螺栓在線監(jiān)測在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用及前景

馮 標(biāo)， 高 躍， 曹云棟， 石海瑞， 張文康， 席傳讓

（1.華能大理風(fēng)力發(fā)電有限公司， 云南 大理 671000； 2.長沙飚能信息科技有限公司， 湖南 長沙 410000）

0 引言

近年來，隨著國家新能源戰(zhàn)略的實施，風(fēng)力發(fā)電機裝機容量快速增加，潛在的施工、安裝及設(shè)計制造問題比較突出，導(dǎo)致了葉片脫落、倒塌等事故頻發(fā)。同時，在風(fēng)場建設(shè)降本驅(qū)動下， 風(fēng)機向著更高、 單機容量更大的方向發(fā)展，也加大了事故發(fā)生的風(fēng)險。 2022 年4 月12 日，河南安陽某30MW 分散式風(fēng)電項目發(fā)生一起風(fēng)機倒塌事故，塔筒折斷。 2022 年6 月10 日， 河南省新鄉(xiāng)市某型4MW風(fēng)力發(fā)電機倒塌，150 余米直徑葉片掉落，主體結(jié)構(gòu)一分為二，海上風(fēng)機也出現(xiàn)多起類似事故。

究其原因，在于風(fēng)機常年工作在惡劣的氣候條件下，除地基沉降、結(jié)構(gòu)缺陷等因素外，高強度螺栓連接失效也極容易導(dǎo)致最后事故的發(fā)生。 風(fēng)電機組主要零部件包括葉片、機架、塔筒、主軸、輪轂等，其中高強度螺栓是連接這些關(guān)鍵零部件的主要元件之一[1]，承擔(dān)著傳遞載荷、保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要作用。 這些螺栓長期工作在振動、交變載荷的工況中，極易發(fā)生松動、疲勞損傷、斷裂等失效問題，如果不能及時發(fā)現(xiàn)和解決，整個法蘭面連接狀況將急劇惡化，進而導(dǎo)致接觸面分離、異常振動、葉片掉落等現(xiàn)象。 斷裂的螺栓部件也容易損壞風(fēng)機設(shè)備， 導(dǎo)致風(fēng)機停機、甚至損毀，產(chǎn)生較大的發(fā)電量及財產(chǎn)損失。

目前對螺栓的失效檢查主要以人工為主， 陸地風(fēng)機一般半年巡檢一次，海上風(fēng)機間隔時間更長。 人工檢查的手段單一，主要靠劃線、敲擊等方式，缺乏可靠的數(shù)據(jù)支撐，很大程度上要憑經(jīng)驗分析，判斷結(jié)果準(zhǔn)確率較低。 例如，在螺母沒有明顯松動的情況下，仍會出現(xiàn)預(yù)緊力下降或斷裂，這時人工難以判別，導(dǎo)致漏檢。 此外，在某些特殊部位，運維人員平時很難到達(dá)，也不能及時發(fā)現(xiàn)和處理潛在的螺栓問題。

綜上所述， 風(fēng)電機組中高強度螺栓連接的可靠性將直接影響整機的運行安全和穩(wěn)定性， 但目前尚無有效手段即時發(fā)現(xiàn)螺栓的失效問題，也缺乏對螺栓連接狀況進行健康監(jiān)測與安全預(yù)警的相關(guān)技術(shù)。 因此，對螺栓進行在線監(jiān)測，有著實際的需求，對保證機組安全運行意義重大。

1 技術(shù)路線

螺栓連接有多種失效形式， 例如螺栓在承受過大拉力之后引起的螺桿伸長失效； 螺紋副承受過大壓力引起的壓潰失效；鉸制孔用螺栓因剪切力引起的擠壓失效；循環(huán)荷載作用下，交變應(yīng)力引起的螺栓疲勞斷裂失效[2]。 市場上針對螺栓失效監(jiān)測的技術(shù)主要有反旋法、位移法、應(yīng)力法等。

