風(fēng)電螺栓在線健康監(jiān)測(cè)技術(shù)原理和對(duì)比

1、風(fēng)電螺栓在線健康監(jiān)測(cè)技術(shù)原理和比照摘要：風(fēng)電螺栓在線健康監(jiān)測(cè)技術(shù)目前屬于比擬前沿技術(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(cè)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 獲得比擬全面的認(rèn)知。對(duì)于從業(yè)者，可以結(jié)合工程的需求，選擇合適的技術(shù)路線 和方案。來(lái)源：北極星風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)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(guò)程中，長(zhǎng)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。假設(shè)故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，會(huì)引發(fā)風(fēng)

2、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(chǎng)通常在近海和偏僻的山區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)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)的開(kāi)展, 目前風(fēng)電螺栓的在線健康監(jiān)測(cè)有了一定程度的開(kāi)展，前期通過(guò)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(chǎng)已經(jīng)把螺栓在線健康監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)螺栓軸力最精準(zhǔn)的技術(shù)。在螺栓一端的

3、端面安裝超聲螺栓監(jiān)測(cè)傳感器或探頭，發(fā)射和接收超聲波信 號(hào)，利用超聲波在另一個(gè)端面反射的原理測(cè)量超聲飛行時(shí)間。超聲法博感無(wú)線超聲螺栓監(jiān)測(cè)傳感器螺栓在軸向拉力下會(huì)伸長(zhǎng),相應(yīng)超聲飛行時(shí)間變長(zhǎng),在螺栓的彈性工作區(qū)域, 螺栓伸長(zhǎng)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(hào)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(guò)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(cè)時(shí)，測(cè)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

4、軸力1 O超聲波的波速隨溫度變化而變化， 必須要作溫度補(bǔ)償。R2 = 0.9999OOOOOOOO 0 5 0 5 2 11 S “叵甚產(chǎn)意R2 = 0.9995R2 = 0.9998R2 = 0.99980 0.000100.000200.000300.000400.000500.000螺椅II向拉力kN M36 M39 ( I ) M39 ( II ) M45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(hào)會(huì)在斷裂的位置返回，測(cè)量到的螺栓長(zhǎng)度 和實(shí)際長(zhǎng)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(cè)量軸向參數(shù)，精度高，綜合精度到達(dá)2%以內(nèi)；非侵入式，不影響

5、螺栓性能，且安裝方便；可以監(jiān)測(cè)螺栓徑向局部斷裂或完全斷裂；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(cè)物之間需要超聲耦合，安裝較復(fù)雜。.角度方法：通過(guò)檢測(cè)螺母相對(duì)螺栓的旋出角度監(jiān)測(cè)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(cè)一個(gè) 螺栓，如下列圖所示博感松動(dòng)角度傳感器；另一種方法是用通過(guò)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(jiǎn)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(chǎng)實(shí)測(cè)精度小于0.5度；本錢(qián)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

6、能直接測(cè)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, 比方負(fù)載過(guò)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(wú)變化；相對(duì)于超聲法，角度法不能直接監(jiān)測(cè)螺栓斷裂。.應(yīng)變法：通過(guò)在螺栓外外表上粘接應(yīng)變片，或者在螺栓中心軸向上打孔埋入應(yīng)變計(jì), 通過(guò)檢測(cè)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(guò)檢測(cè)中空式墊片中 結(jié)構(gòu)的應(yīng)變檢測(cè)螺母的壓力。應(yīng)變法優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變法的測(cè)量精度較高，綜合精度可以到達(dá)3%；應(yīng)變法缺點(diǎn)：在外表粘接應(yīng)變片，不利用現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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

7、，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(cè) 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(duì)于超聲法，應(yīng)變法不能直接監(jiān)測(cè)螺栓斷裂。每種風(fēng)電螺栓的在線健康監(jiān)測(cè)技術(shù)路線又分為有線和無(wú)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(wú)線方案是傳感器和數(shù)據(jù)匯聚器（網(wǎng)關(guān)）之間采用無(wú)線連接的方式。.有線方案：現(xiàn)場(chǎng)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

8、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(cè)螺栓布線到采集器，導(dǎo)線必須經(jīng)過(guò)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(zhǎng)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(méi)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；局部有線方案在一個(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到達(dá)10-20 度，使得溫度補(bǔ)償不準(zhǔn)確；有些方案沒(méi)有溫度監(jiān)測(cè)，不能做溫度補(bǔ)償。.無(wú)線方案：目前

9、市場(chǎng)上提供無(wú)線方案的很少，博感提供了包括超聲法和角度法的無(wú)線方 案。博感無(wú)線方案有如下優(yōu)勢(shì)：安裝簡(jiǎn)單，系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，使用簡(jiǎn)便。測(cè)量電路和探頭之間的超聲傳輸導(dǎo)線非常短（內(nèi)部），防止受到電磁干擾。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(cè)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(cè)量精度是用了專業(yè)的時(shí)間測(cè)量芯片，精度到達(dá)50ps級(jí)。通過(guò)同時(shí)檢測(cè)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(wú)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

10、術(shù)路線和方案，目前主流是超聲技術(shù)路 線，相對(duì)其它技術(shù)路線有一定的優(yōu)勢(shì)。在超聲技術(shù)上，需要實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號(hào)處理計(jì)算，傳統(tǒng)采集器的體積和功耗很大，本錢(qián)高。 博感的研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)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(wú)線超低功耗，并降低本錢(qián)適于大規(guī)模應(yīng)用。博感的無(wú)線 超聲技術(shù)和無(wú)線角度技術(shù)方案，已經(jīng)在多個(gè)風(fēng)場(chǎng)有長(zhǎng)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(cè)量J.熱力發(fā) 電,2000(1) :53-55, 63. DOI :10. 3969