《如何确保风机高强度螺栓紧固连接规范在高空振动状态下
二十年不断裂倒塌及风电行业长期繁荣景气》探讨

　　风电设备主要是野外作业。自然条件恶劣，风雨雷电，酷暑严寒，直接影响到风电设备的安全运行。而高强度螺栓又是风电机组极其重要的连接件，一旦螺栓失效，将会造成风机倒塌倾斜的严重后果。
　　近来不断发生风电机组倒塌的事故，已经引起相关行业的高度重视。
　　1、就高强度螺栓制造行业而言，应多探究如何保证产品质量达到国际同业技术标准。是否能充分满足GB3098.1对高强度螺栓的要求，特别是在抗拉强度σb、屈服强度σs、伸长率δ5、收缩率Ψ等基本参数的要求方面是高强度螺栓质量确保合格的硬指标。因此必须要达到GB3098.1的规定。
　　2、就高强度螺栓连接副的安装而言，务必要按规定的预紧扭矩值及规定的施拧方式（分初拧和终拧）进行施工。
　　不少风机倒塌事故是没有拧紧螺栓，即没有达到预紧力和预紧扭矩值，没有真正意义上的紧固到位。在风机运转所产生的强振作用下，产生轴向和横向的交变载荷，造成连接副松动，进而引起螺栓的疲劳和延迟断裂。
　　3、风机在线实时监控设备需配套运营，尤其前二年安装风机已到了保质期，有些配件零部件进入损耗周期风机故障逐步显现。如用传感器监测风电机组叶片故障的振动，螺栓松动，齿轮箱故障引起的失速和轴承温度监测等。风电机组状态监测技术的滞后，配置不足也是风电机组发生倒塌事故无法事先预测排除在萌芽状态的重要原因之一。
　　根据我厂对大型起重吊机及卫星发射架和风机等产品的多年的摸索，特别借鉴消化吸收国内外的先进经验，我们研究了JG/T5057.40和德标DASt的相关数据，认识到首先要解决施拧不当而造成预紧力和预紧扭矩不足的重大问题。经过对以上标准中相关参数的计算，发现在摩擦系数 μ=0.14的条件下，扭矩系数k并不是0.14，也不是k=0.11～0.15，而是远远大于这些数值，扭矩系数k≥0.18。
　　而在GB/T1231中，同批连接副的扭矩系数平均值为k=0.11～0.15，标准偏差 ≤0.01 ，只是用于钢结构用摩擦连接型高强度螺栓连接副，仅限于M12～M30粗牙，钢制，经表面防锈处理的高强度螺栓。而对大直径M36～M64～M160,在振动状态使用则参照德标k=0.15～0.21，美国k=0.20～0.21，日本k=0.15～0.19资料网上可查阅。
　　扭矩系数k不是摩擦系数μ，它包括了拧紧力矩与预紧力之间关系的一切影响因素。如摩擦、扭转、弯曲、螺纹的塑性变形，以及那些可预测与不可预测的所有因素。所以，尽管计算k值的公式众多，但仅能用实验或经验加以确定。为准确地预测出k值，应通过试验确定它的平均值与标准偏差，这样可以在一定的置信水平下，参照已知施加拧紧力矩值，求出相应预紧力的最大值和最小值（见①《常用紧固件产品手册》P26 李维荣主编，②GB/T16823.2《螺纹紧固件紧固通则》③GB/T16823.3《螺纹紧固件试验方法》）。
　　由此可见，我们在用扭矩法对风机大直径高强度螺栓副进行施拧确定扭矩值时，仍然采用k=0.11～0.15,以大型螺栓套用小型螺栓标准显然是走进了误区。 比如M36螺栓，当k=0.11时，0.11×530×36=2099Nm；当k=0.15时，0.15×530×36=2862Nm。两者相差2862-2099=763Nm。造成预紧力和预紧扭矩严重不足，螺栓连接副极易松动。在野外环境，且强振动的工作状态下，高强度螺栓发生松动、疲劳、延迟断裂就不足为奇了。