反旋法：通過測量螺母與螺桿的相對轉(zhuǎn)動角度來判斷螺母是否松動，技術(shù)成熟，但監(jiān)測效果有限，識別不了螺母未轉(zhuǎn)動條件下的預(yù)緊力衰減，判斷不了螺栓是否斷裂。

位移法： 通過監(jiān)測法蘭面之間的間隙大小來判斷螺栓是否松動，屬于間接測量，只能識別接觸面已經(jīng)開口等極端情況，不能起到事先預(yù)防作用。

應(yīng)力法：主要有預(yù)埋法和超聲法；預(yù)埋法通過在螺栓中心打一小孔，將光纖或應(yīng)變材料預(yù)埋進去，通過預(yù)埋材料的應(yīng)變來計算螺栓受力大小，測量螺栓預(yù)緊力精度高，技術(shù)成熟，缺點是需要對螺栓進行金加工，操作復(fù)雜；超聲法應(yīng)用最新的超聲檢測技術(shù)， 在螺栓端面安裝超聲探頭， 利用超聲波軸向傳播速度與應(yīng)力大小呈線性變化的關(guān)系來測量螺栓預(yù)緊力的大小，結(jié)構(gòu)小巧，抗干擾強，適合大批量螺栓的監(jiān)測。

風(fēng)機上鉸制孔螺栓應(yīng)用較少， 主要失效形式為松動和斷裂，不恰當(dāng)?shù)妮S力會導(dǎo)致螺母松脫或者螺栓斷裂，而使得螺栓連接提前失效。因此準(zhǔn)確測量螺栓軸力，能夠有效提高螺栓連接可靠性和結(jié)構(gòu)安全性[3]。超聲應(yīng)力法通過實時測量螺栓預(yù)緊力（軸力），用以判斷螺栓是否失效，應(yīng)用于風(fēng)機高強螺栓監(jiān)測，具有如下優(yōu)點：不會對螺栓產(chǎn)生任何損傷；不影響螺栓連接結(jié)構(gòu)；也無需對螺栓上的字樣進行打磨，操作方便；精度較高，監(jiān)測精度較高，誤差能控制在±3%以內(nèi)。 應(yīng)用超聲應(yīng)力法監(jiān)測螺栓的預(yù)緊力，結(jié)合后臺大數(shù)據(jù)分析，能有效對螺栓的松動和斷裂提供預(yù)警，降低風(fēng)機運行損失，提高風(fēng)機運行的效率和安全，是比較理想的螺栓在線監(jiān)測技術(shù)，近幾年發(fā)展迅速，已有眾多的風(fēng)場投入使用。

2 螺栓在線監(jiān)測系統(tǒng)介紹

螺栓在線監(jiān)測系統(tǒng)一般由傳感器和采集計算系統(tǒng)構(gòu)成，以長沙飚能信息科技有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品為例，該系統(tǒng)由超聲探頭、通道采集器、通訊控制器、傳輸線路、服務(wù)器和終端控制軟件構(gòu)成， 通道采集器與通訊控制器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集單元，一般采用分布式設(shè)計（見圖1），監(jiān)測通道可根據(jù)實際監(jiān)測點數(shù)量進行靈活配置， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 螺栓在線監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

圖2 螺栓在線監(jiān)測系統(tǒng)

超聲波探頭是螺栓預(yù)緊力監(jiān)測的重要傳感器， 使用的是脈沖反射法。 該法是將超聲波探頭用耦合劑放在螺栓的一端， 探頭首先產(chǎn)生一個聲脈沖穿過螺栓的整個長度，在另一側(cè)被反射回超聲波探頭，測量聲脈沖信號的傳播時間。 將螺栓規(guī)格參數(shù)事先輸入儀器，便可得出聲 脈沖傳播時間、螺栓伸長量、載荷和軸向應(yīng)力[4]。超聲波探頭安裝于螺栓露頭端部，一般采用磁吸和耦合膠安裝，具有防水防塵、抗干擾能力。

