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摘要：風(fēng)電螺栓在線健康監(jiān)測技術(shù)目前屬于比較前沿技術(shù)領(lǐng)域，有多種技術(shù)路線和方案，并不被行業(yè)廣泛認(rèn)知。本文綜合概述風(fēng)電螺栓在線健康監(jiān)測的各種技術(shù)路線和方案，從功能，性能，安裝維護(hù)等各個(gè)方面進(jìn)行綜述，讀者可以從中獲得比較全面的認(rèn)知。對于從業(yè)者，可以結(jié)合項(xiàng)目的需求，選擇合適的技術(shù)路線和方案。

來源：北極星風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)

作者：嘉興博感科技有限公司 劉雙文 劉磊 戴暉輝

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組造價(jià)昂貴，且使用環(huán)境惡劣,工況復(fù)雜，在運(yùn)行過程中，長期受振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)、剪切等各種載荷的綜合作用，各部件及部件間的連接緊固件會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷。各部位螺栓尤其是葉根螺栓時(shí)常發(fā)生螺栓緊固降低甚至螺栓斷裂等故障。若故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，會(huì)引發(fā)風(fēng)電機(jī)組發(fā)生設(shè)備事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重的會(huì)連帶發(fā)生人身傷害事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年都會(huì)出現(xiàn)因螺栓松動(dòng)、斷裂等原因引發(fā)的倒塔、葉片脫落等嚴(yán)重設(shè)備事故。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)作業(yè)現(xiàn)場通常在近海和偏僻的山區(qū)，現(xiàn)場維護(hù)困難，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，甚至需要停機(jī)維護(hù)，導(dǎo)致維護(hù)代價(jià)不菲。

因此，能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)獲得螺栓的健康狀態(tài)顯得尤為重要。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前風(fēng)電螺栓的在線健康監(jiān)測有了一定程度的發(fā)展，前期通過試裝試用，相關(guān)技術(shù)路線已經(jīng)獲得用戶認(rèn)可，一些新建風(fēng)場已經(jīng)把螺栓在線健康監(jiān)測系統(tǒng)作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置。

風(fēng)電螺栓的在線健康監(jiān)測技術(shù)路線：

1.超聲波方法：

該方法是當(dāng)前行業(yè)主流的技術(shù)路線，也是監(jiān)測螺栓軸力精準(zhǔn)的技術(shù)。

在螺栓一端的端面安裝超聲螺栓監(jiān)測傳感器或探頭，發(fā)射和接收超聲波信號，利用超聲波在另一個(gè)端面反射的原理測量超聲飛行時(shí)間。

超聲法

博感無線超聲螺栓監(jiān)測傳感器

螺栓在軸向拉力下會(huì)伸長，相應(yīng)超聲飛行時(shí)間變長，在螺栓的彈性工作區(qū)域，螺栓伸長量和螺栓軸向拉力成線性關(guān)系；同時(shí)在不同軸向應(yīng)力下，超聲信號的波速也相應(yīng)變化，兩者也是線性關(guān)系。其綜合表現(xiàn)為超聲飛行時(shí)間變化量和螺栓軸力變化量成線性關(guān)系。通過標(biāo)定，可以獲得超聲飛行時(shí)間變化量和螺栓軸力變化量之間的相關(guān)系數(shù)。在監(jiān)測時(shí)，測量到超聲飛行時(shí)間，減去螺栓的初始軸力狀態(tài)時(shí)的超聲飛行時(shí)間，獲得超聲飛行時(shí)間差，并計(jì)算出螺栓軸力的變化量。再根據(jù)螺栓的初始軸力計(jì)算出螺栓當(dāng)前的軸力[1]。超聲波的波速隨溫度變化而變化，必須要作溫度補(bǔ)償。

圖1 超聲飛行時(shí)間差和螺栓軸向拉力的關(guān)系

如果螺栓出現(xiàn)斷裂情況，超聲信號會(huì)在斷裂的位置返回，測量到的螺栓長度和實(shí)際長度不相符，可判斷螺栓是否出現(xiàn)斷裂和斷裂位置。

