虽然国内大型风电的开发已经成熟,但是在安装后的1.5兆瓦风机机组事故不断发生,而且事故频率特别高,属于不正常情况。有关风能刊物报道在2010年安装的1.5兆瓦到如今3兆瓦风机运行中发生重大的机械事故几万台次。比如在一年里调换齿轮箱上万台次,电机烧坏调换几千台次,风机主轴/联轴调换几千台次,回转支承的轴承开裂几百台次,这些机械事故在一年里不应该发生的。而如今发生率合计几万台次,调换这些机械零部件需要大型起重吊机,更换一次需要的费用上百万元。近2年风机机组损坏的零部件损失合计200亿元以上。这些零部件在短时间内损坏而且损坏率如此高,与安装有直接关系的。风电风机、高铁设备、起重机、百米塔吊等等重型机械设备的安装紧固与设计要求有关。风电风机及900吨高铁机械设备这些资料全部是进口的。
在2009年前国内风电设备全部进口的(包括塔筒上使用的螺栓螺母及风电机组主要部位连接的紧固件螺柱全部进口的),故风电机组没有发生过重大机械事故。原因是2009年前安装风机时也是按进口资料中的方法,参照德标DASt紧固技术要求,预紧力是屈服强度的70%,扭矩值k≥0.15是风电风机主要部位连接处螺栓、螺柱最低扭矩紧固值的技术要求。科学依据钢材紧固(预紧力和预紧扭矩值k≥0.14)是防止螺栓螺母松动保证。
当设计风电风机安装使用需要多大直径的螺栓,设计要求10.9级,都有科学依据的。(从材料疲劳强度计算设计使用怎样的材质和通过怎样方法使用零部件达到设计要求)零部件有调质到HB≥250,比如塔筒法兰盘调质硬度不能太高,控制在HB≥200~220内。原因是塔筒法兰盘表面硬度要低于螺栓任何部位表面的硬度,因为螺栓螺母起到紧固连接力学作用。连接处在长期机械设备运行时,多多少少会产生摩擦,因此要求紧固扭矩值k=0.15。塔筒法兰盘的孔壁与螺栓长期摩擦,由于螺栓表面硬不会被摩擦痕迹,而塔筒法兰设计时的厚度按科学依据很厚,法兰盘孔壁也不会被摩擦变形的。因此国外安装风电紧固是设计时要求参照德标DASt-Richtlinie021紧固要求。只有螺栓紧固扭矩值达到屈服强度的85%,才能使材料的力学轴力来锁紧螺栓螺母不会松动。只有几十根、几百根螺栓螺母锁紧不松动才能起到几百根螺栓整体的力学强度,来支承风电来维护风机不倒和风电机组在运行中减少机械事故的发生。风电业主领导抽出几天时间查阅一下材料资料就会清楚为什么8.8级、9.8级、10.9级的高强度螺栓螺柱安装紧固扭矩值k≥0.14是一样的要求。预紧力是依据级别的屈服强度70%也是一样的,不同的是使用螺栓级别是设计要求。当设计时要求连接处紧固采用10.9级高强度螺栓螺母是有它的科学道理。
(要求螺栓表面硬度比零部件表面硬度高免于螺栓摩擦而断)因此讲国内的钢结构连接副紧固标准扭矩值k=0.11到0.135不能代替使用在风电风机和900吨高铁设备及起重机的紧固要求。故近几年国内许多桥梁、百米塔吊、起重机及风电风机整机倒塌事故发生与安装紧固不科学有直接关系的。由于设计时采用10.9级高强度螺栓,当安装紧固按建设部发布的JG/T5057.40-1995(预紧力是屈服强度的70%,预紧扭矩值摩擦系数μ=0.14是科学力学防止螺栓螺母松动的保证)。随着设备运行和几十年时间螺栓应力不断散发,强度不断降低。由于安装紧固按照中华人民共和国建设部发布的JG/T5057.40-1995技术要求紧固螺栓螺母几十年不会松动。(当螺栓应力散发到8.8级时,螺栓螺母还是靠轴力锁紧。当螺栓疲劳后还是靠疲劳强度的轴力来锁紧螺栓螺母的)因为轴力是根据当时安装紧固时轴力值多少,随着应力散发到螺栓疲劳轴力永远不会变的,物理学奥妙很深的。比如使用材料的材质是42CrMo(查一下42CrMo材质的疲劳强度是340MPa),设计时就是根据疲劳强度计算采用材质和设计螺栓规格等方面的技术要求。