通道采集器采用繼電器進行通道切換， 根據(jù)命令輪循開啟測量通道，同時還具有前置放大和濾波功能，超聲波探頭信號通過通道采集器轉(zhuǎn)發(fā)到通訊控制器， 一套系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)測點的個數(shù)由多個通道采集器串聯(lián)或并聯(lián)而成。通訊控制器為整個系統(tǒng)的電源和通訊控制中心，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的指令上傳下達(dá)以及數(shù)據(jù)報文的上傳， 具有高通濾波、高精度采樣、實時計算、實時通訊等功能，每臺風(fēng)機根據(jù)需要可配有一臺或多臺通訊控制器。 通訊控制器具有有線、4G、WIFI 等多種通訊方式，方便接入風(fēng)場內(nèi)網(wǎng)或獨立傳輸數(shù)據(jù)。 通道采集器與通訊控制器一般采用壓鑄鋁一體成型外殼，具有較好的密封性和防護等級，能滿足高溫、高濕、鹽霧、振動等特殊環(huán)境要求。

后臺監(jiān)測軟件（圖3）一般采用B/S 或C/S 架構(gòu)，方便以風(fēng)場為單位進行部署。 能實時顯示所有監(jiān)測點的螺栓預(yù)緊力和預(yù)警信息（圖4），及時提醒運維人員處理異常情形。螺栓預(yù)緊力以曲線或圖表方式直觀地呈現(xiàn)，方便查看歷史數(shù)據(jù)和變動趨勢， 為了解螺栓在各種工況下的受力情況提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。為了與運維工作相結(jié)合，后臺軟件還具備自動報表生成、自主分析數(shù)據(jù)等功能，能有效配合業(yè)主、主機廠和運維人員分析故障類型、制定運維方案、改進設(shè)計、優(yōu)化施工等。

圖3 螺栓在線監(jiān)測后臺軟件

圖4 預(yù)警信息顯示

3 案例分析

案例一：湖南省永州市某風(fēng)場運營超過40 臺2.5MW風(fēng)機，由于風(fēng)機型號較早，技術(shù)不完善，葉根及塔筒螺栓經(jīng)常發(fā)生斷裂。特別是葉根螺栓斷裂后難以及時發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重影響風(fēng)機安全，同時斷裂的埋入端需要人工取出，操作非常困難，需要長時間停機，影響高峰期的發(fā)電量。 鑒于此， 主機廠遂決定對葉根及塔基螺栓進行在線監(jiān)測 （圖5）。 該項目于2019 年底啟動，項目主要監(jiān)測三個葉根及塔基連接螺栓，共計32 個監(jiān)測點，數(shù)據(jù)實時上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺，后臺軟件可隨時查看預(yù)緊力值及報警信息。單臺風(fēng)機每年總預(yù)緊力數(shù)據(jù)可達(dá)10 萬條， 很好地監(jiān)控到不同工況下葉根及塔筒螺栓預(yù)緊力變化的數(shù)值。2021 年底，成功監(jiān)測到葉根螺栓斷裂，及時給予報警信息，避免了風(fēng)機安全事故的發(fā)生。

圖5 永州市某風(fēng)場螺栓監(jiān)測系統(tǒng)通訊控制器現(xiàn)場安裝圖

案例二：內(nèi)蒙古風(fēng)資源豐富，風(fēng)機林立，通遼某風(fēng)場新裝機組葉根螺栓松動和斷裂頻繁，超出正常頻率，業(yè)主與主機廠協(xié)商對兩臺風(fēng)機葉根螺栓進行在線監(jiān)測研究（圖6）。 每個葉根監(jiān)測8 顆螺栓，兩臺機組共監(jiān)測48 顆，監(jiān)測點重點選取受力較大的合?？p部位， 采用非均布方式。 整個項目于2021年底實施完，已不間斷獲取螺栓預(yù)緊力數(shù)據(jù)達(dá)50 萬條， 成功監(jiān)測到了停機、變槳、大風(fēng)等工況條件下預(yù)緊力的變動情況，為業(yè)主調(diào)整螺栓運維方式和時間提供了寶貴的數(shù)據(jù)，增加了風(fēng)機葉片連接安全性，到目前為止，尚未有葉片因螺栓問題發(fā)生斷裂或脫落。

