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近年來,全球風電產業(yè)高速發(fā)展,中國已經成為全球風力發(fā)電規(guī)模最大、增長最快的市場,截至2018年國內風電累計裝機容量約210000千瓦,同比增長11.2%,累計裝機量位居全球第一。然而由于我國風電關鍵技術的研究起步晚,整機設計制造技術高度依賴國外,快速發(fā)展也帶來了很多問題,風電運維壓力逐步增加,風電機組著火、飛車等事故時有發(fā)生。尤其是風電機組塔筒,作為整個風電機組的支撐系統(tǒng),對保障風電機組的安全可靠運行起著舉足輕重的作用,但由于制造、安裝質量不合格,設備巡檢、運行維護檢查不到位,導致倒塔事故頻頻發(fā)生,造成了巨大的經濟損失。

目前影響塔筒安全運營的主要問題有地基不均勻沉降或松動、塔筒異常傾斜與彎曲、塔筒法蘭螺栓疲勞失效。針對前兩個問題已經出現(xiàn)了大量的研究報道,對塔筒地基、傾斜動態(tài)、靜態(tài)監(jiān)測提出了多種技術方案,本文關注第三個問題法蘭螺栓疲勞失效問題。風電機組的塔式結構使塔筒承擔機艙及葉片的自重及風的水平荷載,由于風速的時變特性,導致風電機組運行在交變載荷工況下,隨著運行時間的增加,塔筒的連接螺栓承受的交變應力作用易引發(fā)其疲勞失效,如果定檢過程中沒有及時發(fā)現(xiàn)將引發(fā)較為嚴重的后果。

當前,塔筒螺栓在線監(jiān)測是一個未被滿足的工業(yè)需求,還沒有建立廣泛認可的監(jiān)測手段和行業(yè)標準。經過文獻檢索,發(fā)現(xiàn)有少量的報道涉及這個領域,這些報道關注螺栓松動與螺栓形變監(jiān)測,采用的解決方案有電路回路技術、振動-應力復合傳感技術、光纖光柵技術、智能螺栓等,接下來將分別介紹。

1 電路回路技術螺栓松動報警技術

采用電路回路技術對螺栓松動實現(xiàn)報警。其技術原理是將螺栓松動位移量轉換成檢測電路的開關量實現(xiàn)預警，該方案將檢測電路(A預警電路,B報警電路)的開關與檢測螺栓松動的裝置綁定,螺栓的松動帶動開關位移,當位移量變大、使得電路形成閉合回路時即可實現(xiàn)預警或報警。該技術在風力發(fā)電塔塔筒法蘭螺栓及基礎預應力錨栓防松監(jiān)測方面可達到監(jiān)測技術的經濟、快速和便利,不足之處在于無法實時獲取螺栓的工況信息[2]。

2 振動-應力復合傳感技術

本技術是利用振動對磁場的調制作用和壓阻效應原理,設計的一種能同時監(jiān)測風電塔筒振動狀況和法蘭盤螺栓松緊狀況的振動-應力復合傳感器,可有效解決風電塔筒法蘭盤螺栓松動的早期監(jiān)測問題,顯著提高風力發(fā)電機組的安全性,防止重大事故的發(fā)生。

在使用時本發(fā)明整個傳感器安裝在靠近螺栓的法蘭盤上,激勵線圈在一定頻率的正弦電流作用下,將在振動梁與基底之間的傳感器氣隙內產生交變磁場,并在下方的法蘭盤內產生渦流場和感應磁場。當風電塔筒振動時振動梁將產生形變,使傳感器的氣隙磁場發(fā)生變化;磁敏元件能感受到磁場的變化并轉化為輸出電壓的變化;當傳感器下方的法蘭盤存在應力變化時,其電導率也會產生微小的改變,導致渦流場和感應磁場變化,而這一變化同樣可以被磁敏元件感受到并轉化為輸出電壓的變化。

當螺栓存在松動時,螺栓孔四周承受的壓應力會明顯減小,導致材料的電阻率上升(壓阻效應)、電導率下降。因此,本實施例的監(jiān)測風電塔筒法蘭盤螺栓的振動-應力復合傳感器既能監(jiān)測風電塔筒的振動(這是螺栓松動的根源),又能監(jiān)測螺栓的松動程度(在螺母未發(fā)生明顯轉動時就可監(jiān)測到),從而有助于實現(xiàn)螺栓松動的早期預報。由于振動信號是動態(tài)的、而應力變化是準靜態(tài)的,因此振動和應力可通過對傳感器輸出信號的頻譜分析來區(qū)分。

3 光纖光柵技術

該技術基于光纖光柵技術監(jiān)測螺栓的形變彎曲。將光柵與螺栓緊密貼附,光柵跟隨螺栓的形變而產生光信號變化,這種變化被解調器解析,從而實現(xiàn)螺栓形變監(jiān)測。這種基于光纖光柵的高強度風電塔筒螺栓監(jiān)測系統(tǒng),與傳統(tǒng)電類傳感器相比,抗電磁干擾、耐腐蝕、傳輸距離長。與增敏光纖光柵技術比,采用了雙光柵結構,光柵與螺栓緊密接觸,幾乎融為一體,能夠直接反應螺栓情況,可以快速響應螺栓的變化,因此適用于靜態(tài)應力應變監(jiān)測也適合動應變監(jiān)測,采用了雙光柵結構,能夠有效掌握螺栓的熱應變,從而可以更精細的區(qū)分應變來源。

4 智能螺栓

智能螺栓的緊固件本體包括形變部和連接部,所述形變部與一測量單元連接,當所述緊固件本體安裝時,所述連接部帶動所述形變部變形進而促使所述測量單元移動生成一位移量。本發(fā)明還公開了一種智能緊固件的監(jiān)測系統(tǒng)。本發(fā)明的智能緊固件能夠通過測量單元測量的位移量而得到形變部的形變量,進而通過人工計算或者預定公式推算出預緊力,與現(xiàn)有技術的預緊應力指示螺栓相比具有精度高、結果數(shù)據(jù)化的優(yōu)點。



5 結語

目前螺栓松動監(jiān)測主要針對螺栓松動報警,使用的技術有壓電技術、光纖光柵技術、物聯(lián)網技術等。前兩種是通過螺栓張力的大小來判斷螺栓松動情況,通常會設置一個安全閾值,當所測螺栓受力超過閾值時可以發(fā)出報警;后一種技術是利用監(jiān)測松動的螺栓和固定部件受激發(fā)生共振或振動,將振動轉化為電信號,目前的監(jiān)測技術只做松動報警。光纖光柵技術和物聯(lián)網技術被廣泛用于結構健康監(jiān)測領域,目前利用增敏光柵技術和物聯(lián)網技術用于螺栓松動監(jiān)測還可以對形變進行監(jiān)測。未來的螺栓監(jiān)測技術朝著監(jiān)測精細化和智能化方向演進。

原標題：風力發(fā)電塔筒螺栓監(jiān)測前沿技術研究