因此讲国内自己设计的1.5兆瓦到6兆瓦甚至10兆瓦风电风机肯定是科学的,而安装紧固按GB/T1228钢结构连接副的标准扭矩值k=0.11~0.135不是太妥。国内大型钢结构近年来采用焊接来代替螺栓连接副紧固方法,取得世界认可,比高强度螺栓连接副安全的多。(如果风电塔筒、风电机组及高铁900吨设备连接处也用焊接行吗?)因此讲国内GB/T1228紧固标准不适合风电和高铁900吨设备连接紧固要求的。今年9月份新疆某风电场在安装风电时整机倒塌原因就是安装塔筒法兰连接时没有根据风电风机安装要参照德标DASt-Richtlinie021紧固要求扭矩值k≥0.15。国内许多专家只知道德标DASt-Richtlinie021螺栓螺柱的外径尺寸公差。实际DASt的真正技术含量是安装时的紧固扭矩值必须大于0.15,而不是扭矩值k=0.138(更不应该是扭矩值低于0.11,自搞一套扭矩值k=0.10)。
螺栓行业新发明紧固技术为无扭矩锁紧螺栓螺母,许多刊物在做广告值得反思。螺栓螺母锁紧靠螺栓轴力,当紧固轴力低于屈服强度的80%时无法锁紧螺栓螺母的,要达到螺栓的轴力锁紧屈服强度的85%(扭矩值k≥0.15)。如果螺栓螺母表面热镀锌,在安装紧固时产生摩擦系数大,因此扭矩值(摩擦系数μ=0.14)。如果螺栓螺母表面涂油或涂润滑剂,在安装紧固产生的摩擦系数小。根据中华人民共和国建设部发布的JG/T5057.40-1995(预紧力和预紧扭矩值(摩擦系数μ=0.14)紧固螺栓产生的轴力只有屈服强度的82%~83%也能锁紧螺栓螺母。)国外技术资料如德国、美国、日本对高强度10.9级螺栓表面涂油或涂润滑剂要求扭矩值k≥0.18~0.20,而国内螺栓行业新发明无扭矩锁紧螺栓螺母在风电行业试行得到肯定,怎么今年9月份新疆某风电场安装还会使风机塔筒连接处折断而倒,造成一定的人员和机组损失呢?国内建设引进国外先进技术资料和设备,而在安装时会请教螺栓行业扭矩值多少等安装技术问题是大错特错,完全不应该的。安装是力学方面的技术性知识,螺栓行业只不过是生产单位,由此自制发明无扭矩锁紧螺栓螺母可信吗?而且风电行业会相信的。(近2年风电整机倒塌几十台和风电机组机械重大事故不断发生,多与放低紧固扭矩值有关。)
国内高铁要上马了,900吨高铁设备资料多是进口的,在安装时的紧固轴力又搞不清楚了。国内人士只知道是屈服强度的70%,也就是螺栓的质量只要抗拉强度达到实际设计900吨高铁设备所需要紧固的70%够了。因此讲国内许多安装单位把国内连接副螺栓标准当着万能紧固法了,是很错误的。
我们来谈谈900吨高铁设备是起吊900吨,高铁设备连接的螺栓直径最大是M100(直径Ф100)按10.9级螺栓机械性能中的屈服强度是940MPa。每条M100直径的螺栓计算能承受的屈服强度只有671吨(如果按10.9级抗拉强度计算也只不过能承受743吨),743吨能承受900吨吗?因此讲国外设计900吨高铁设备连接紧固是靠轴力锁紧螺栓螺母,使几十根M100直径的螺栓整体抗拉强度之和就大大超过900吨的3倍以上,才能确保高铁安全。同样风电塔筒也是如此,只有在几百条螺栓螺母不松动的情况下,几百条整体的抗拉强度在十几年后疲劳抗拉强度也能达到承受支承力。计算一下,1.5兆瓦塔筒连接处螺栓使用直径规格M42,材质42CrMo,根据42CrMo钢疲劳后抗拉强度为340MPa,每条承受力是M42截面积1120(mm)2×340MPa=38吨,塔筒法兰盘要使用132根(38吨/根×132根=5016吨)。国外设计1.5兆瓦第一节塔筒疲劳后132条整体承受支承力5000吨,而风电风机1.5兆瓦共计重量约500吨。当风机运行时产生的力5倍计2500吨,因此设计M42直径的螺栓。