近年来,全球风电产业高速发展,中国已经成为全球风力发电规模最大、增长最快的市场,截至2018年国内风电累计装机容量约210000千瓦,同比增长11.2%,累计装机量位居全球第一。然而由于我国风电关键技术的研究起步晚,整机设计制造技术高度依赖国外,快速发展也带来了很多问题,风电运维压力逐步增加,风电机组着火、飞车等事故时有发生。尤其是风电机组塔筒,作为整个风电机组的支撑系统,对保障风电机组的安全可靠运行起着举足轻重的作用,但由于制造、安装质量不合格,设备巡检、运行维护检查不到位,导致倒塔事故频频发生,造成了巨大的经济损失。

目前影响塔筒安全运营的主要问题有地基不均匀沉降或松动、塔筒异常倾斜与弯曲、塔筒法兰螺栓疲劳失效。针对前两个问题已经出现了大量的研究报道,对塔筒地基、倾斜动态、静态监测提出了多种技术方案,本文关注第三个问题法兰螺栓疲劳失效问题。风电机组的塔式结构使塔筒承担机舱及叶片的自重及风的水平荷载,由于风速的时变特性,导致风电机组运行在交变载荷工况下,随着运行时间的增加,塔筒的连接螺栓承受的交变应力作用易引发其疲劳失效,如果定检过程中没有及时发现将引发较为严重的后果。

当前,塔筒螺栓在线监测是一个未被满足的工业需求,还没有建立广泛认可的监测手段和行业标准。经过文献检索,发现有少量的报道涉及这个领域,这些报道关注螺栓松动与螺栓形变监测,采用的解决方案有电路回路技术、振动-应力复合传感技术、光纤光栅技术、智能螺栓等,接下来将分别介绍。

1 电路回路技术螺栓松动报警技术

采用电路回路技术对螺栓松动实现报警。其技术原理是将螺栓松动位移量转换成检测电路的开关量实现预警，该方案将检测电路(A预警电路,B报警电路)的开关与检测螺栓松动的装置绑定,螺栓的松动带动开关位移,当位移量变大、使得电路形成闭合回路时即可实现预警或报警。该技术在风力发电塔塔筒法兰螺栓及基础预应力锚栓防松监测方面可达到监测技术的经济、快速和便利,不足之处在于无法实时获取螺栓的工况信息[2]。

2 振动-应力复合传感技术

本技术是利用振动对磁场的调制作用和压阻效应原理,设计的一种能同时监测风电塔筒振动状况和法兰盘螺栓松紧状况的振动-应力复合传感器,可有效解决风电塔筒法兰盘螺栓松动的早期监测问题,显著提高风力发电机组的安全性,防止重大事故的发生。

在使用时本发明整个传感器安装在靠近螺栓的法兰盘上,激励线圈在一定频率的正弦电流作用下,将在振动梁与基底之间的传感器气隙内产生交变磁场,并在下方的法兰盘内产生涡流场和感应磁场。当风电塔筒振动时振动梁将产生形变,使传感器的气隙磁场发生变化;磁敏元件能感受到磁场的变化并转化为输出电压的变化;当传感器下方的法兰盘存在应力变化时,其电导率也会产生微小的改变,导致涡流场和感应磁场变化,而这一变化同样可以被磁敏元件感受到并转化为输出电压的变化。

当螺栓存在松动时,螺栓孔四周承受的压应力会明显减小,导致材料的电阻率上升(压阻效应)、电导率下降。因此,本实施例的监测风电塔筒法兰盘螺栓的振动-应力复合传感器既能监测风电塔筒的振动(这是螺栓松动的根源),又能监测螺栓的松动程度(在螺母未发生明显转动时就可监测到),从而有助于实现螺栓松动的早期预报。由于振动信号是动态的、而应力变化是准静态的,因此振动和应力可通过对传感器输出信号的频谱分析来区分。

3 光纤光栅技术

该技术基于光纤光栅技术监测螺栓的形变弯曲。将光栅与螺栓紧密贴附,光栅跟随螺栓的形变而产生光信号变化,这种变化被解调器解析,从而实现螺栓形变监测。这种基于光纤光栅的高强度风电塔筒螺栓监测系统,与传统电类传感器相比,抗电磁干扰、耐腐蚀、传输距离长。与增敏光纤光栅技术比,采用了双光栅结构,光栅与螺栓紧密接触,几乎融为一体,能够直接反应螺栓情况,可以快速响应螺栓的变化,因此适用于静态应力应变监测也适合动应变监测,采用了双光栅结构,能够有效掌握螺栓的热应变,从而可以更精细的区分应变来源。

4 智能螺栓

智能螺栓的紧固件本体包括形变部和连接部,所述形变部与一测量单元连接,当所述紧固件本体安装时,所述连接部带动所述形变部变形进而促使所述测量单元移动生成一位移量。本发明还公开了一种智能紧固件的监测系统。本发明的智能紧固件能够通过测量单元测量的位移量而得到形变部的形变量,进而通过人工计算或者预定公式推算出预紧力,与现有技术的预紧应力指示螺栓相比具有精度高、结果数据化的优点。



5 结语

目前螺栓松动监测主要针对螺栓松动报警,使用的技术有压电技术、光纤光栅技术、物联网技术等。前两种是通过螺栓张力的大小来判断螺栓松动情况,通常会设置一个安全阈值,当所测螺栓受力超过阈值时可以发出报警;后一种技术是利用监测松动的螺栓和固定部件受激发生共振或振动,将振动转化为电信号,目前的监测技术只做松动报警。光纤光栅技术和物联网技术被广泛用于结构健康监测领域,目前利用增敏光栅技术和物联网技术用于螺栓松动监测还可以对形变进行监测。未来的螺栓监测技术朝着监测精细化和智能化方向演进。

原标题：风力发电塔筒螺栓监测前沿技术研究