超聲法優(yōu)點(diǎn)：

· 直接測量軸向參數(shù)，精度高，綜合精度達(dá)到2%以內(nèi)；

· 非侵入式，不影響螺栓性能，且安裝方便；

· 可以監(jiān)測螺栓徑向部分?jǐn)嗔鸦蛲耆珨嗔眩?/p>

· 在螺栓中傳導(dǎo)的超聲波是一種機(jī)械波，不受電磁環(huán)境干擾，抗干擾性強(qiáng)。

超聲法缺點(diǎn)是在探頭和被測物之間需要超聲耦合，安裝較復(fù)雜。

2.角度方法：

通過檢測螺母相對螺栓的旋出角度監(jiān)測螺栓的松動(dòng)。

該技術(shù)路線主要包含兩者方法，一種方法是傳感器法，一個(gè)傳感器監(jiān)測一個(gè)螺栓，如下圖所示博感松動(dòng)角度傳感器；另一種方法是用通過攝像頭拍攝圖片，并進(jìn)行圖像處理，計(jì)算出松動(dòng)旋出角度。

博感松動(dòng)角度傳感器

角度法優(yōu)點(diǎn)：

· 安裝簡單便捷，直接適配插入螺母；

· 傳感器法精度高，博感松動(dòng)角度傳感器現(xiàn)場實(shí)測精度小于0.5度；

· 成本低。

角度法缺點(diǎn)：

· 圖像處理法的精度在2度以上，受視角等影響；

· 不能直接測量螺栓軸力，螺栓松動(dòng)角度和預(yù)緊力間接相關(guān)。某些情況下，比如負(fù)載過大導(dǎo)致螺栓產(chǎn)生塑變松動(dòng)，螺栓軸力變小，而角度并無變化；

· 相對于超聲法，角度法不能直接監(jiān)測螺栓斷裂。

3.應(yīng)變法：

通過在螺栓外表面上粘接應(yīng)變片，或者在螺栓中心軸向上打孔埋入應(yīng)變計(jì)，通過檢測螺栓軸向的應(yīng)變，計(jì)算出螺栓的軸力；

或者埋入應(yīng)變片、光纖光柵應(yīng)變計(jì)在中空式墊片中，通過檢測中空式墊片中結(jié)構(gòu)的應(yīng)變檢測螺母的壓力。

應(yīng)變法優(yōu)點(diǎn)：

· 應(yīng)變法的測量精度較高，綜合精度可以達(dá)到3%；

應(yīng)變法缺點(diǎn)：

· 在表面粘接應(yīng)變片，不利用現(xiàn)場應(yīng)用，施工復(fù)雜，且應(yīng)變片容易受損；

· 在螺栓上打孔，會(huì)影響螺栓的性能，現(xiàn)場施工困難；

· 埋入應(yīng)變片或光纖光柵應(yīng)變計(jì)在中空式墊片中，中空式墊片在大的軸向力下存在坍塌受損，直接導(dǎo)致螺栓松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)墊片需要插入到螺母和被測結(jié)構(gòu)之間，影響螺栓的緊固性能，且安裝尤其是后裝困難；為了能夠承受大的壓力，中空式墊片外形尺寸相比螺母大很多，也受安裝空間限制；