使用132条当几十年后疲劳后的强度足够承受风电运行产生的力,而国内只顾螺栓表面尺寸及光洁度,而不顾螺栓芯部机械性能。国内螺栓行业专家只懂得螺栓螺母尺寸和型号,对其综合性的机械性能及使用要求是不懂的。机械工程师对制图零部件组合方法及机械零件硬度范围等等要求是内行。设计连接这些设备零件连接的高强度螺栓按技术要求10.9级,但是安装连接紧固就不懂了。寻找国标GB/T1228连接副要求来代替设计时连接使用10.9级螺栓靠轴力扭矩紧固值(预紧力和预紧扭矩值(摩擦系数μ≥0.14))锁紧螺栓螺母科学依据。因此国内各行专家及工程师们知道的是单一性的,甚至错误认为螺栓预紧力是屈服强度的70%就是螺栓紧固标准,螺栓要求不高有30%保留余地。结果造成桥梁倒塌、起重机倒塌、风电风机塔筒倒下整机损坏、风电机组重大事故不断发生。多与人们认为预紧力是屈服强度940MPa的70%计658MPa就够了。
自创发明无扭矩锁紧螺栓螺母创新科技紧固技术并且在风能刊物里发表文章和在紧固件行业杂志中报道无扭矩一样能锁紧螺栓螺母的创新技术。广泛推广使其他行业专家们多认为无扭矩锁紧螺栓螺母在安装时又方便又不费力,螺栓又不会被扭断及扭屈服。使用的电动扭矩工具价格也便宜,安装速度也快。特别是螺栓到处都能加工,因为无扭矩能锁紧螺栓螺母,使国内人士和许多专家没错。GB/T1228标准紧固预紧力是67%,加上扭矩值k=0.11也可以,计算下来正好是高强度10.9级螺栓螺柱屈服强度940MPa的70%。大家都知道螺栓螺柱越旋越紧固,当扭矩值k=0.14时,螺栓的轴力达到屈服强度940MPa的82%计770MPa,才起到锁紧螺栓螺柱螺母的最低扭矩值的要求。而德国、美国、英国、日本包括国内桥梁专家对机械设备、起重机、核电风电、塔吊、回转支承盘的紧固有单一紧固一步到位的扭矩值k≥0.15。(不需要预紧力是屈服强度85%即可)而回转支承盘、风电塔筒法兰盘、风电主轴法兰盘与轮毂连接处就必须采用预紧力。有一次预紧、二次预紧甚至三次预紧,最后定个最低扭矩值k=0.15。根据实际要求或扭矩值k≥0.16到0.17为什么呢?因为如果螺栓螺柱螺母表面涂油扭矩值必须为k≥0.17。安装时要求预紧是大的法兰盘、塔筒法兰盘等等必须要1~2次预紧。预紧力多少呢?一般按科学预紧力是屈服强度67%~70%,起到被紧固的法兰平稳度好比较均匀。预紧后再扭矩紧固到位科学紧固锁紧螺栓螺母几年甚至几十年不松动最低扭矩值k≥0.14。跨行业的专家怎么能懂得材料力学紧固的作用呢?故会把无扭矩方法采用在风电风机塔筒连接处。结果今年9月份在新疆某风电场在安装时风电风机倒塌,造成一定人员和机组损失,因此讲安装风电风机连接处紧固螺栓有一个最低扭矩值k≥0.15,才能锁紧螺栓螺母不会松动,风机不会倒塌的科学紧固扭矩值(预紧力是屈服强度70%,扭矩紧固值k≥0.15)。
当设计要求使用高强度10.9级螺栓,包含螺栓头部、螺栓芯部及螺栓螺牙都必须达到10.9级的抗拉载荷。因此对螺栓检测取样必须从螺栓芯部取出做拉伸试验,达到10.9级机械性能要求才是设计时的技术要求。如今国内按1/3处或1/4处取样做拉伸合格与设计要求不符,故会在安装时一扭就断或一扭就屈服,势必会放低扭矩紧固要求。螺栓行业搞出一个无扭矩创新技术锁紧螺栓螺母实际与国内建设部发布的JG/T5057.40-1995(预紧力和预紧扭矩值(摩擦系数μ=0.14)背道而驰,更谈不上创新技术)。对高强度螺栓,国内人士认为使用紧固预紧力就够了是对材料力学的误解,更不应该认为螺栓受力70%就够了。对高铁设备900吨安装的螺栓一定要紧固到位,因为M100直径的螺栓只能承受743吨。紧固到位,才能算一个整体,才能承受900吨的力,高铁设备才有安全性。 张保国