　　为了能确保风机螺栓不断裂，排除因施拧不当而造成螺栓预紧力和预紧扭矩值不足及延迟断裂的风险，我们以为国标JG/T5057.40及德标DASt为依据，是符合欧美日本国家技术要求的。经过仔细计算编制了《大直径高强度螺栓预紧力和预紧扭矩值》，提出了“高强度螺栓连接副实际使用预紧扭矩最低值”的概念，紧固锁紧必须达到高强度螺栓屈服强度80%以上的锁紧理念。对风电螺栓的规范安装，克服螺栓连接副发生松动、疲劳及延迟断裂，确保风电螺栓二十年不断是一种有益的尝试。
　　结论与探讨：
　　1、高强度螺栓是风力发电机组中极其重要的连接件，它直接影响着风电结构的承载能力、使用寿命与安全性能。因此螺栓的安全设计及校核是风力发电机组结构中非常关键的部分。我厂根据国外与国内先进经验在多年的生产实践，风机安全运营新课题上同仁应在选材、加工工艺、热处理工艺、表面处理以及正确的安装等各个环节，都应制定了严格的规范和要求,并切实加以执行。
　　风力发电机组由于工作环境条件比较恶劣，1.5MW～2MW一台风机自重达250吨左右，机舱加叶片约130吨靠塔架支撑，所以风电机组三个重要载重部位最重要的①叶轮与轮毂机舱连接高强度螺栓约200套～300套螺栓连接副；②主力大盘法兰塔筒连接高强度螺栓约300套左右连接副； ③特别是地脚基础部分连接用的高强度地脚螺栓连接副，每台风力发电机组大约120～180套，是分别载重130吨机舱组及叶片及整机250吨。这些连接紧固用的高强度螺栓连接副均处于十分关键重要的部位，对风机的安全运行起着至关重要的安全保障作用。目前国外工业发达国家如德国、丹麦、美国、日本等在风机用大直径、高强度螺栓制造方面有几十年成熟历史，质量控制可靠到位，使用安全系数较高。中型风机2MW以上机组未发生因螺栓断裂而引起整机倒塌案例。
　　我们建议三大重要部位在2.5MW以上风机上（自重280吨左右，另5MW～6MW 400吨左右），这些关键部位的大直径高强度螺栓连接副应从国外进口（其他非关键部位则国内采购），以确保风力发电机组运行的安全可靠。以用人民币二十万元左右螺栓代价仅1%左右保障二～三千万元整机不倒塌是绝对值得的。
　　2、加强风电机组的在线状态系统安全监测。如对风电机组传动链部件（转轴、齿轮箱与发电机）的监测、振动的监测、螺栓松动检测、油液的监测、温度的监测、防火监测、过程参数监测以及特性参数检查等。目前许多监测项目如基于系统识别或基于观测器的方法，还没有能应用到风电机组中。
　　加强离线状态监测，监测人员应用便携式采集设备定期为风机机组传动系统等进行数据采集并进行数据分析。根据数据分析结果，结合运行情况对风力发电机组作出安全状态评估，指出故障位置以及故障的严重程度及时处理。只有在线与离线监测结合起来，才能起到互补作用，保障风电机组安全运营。
　　3、强调与突出高强度螺栓连接副实际使用预紧扭矩最低值概念，在施拧中确保预紧扭矩最低值（见附表），这样可预防高强度螺栓因施拧不当，未真正达到紧固要求而造成的延迟断裂等重大隐患问题。
　　4、建立风机配件供应商淘汰机制：（整机设计及整机供应商质量还是可靠的）如果在三年内配件供应商因其配件不合格本身质量问题，造成风机倒塌或垂头等重大质量事故六起以上的，应坚决公开曝光，造成损失应按实赔偿不能少赔轻罚，并淘汰出局。以此敲响警钟，警示同行业风机配件供应商。
