的机械事故与螺栓强度不够及安装扭矩值太低有直接的关系。螺栓螺柱机械性能强度不够,在安装时只能放低紧固扭矩值。当风电风机运转时产生的振动和数百万次振动频率,强度不够的螺栓螺柱会屈服,造成风电机组连接处部件损坏,因此近2年风机机械事故发生率如此之高而降不下来的真正原因与安装紧固没到位有直接关系。放低扭矩值要求是与螺栓质量有问题有关。因此要求桥梁、大型起重机、码头吊机、百米塔吊及风电风机和机械设备使用高强度紧固件必须按国内建设部发布的JG/T5057.40-1995要求紧固(预紧力是屈服强度的70%,预紧扭矩值(摩擦系数μ=0.14))是防止螺栓螺柱螺母松动的科学依据。而且扭矩值k=0.14是防止螺栓螺柱螺母的最低扭矩值的要求,国内在安装桥梁紧固时扭矩值多是k≥0.15。
螺栓是靠轴力锁紧的,当轴力达到屈服强度的85%才能保证螺栓螺母几十年不会松动。要达到屈服强度的85%轴力,螺栓紧固扭矩值k≥0.15以上,风电风机机组在百米左右的高度上运转,因此预紧力是屈服强度的70%。扭矩值k≥0.15,才能防止螺栓螺母松动,塔筒不会倒塌,风电机组事故率会减少许多。科学安装是确保风电风机安全第一要素。 安装工程师兼职监理 杜跃进