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近年來,全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展,中國已經(jīng)成為全球風(fēng)力發(fā)電規(guī)模最大、增長最快的市場(chǎng),截至2018年國內(nèi)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量約210000千瓦,同比增長11.2%,累計(jì)裝機(jī)量位居全球第一。然而由于我國風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)的研究起步晚,整機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)高度依賴國外,快速發(fā)展也帶來了很多問題,風(fēng)電運(yùn)維壓力逐步增加,風(fēng)電機(jī)組著火、飛車等事故時(shí)有發(fā)生。尤其是風(fēng)電機(jī)組塔筒,作為整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的支撐系統(tǒng),對(duì)保障風(fēng)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行起著舉足輕重的作用,但由于制造、安裝質(zhì)量不合格,設(shè)備巡檢、運(yùn)行維護(hù)檢查不到位,導(dǎo)致倒塔事故頻頻發(fā)生,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

目前影響塔筒安全運(yùn)營的主要問題有地基不均勻沉降或松動(dòng)、塔筒異常傾斜與彎曲、塔筒法蘭螺栓疲勞失效。針對(duì)前兩個(gè)問題已經(jīng)出現(xiàn)了大量的研究報(bào)道,對(duì)塔筒地基、傾斜動(dòng)態(tài)、靜態(tài)監(jiān)測(cè)提出了多種技術(shù)方案,本文關(guān)注第三個(gè)問題法蘭螺栓疲勞失效問題。風(fēng)電機(jī)組的塔式結(jié)構(gòu)使塔筒承擔(dān)機(jī)艙及葉片的自重及風(fēng)的水平荷載,由于風(fēng)速的時(shí)變特性,導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在交變載荷工況下,隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,塔筒的連接螺栓承受的交變應(yīng)力作用易引發(fā)其疲勞失效,如果定檢過程中沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)將引發(fā)較為嚴(yán)重的后果。

當(dāng)前,塔筒螺栓在線監(jiān)測(cè)是一個(gè)未被滿足的工業(yè)需求,還沒有建立廣泛認(rèn)可的監(jiān)測(cè)手段和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過文獻(xiàn)檢索,發(fā)現(xiàn)有少量的報(bào)道涉及這個(gè)領(lǐng)域,這些報(bào)道關(guān)注螺栓松動(dòng)與螺栓形變監(jiān)測(cè),采用的解決方案有電路回路技術(shù)、振動(dòng)-應(yīng)力復(fù)合傳感技術(shù)、光纖光柵技術(shù)、智能螺栓等,接下來將分別介紹。

1 電路回路技術(shù)螺栓松動(dòng)報(bào)警技術(shù)

采用電路回路技術(shù)對(duì)螺栓松動(dòng)實(shí)現(xiàn)報(bào)警。其技術(shù)原理是將螺栓松動(dòng)位移量轉(zhuǎn)換成檢測(cè)電路的開關(guān)量實(shí)現(xiàn)預(yù)警，該方案將檢測(cè)電路(A預(yù)警電路,B報(bào)警電路)的開關(guān)與檢測(cè)螺栓松動(dòng)的裝置綁定,螺栓的松動(dòng)帶動(dòng)開關(guān)位移,當(dāng)位移量變大、使得電路形成閉合回路時(shí)即可實(shí)現(xiàn)預(yù)警或報(bào)警。該技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電塔塔筒法蘭螺栓及基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力錨栓防松監(jiān)測(cè)方面可達(dá)到監(jiān)測(cè)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)、快速和便利,不足之處在于無法實(shí)時(shí)獲取螺栓的工況信息[2]。

2 振動(dòng)-應(yīng)力復(fù)合傳感技術(shù)

本技術(shù)是利用振動(dòng)對(duì)磁場(chǎng)的調(diào)制作用和壓阻效應(yīng)原理,設(shè)計(jì)的一種能同時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)電塔筒振動(dòng)狀況和法蘭盤螺栓松緊狀況的振動(dòng)-應(yīng)力復(fù)合傳感器,可有效解決風(fēng)電塔筒法蘭盤螺栓松動(dòng)的早期監(jiān)測(cè)問題,顯著提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全性,防止重大事故的發(fā)生。