　　原上海振华港机是全国起重港口企业的楷模，进入全国500强，受到中央领导的多次关怀。他们的先进管理模式、理念、科学发展观、创新开拓精神将企业成功推向世界港口龙头企业，创造出历史辉煌业绩，成功经验值得各行业学习。
　　由于多种原因百密一疏，轻易相信了下属高强度螺栓等配套企业恒定的质量，造成部分配套吊机失误，影响了整机的产品质量……，加之金融危机的影响造成吊机订单减少。从原来股票价格从32.80元下降到7.00元，连续二年亏损。
　　这教训也应引起风电行业的高度重视，同时我们相信振华港机重振雄风一定会走出低谷，再创历史新的辉煌。
　　提倡风电行业整机与配件供应商为进一步提高产品质量，为中国风机达到世界同类质量与寿命为前提，不进行竞相低价竞争获得订单商机，参考国外同类产品价格为基数，同国际价格接轨或打七折价，像国内成品油参考国际市场定价机制上下浮动。
　　本厂不参与同行业低价竞争，但愿意承接高难度大直径高强度风电机组螺栓连接副的生产。
　　价廉伤企，低价伤质。延长风机寿命，提高发电总量，增加经济效益，减少投资摊派成本，适当保证风机整机与配件基本利润，风机制造商与风场企业实现双赢，保证风电行业长期繁荣景气。促进提高风机质量，延长整机使用达20～30年寿命，这才是风机行业整机与配件供应商的根本目的。
　　5、吸取前苏联切尔诺贝利核电与日本东电核泄漏经验，建议政府给予行业政策倾斜支持。以风电代部分核电，扩大风电在低碳经济及总发电量的比重，请各级地方政府、国家电网大力支持及并网等技术和政策扶助倾斜，加强提高财政支持力度。以高质量安全风机稳定电源输出，满足工农业民用电的需求，使风电事业在未来几十年在国民经济中发挥更大的作用。
　　造成风电机组倒塌的原因是多方面的，但由于高强度螺栓断裂造成是大概率的。高强度紧固件在风电机组中，安全重要性是不容置疑的，正确的扭矩系数的确定，预紧力和预紧扭矩最低值的规范化，要树立紧固力矩大于使用高强度螺栓屈服强度的80%以上的紧固锁紧理念以及行之有效的安装方法等等。这些是我们高强度螺栓制造行业共同研究的课题，只有解决好这些问题，才能确保风电机组连接紧固件不失效，才能真正避免高强度螺栓连接副在风电机组中的防疲劳、松动、延迟断裂等事故，保证风电机组的安全可靠运行是行业幸事。
　　我们认为：如果风电机组高强度螺栓连接副能按附表所列参考数据规范施拧连接，那么风机在高空振动状态下，整机连接紧固整体抗震可确保紧固二十年不断裂是没问题的，是安全可靠的。
　　在各级政府行业协会及风电领军企业领导的关心支持指导下，坚持科学原理，以质量为生命，风电行业有着无限光明的前景。
　　此系技术探讨，不当之处敬请领导专家同仁们指导指正。

《以下参考数据可预防高强度螺栓因施拧不当而造成的延迟断裂》
大直径高强度螺栓预紧力和预紧扭矩值（摩擦系数µ=0.14）
(参照JG/T5057.40)

大直径高强度螺栓预紧力和预紧扭矩值
(参照德标DASt)

备注：
　　按以上最低值施拧，有弹性紧固锁紧效用的同时也考验该高强度螺栓先天质量优劣。低于此最低数值施拧并不会断裂倒塌，但在防抗疲劳、防抗振松动、防抗剪切交变应力、防延迟断裂上有一定风险。高强度螺栓施拧低于最低数值（屈服强度70%左右）而螺栓已经发生伸长、缩颈了。因为其主要技术参数指标抗拉强度、屈服强度根本没有达标，机械性能严重缺陷，肯定是伪劣产品，应予以拆下退货。