螺栓在線監測在風電領域的應用及前景

馮 標， 高 躍， 曹云棟， 石海瑞， 張文康， 席傳讓

（1.華能大理風力發電有限公司， 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，隨著國家新能源戰略的實施，風力發電機裝機容量快速增加，潛在的施工、安裝及設計制造問題比較突出，導致了葉片脫落、倒塌等事故頻發。同時，在風場建設降本驅動下， 風機向著更高、 單機容量更大的方向發展，也加大了事故發生的風險。 2022 年4 月12 日，河南安陽某30MW 分散式風電項目發生一起風機倒塌事故，塔筒折斷。 2022 年6 月10 日， 河南省新鄉市某型4MW風力發電機倒塌，150 余米直徑葉片掉落，主體結構一分為二，海上風機也出現多起類似事故。

究其原因，在于風機常年工作在惡劣的氣候條件下，除地基沉降、結構缺陷等因素外，高強度螺栓連接失效也極容易導致最后事故的發生。 風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鍵零部件的主要元件之一[1]，承擔著傳遞載荷、保持結構穩定的重要作用。 這些螺栓長期工作在振動、交變載荷的工況中，極易發生松動、疲勞損傷、斷裂等失效問題，如果不能及時發現和解決，整個法蘭面連接狀況將急劇惡化，進而導致接觸面分離、異常振動、葉片掉落等現象。 斷裂的螺栓部件也容易損壞風機設備， 導致風機停機、甚至損毀，產生較大的發電量及財產損失。

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

綜上所述， 風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定性， 但目前尚無有效手段即時發現螺栓的失效問題，也缺乏對螺栓連接狀況進行健康監測與安全預警的相關技術。 因此，對螺栓進行在線監測，有著實際的需求，對保證機組安全運行意義重大。

1 技術路線

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；循環荷載作用下，交變應力引起的螺栓疲勞斷裂失效[2]。 市場上針對螺栓失效監測的技術主要有反旋法、位移法、應力法等。

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

位移法： 通過監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開口等極端情況，不能起到事先預防作用。

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

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

2 螺栓在線監測系統介紹

螺栓在線監測系統一般由傳感器和采集計算系統構成，以長沙飚能信息科技有限公司生產的產品為例，該系統由超聲探頭、通道采集器、通訊控制器、傳輸線路、服務器和終端控制軟件構成， 通道采集器與通訊控制器構成數據采集單元，一般采用分布式設計（見圖1），監測通道可根據實際監測點數量進行靈活配置， 系統結構如圖2所示。

圖1 螺栓在線監測系統原理圖

圖2 螺栓在線監測系統

超聲波探頭是螺栓預緊力監測的重要傳感器， 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， 探頭首先產生一個聲脈沖穿過螺栓的整個長度，在另一側被反射回超聲波探頭，測量聲脈沖信號的傳播時間。 將螺栓規格參數事先輸入儀器，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發到通訊控制器， 一套系統可根據監測點的個數由多個通道采集器串聯或并聯而成。通訊控制器為整個系統的電源和通訊控制中心，負責整個系統的指令上傳下達以及數據報文的上傳， 具有高通濾波、高精度采樣、實時計算、實時通訊等功能，每臺風機根據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，方便接入風場內網或獨立傳輸數據。 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、振動等特殊環境要求。

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

圖3 螺栓在線監測后臺軟件

圖4 預警信息顯示

3 案例分析

案例一：湖南省永州市某風場運營超過40 臺2.5MW風機，由于風機型號較早，技術不完善，葉根及塔筒螺栓經常發生斷裂。特別是葉根螺栓斷裂后難以及時發現，嚴重影響風機安全，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，影響高峰期的發電量。 鑒于此， 主機廠遂決定對葉根及塔基螺栓進行在線監測 （圖5）。 該項目于2019 年底啟動，項目主要監測三個葉根及塔基連接螺栓，共計32 個監測點，數據實時上傳至物聯網平臺，后臺軟件可隨時查看預緊力值及報警信息。單臺風機每年總預緊力數據可達10 萬條， 很好地監控到不同工況下葉根及塔筒螺栓預緊力變化的數值。2021 年底，成功監測到葉根螺栓斷裂，及時給予報警信息，避免了風機安全事故的發生。

圖5 永州市某風場螺栓監測系統通訊控制器現場安裝圖

案例二：內蒙古風資源豐富，風機林立，通遼某風場新裝機組葉根螺栓松動和斷裂頻繁，超出正常頻率，業主與主機廠協商對兩臺風機葉根螺栓進行在線監測研究（圖6）。 每個葉根監測8 顆螺栓，兩臺機組共監測48 顆，監測點重點選取受力較大的合模縫部位， 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緊力數據達50 萬條， 成功監測到了停機、變槳、大風等工況條件下預緊力的變動情況，為業主調整螺栓運維方式和時間提供了寶貴的數據，增加了風機葉片連接安全性，到目前為止，尚未有葉片因螺栓問題發生斷裂或脫落。

案例三： 位于云南省某風場共裝機50 余臺2.2MW雙饋型風機，2018 年投入運行以來，故障率偏高，除電氣、傳動等常規故障外，高強螺栓問題比較突出，螺栓斷裂達到每月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 臺風機出現葉根螺栓斷裂，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，往往事后才能發現， 有時甚至找不到斷裂的螺栓殘留部件， 給風機電氣設備及附近環境和人員造成極大的安全隱患。

根據現場需求， 項目對風機三個葉根及四級塔筒螺栓進行在線監測（圖7，圖8），每個法蘭面選取四個關鍵點，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，經過兩個月的監測，成功采集到螺栓預緊力長期變動情況。根據監測得到的數據，按風場的經驗標準 （偏差10%以內正常，10-30%偏小，30%以上為松動）判斷，預緊力合格率為58.3%（表1），不到六成，其余都存在預緊力偏小情況，有少量已經出現松動。預緊力偏小則會導致葉片連接松弛，葉片振動幅度增大，反映在連接螺栓上就是瞬間沖擊增大， 容易導致螺栓疲勞斷裂或者過載斷裂。從監測結果可知，預緊力偏小是導致葉根螺栓頻繁斷裂的原因之一，風場可根據長期監測結果，對運維時間及參數進行調整，以減少螺栓斷裂風險。

表1 云南省某風場葉根螺栓監測數據統計表

圖7 云南省某風場塔筒螺栓監測

圖8 云南省某風場葉根螺栓監測

4 應用前景展望

風電行業隨著補貼的取消， 人力成本和安全性已成為制約風電企業盈利的關鍵因素之一，提高風機安全、技術替代人工已成為行業共識。 作為輔助監控系統新興的技術之一，螺栓在線監測已過了初步市場培育階段，其作用和意義已被行業所認可。 特別是海上風機， 單臺造價高，體積大，螺栓數量龐大，運維人員登塔作業時間非常有限，對智能化運維需求更加迫切。 而螺栓在線監測系統采用先進的超聲技術，能無損、快速、準確地監測螺栓的實時預緊力，對風機螺栓的連接情況、健康狀況作出分析判斷，及時發現、處理螺栓的異常狀況，可為業主及運維方提供有效的運維保養判斷與建議，避免風機因螺栓問題引發安全事故的發生。 通過監測螺栓的受力情況，還可以預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。 因此螺栓在線監測近年發展速度明顯加快，2022 年已有少量陸地和海上風場進行批量化嘗試，未來前景光明。