在使用時(shí)本發(fā)明整個(gè)傳感器安裝在靠近螺栓的法蘭盤上,激勵(lì)線圈在一定頻率的正弦電流作用下,將在振動(dòng)梁與基底之間的傳感器氣隙內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng),并在下方的法蘭盤內(nèi)產(chǎn)生渦流場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)。當(dāng)風(fēng)電塔筒振動(dòng)時(shí)振動(dòng)梁將產(chǎn)生形變,使傳感器的氣隙磁場(chǎng)發(fā)生變化;磁敏元件能感受到磁場(chǎng)的變化并轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化;當(dāng)傳感器下方的法蘭盤存在應(yīng)力變化時(shí),其電導(dǎo)率也會(huì)產(chǎn)生微小的改變,導(dǎo)致渦流場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)變化,而這一變化同樣可以被磁敏元件感受到并轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化。

當(dāng)螺栓存在松動(dòng)時(shí),螺栓孔四周承受的壓應(yīng)力會(huì)明顯減小,導(dǎo)致材料的電阻率上升(壓阻效應(yīng))、電導(dǎo)率下降。因此,本實(shí)施例的監(jiān)測(cè)風(fēng)電塔筒法蘭盤螺栓的振動(dòng)-應(yīng)力復(fù)合傳感器既能監(jiān)測(cè)風(fēng)電塔筒的振動(dòng)(這是螺栓松動(dòng)的根源),又能監(jiān)測(cè)螺栓的松動(dòng)程度(在螺母未發(fā)生明顯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就可監(jiān)測(cè)到),從而有助于實(shí)現(xiàn)螺栓松動(dòng)的早期預(yù)報(bào)。由于振動(dòng)信號(hào)是動(dòng)態(tài)的、而應(yīng)力變化是準(zhǔn)靜態(tài)的,因此振動(dòng)和應(yīng)力可通過對(duì)傳感器輸出信號(hào)的頻譜分析來區(qū)分。

3 光纖光柵技術(shù)

該技術(shù)基于光纖光柵技術(shù)監(jiān)測(cè)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(chǎn)生光信號(hào)變化,這種變化被解調(diào)器解析,從而實(shí)現(xiàn)螺栓形變監(jiān)測(cè)。這種基于光纖光柵的高強(qiáng)度風(fēng)電塔筒螺栓監(jiān)測(cè)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(shù)比,采用了雙光柵結(jié)構(gòu),光柵與螺栓緊密接觸,幾乎融為一體,能夠直接反應(yīng)螺栓情況,可以快速響應(yīng)螺栓的變化,因此適用于靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)也適合動(dòng)應(yīng)變監(jiān)測(cè),采用了雙光柵結(jié)構(gòu),能夠有效掌握螺栓的熱應(yīng)變,從而可以更精細(xì)的區(qū)分應(yīng)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(cè)量單元連接,當(dāng)所述緊固件本體安裝時(shí),所述連接部帶動(dòng)所述形變部變形進(jìn)而促使所述測(cè)量單元移動(dòng)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(cè)系統(tǒng)。本發(fā)明的智能緊固件能夠通過測(cè)量單元測(cè)量的位移量而得到形變部的形變量,進(jìn)而通過人工計(jì)算或者預(yù)定公式推算出預(yù)緊力,與現(xiàn)有技術(shù)的預(yù)緊應(yīng)力指示螺栓相比具有精度高、結(jié)果數(shù)據(jù)化的優(yōu)點(diǎn)。



5 結(jié)語

目前螺栓松動(dòng)監(jiān)測(cè)主要針對(duì)螺栓松動(dòng)報(bào)警,使用的技術(shù)有壓電技術(shù)、光纖光柵技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。前兩種是通過螺栓張力的大小來判斷螺栓松動(dòng)情況,通常會(huì)設(shè)置一個(gè)安全閾值,當(dāng)所測(cè)螺栓受力超過閾值時(shí)可以發(fā)出報(bào)警;后一種技術(shù)是利用監(jiān)測(cè)松動(dòng)的螺栓和固定部件受激發(fā)生共振或振動(dòng),將振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),目前的監(jiān)測(cè)技術(shù)只做松動(dòng)報(bào)警。光纖光柵技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,目前利用增敏光柵技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于螺栓松動(dòng)監(jiān)測(cè)還可以對(duì)形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。未來的螺栓監(jiān)測(cè)技術(shù)朝著監(jiān)測(cè)精細(xì)化和智能化方向演進(jìn)。

原標(biāo)題：風(fēng)力發(fā)電塔筒螺栓監(jiān)測(cè)前沿技術(shù)研究