案例三： 位于云南省某風(fēng)場共裝機50 余臺2.2MW雙饋型風(fēng)機，2018 年投入運行以來，故障率偏高，除電氣、傳動等常規(guī)故障外，高強螺栓問題比較突出，螺栓斷裂達(dá)到每月10 次以上。 其中葉根連接部位為主要螺栓斷裂點，2022 年上半年有4 臺風(fēng)機出現(xiàn)葉根螺栓斷裂，每臺斷裂2-3 根。 螺栓斷裂后，需停機檢修，造成了較大的發(fā)電損失。 而且由于只能人工排查，運維人員不能實時上機，往往事后才能發(fā)現(xiàn)， 有時甚至找不到斷裂的螺栓殘留部件， 給風(fēng)機電氣設(shè)備及附近環(huán)境和人員造成極大的安全隱患。

根據(jù)現(xiàn)場需求， 項目對風(fēng)機三個葉根及四級塔筒螺栓進行在線監(jiān)測（圖7，圖8），每個法蘭面選取四個關(guān)鍵點，為方便運維人員隨時查看，采用4G 方式通訊。項目于2022 年10 月份實施完，經(jīng)過兩個月的監(jiān)測，成功采集到螺栓預(yù)緊力長期變動情況。根據(jù)監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，按風(fēng)場的經(jīng)驗標(biāo)準(zhǔn) （偏差10%以內(nèi)正常，10-30%偏小，30%以上為松動）判斷，預(yù)緊力合格率為58.3%（表1），不到六成，其余都存在預(yù)緊力偏小情況，有少量已經(jīng)出現(xiàn)松動。預(yù)緊力偏小則會導(dǎo)致葉片連接松弛，葉片振動幅度增大，反映在連接螺栓上就是瞬間沖擊增大， 容易導(dǎo)致螺栓疲勞斷裂或者過載斷裂。從監(jiān)測結(jié)果可知，預(yù)緊力偏小是導(dǎo)致葉根螺栓頻繁斷裂的原因之一，風(fēng)場可根據(jù)長期監(jiān)測結(jié)果，對運維時間及參數(shù)進行調(diào)整，以減少螺栓斷裂風(fēng)險。

表1 云南省某風(fēng)場葉根螺栓監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖7 云南省某風(fēng)場塔筒螺栓監(jiān)測

圖8 云南省某風(fēng)場葉根螺栓監(jiān)測

4 應(yīng)用前景展望

風(fēng)電行業(yè)隨著補貼的取消， 人力成本和安全性已成為制約風(fēng)電企業(yè)盈利的關(guān)鍵因素之一，提高風(fēng)機安全、技術(shù)替代人工已成為行業(yè)共識。 作為輔助監(jiān)控系統(tǒng)新興的技術(shù)之一，螺栓在線監(jiān)測已過了初步市場培育階段，其作用和意義已被行業(yè)所認(rèn)可。 特別是海上風(fēng)機， 單臺造價高，體積大，螺栓數(shù)量龐大，運維人員登塔作業(yè)時間非常有限，對智能化運維需求更加迫切。 而螺栓在線監(jiān)測系統(tǒng)采用先進的超聲技術(shù)，能無損、快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測螺栓的實時預(yù)緊力，對風(fēng)機螺栓的連接情況、健康狀況作出分析判斷，及時發(fā)現(xiàn)、處理螺栓的異常狀況，可為業(yè)主及運維方提供有效的運維保養(yǎng)判斷與建議，避免風(fēng)機因螺栓問題引發(fā)安全事故的發(fā)生。 通過監(jiān)測螺栓的受力情況，還可以預(yù)估螺栓的松斷變化過程和疲勞壽命， 有效制定運維的時間，減少不必要的浪費，避免少打、多打、盲打力矩，降低誤打力矩或拉拔對螺栓的損壞，起到降本增效的目的。 因此螺栓在線監(jiān)測近年發(fā)展速度明顯加快，2022 年已有少量陸地和海上風(fēng)場進行批量化嘗試，未來前景光明。