· 應(yīng)變法受環(huán)境電磁輻射干擾和溫度影響很大；

· 相對于超聲法，應(yīng)變法不能直接監(jiān)測螺栓斷裂。

每種風(fēng)電螺栓的在線健康監(jiān)測技術(shù)路線又分為有線和無線兩種系統(tǒng)方案：

有線方案是傳感器和采集器之間采用有線連接的方式。

無線方案是傳感器和數(shù)據(jù)匯聚器（網(wǎng)關(guān)）之間采用無線連接的方式。

1.有線方案：

現(xiàn)場施工非常困難，尤其是葉根螺栓的施工。采集器到每一個(gè)傳感器之間需要至少一根導(dǎo)線，導(dǎo)線數(shù)量大，走線距離遠(yuǎn)（十幾米）。通常導(dǎo)線沿著法蘭固定在螺栓上，維護(hù)螺栓時(shí)，需要拆下導(dǎo)線，維護(hù)完之后再固定導(dǎo)線，影響螺栓的維護(hù)工作。葉根螺栓部位空間狹窄，采集器必須放到葉片或者輪轂里面，要從被監(jiān)測螺栓布線到采集器，導(dǎo)線必須經(jīng)過變槳軸承齒輪，施工不便甚至影響到變槳軸承旋轉(zhuǎn)。由于采集器到傳感器之間有長導(dǎo)線，容易受電磁環(huán)境干擾。

超聲法需要溫度補(bǔ)償，有線方案的超聲探頭沒有集成溫度傳感器，需要每個(gè)螺栓額外增加溫度探頭和導(dǎo)線，進(jìn)一個(gè)增加施工困難；部分有線方案在一個(gè)法蘭上的螺栓共用一個(gè)溫度探頭，實(shí)際上同一個(gè)法蘭上螺栓之間的溫度差達(dá)到10-20度，使得溫度補(bǔ)償不準(zhǔn)確；有些方案沒有溫度監(jiān)測，不能做溫度補(bǔ)償。

2.無線方案：

目前市場上提供無線方案的很少，博感提供了包括超聲法和角度法的無線方案。

博感無線方案有如下優(yōu)勢：

安裝簡單，系統(tǒng)簡潔，使用簡便。

測量電路和探頭之間的超聲傳輸導(dǎo)線非常短（內(nèi)部），避免受到電磁干擾。

每個(gè)傳感器探頭集成了高精度的溫度傳感元件，能夠精確測量每個(gè)螺栓的溫度并做溫度補(bǔ)償。

金屬外殼加灌封膠密封保護(hù)超聲壓電片，探頭可靠性高，可重復(fù)使用。

超聲飛行時(shí)間測量精度是用了專業(yè)的時(shí)間測量芯片，精度達(dá)到50ps級。

通過同時(shí)檢測一個(gè)法蘭上的4-8個(gè)螺栓的軸力或松動(dòng)角度，計(jì)算出整個(gè)法蘭上其它螺栓的軸力或松動(dòng)角度。

超低功耗技術(shù)，電池供電，正常使用能夠續(xù)航10年。

博感無線超聲方案

總結(jié)：

風(fēng)電螺栓的在線健康監(jiān)技術(shù)的幾種技術(shù)路線和方案，目前主流是超聲技術(shù)路線，相對其它技術(shù)路線有一定的優(yōu)勢。在超聲技術(shù)上，需要實(shí)現(xiàn)超聲信號的發(fā)射，通常需要幾十上百伏的激勵(lì)電壓，接收需要高增益低噪聲電路，還要實(shí)現(xiàn)高速模擬-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理計(jì)算，傳統(tǒng)采集器的體積和功耗很大，成本高。博感的研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年的技術(shù)創(chuàng)新和積累，成功實(shí)現(xiàn)超聲系統(tǒng)微型化到能夠安裝到螺栓上，同時(shí)做到無線超低功耗，并降低成本適于大規(guī)模應(yīng)用。博感的無線超聲技術(shù)和無線角度技術(shù)方案，已經(jīng)在多個(gè)風(fēng)場有長時(shí)間的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王路,季獻(xiàn)武,張道鋼,等. 螺栓軸向應(yīng)力的超聲波測量[J]. 熱力發(fā)電,2000(1):53-55,63. DOI:10.3969/j.issn.1002-3364.2000.01.015.

[2] 趙春華,張志遠(yuǎn),肖嘉偉,等. 螺栓應(yīng)力的超聲測量[J]. 無損檢測,2019,41(8):45-47. DOI:10.11973/wsjc201908010.

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