风电螺栓在线健康监测技术原理和对比

摘要：风电螺栓在线健康监测技术目前属于比较前沿技术领域，有多种技术路线和方案，并不被行业广泛认知。本文综合概述风电螺栓在线健康监测的各种技术路线和方案，从功能，性能，安装维护等各个方面进行综述，读者可以从中获得比较全面的认知。对于从业者，可以结合项目的需求，选择合适的技术路线和方案。

来源：北极星风力发电网

作者：嘉兴博感科技有限公司 刘双文 刘磊 戴晖辉

风力发电机组造价昂贵，且使用环境恶劣,工况复杂，在运行过程中，长期受振动、扭转、剪切等各种载荷的综合作用，各部件及部件间的连接紧固件会出现不同程度的损伤。各部位螺栓尤其是叶根螺栓时常发生螺栓紧固降低甚至螺栓断裂等故障。若故障发现不及时，会引发风电机组发生设备事故，造成巨大的经济损失，严重的会连带发生人身伤害事故。据统计，每年都会出现因螺栓松动、断裂等原因引发的倒塔、叶片脱落等严重设备事故。

风力发电机作业现场通常在近海和偏僻的山区，现场维护困难，费时费力，甚至需要停机维护，导致维护代价不菲。

因此，能够远程实时获得螺栓的健康状态显得尤为重要。随着技术的发展，目前风电螺栓的在线健康监测有了一定程度的发展，前期通过试装试用，相关技术路线已经获得用户认可，一些新建风场已经把螺栓在线健康监测系统作为一个标准配置。

风电螺栓的在线健康监测技术路线：

1.超声波方法：

该方法是当前行业主流的技术路线，也是监测螺栓轴力最精准的技术。

在螺栓一端的端面安装超声螺栓监测传感器或探头，发射和接收超声波信号，利用超声波在另一个端面反射的原理测量超声飞行时间。

超声法

博感无线超声螺栓监测传感器

螺栓在轴向拉力下会伸长，相应超声飞行时间变长，在螺栓的弹性工作区域，螺栓伸长量和螺栓轴向拉力成线性关系；同时在不同轴向应力下，超声信号的波速也相应变化，两者也是线性关系。其综合表现为超声飞行时间变化量和螺栓轴力变化量成线性关系。通过标定，可以获得超声飞行时间变化量和螺栓轴力变化量之间的相关系数。在监测时，测量到超声飞行时间，减去螺栓的初始轴力状态时的超声飞行时间，获得超声飞行时间差，并计算出螺栓轴力的变化量。再根据螺栓的初始轴力计算出螺栓当前的轴力[1]。超声波的波速随温度变化而变化，必须要作温度补偿。

图1 超声飞行时间差和螺栓轴向拉力的关系

如果螺栓出现断裂情况，超声信号会在断裂的位置返回，测量到的螺栓长度和实际长度不相符，可判断螺栓是否出现断裂和断裂位置。

超声法优点：

· 直接测量轴向参数，精度高，综合精度达到2%以内；

· 非侵入式，不影响螺栓性能，且安装方便；

· 可以监测螺栓径向部分断裂或完全断裂；

· 在螺栓中传导的超声波是一种机械波，不受电磁环境干扰，抗干扰性强。

超声法缺点是在探头和被测物之间需要超声耦合，安装较复杂。

2.角度方法：

通过检测螺母相对螺栓的旋出角度监测螺栓的松动。

该技术路线主要包含两者方法，一种方法是传感器法，一个传感器监测一个螺栓，如下图所示博感松动角度传感器；另一种方法是用通过摄像头拍摄图片，并进行图像处理，计算出松动旋出角度。

博感松动角度传感器

角度法优点：

· 安装简单便捷，直接适配插入螺母；

· 传感器法精度高，博感松动角度传感器现场实测精度小于0.5度；

· 成本低。

角度法缺点：

· 图像处理法的精度在2度以上，受视角等影响；

· 不能直接测量螺栓轴力，螺栓松动角度和预紧力间接相关。某些情况下，比如负载过大导致螺栓产生塑变松动，螺栓轴力变小，而角度并无变化；

· 相对于超声法，角度法不能直接监测螺栓断裂。

3.应变法：

通过在螺栓外表面上粘接应变片，或者在螺栓中心轴向上打孔埋入应变计，通过检测螺栓轴向的应变，计算出螺栓的轴力；

或者埋入应变片、光纤光栅应变计在中空式垫片中，通过检测中空式垫片中结构的应变检测螺母的压力。

应变法优点：

· 应变法的测量精度较高，综合精度可以达到3%；

应变法缺点：

· 在表面粘接应变片，不利用现场应用，施工复杂，且应变片容易受损；

· 在螺栓上打孔，会影响螺栓的性能，现场施工困难；

· 埋入应变片或光纤光栅应变计在中空式垫片中，中空式垫片在大的轴向力下存在坍塌受损，直接导致螺栓松动的风险；同时垫片需要插入到螺母和被测结构之间，影响螺栓的紧固性能，且安装尤其是后装困难；为了能够承受大的压力，中空式垫片外形尺寸相比螺母大很多，也受安装空间限制；

· 应变法受环境电磁辐射干扰和温度影响很大；

· 相对于超声法，应变法不能直接监测螺栓断裂。

每种风电螺栓的在线健康监测技术路线又分为有线和无线两种系统方案：

有线方案是传感器和采集器之间采用有线连接的方式。

无线方案是传感器和数据汇聚器（网关）之间采用无线连接的方式。

1.有线方案：

现场施工非常困难，尤其是叶根螺栓的施工。采集器到每一个传感器之间需要至少一根导线，导线数量大，走线距离远（十几米）。通常导线沿着法兰固定在螺栓上，维护螺栓时，需要拆下导线，维护完之后再固定导线，影响螺栓的维护工作。叶根螺栓部位空间狭窄，采集器必须放到叶片或者轮毂里面，要从被监测螺栓布线到采集器，导线必须经过变桨轴承齿轮，施工不便甚至影响到变桨轴承旋转。由于采集器到传感器之间有长导线，容易受电磁环境干扰。

超声法需要温度补偿，有线方案的超声探头没有集成温度传感器，需要每个螺栓额外增加温度探头和导线，进一个增加施工困难；部分有线方案在一个法兰上的螺栓共用一个温度探头，实际上同一个法兰上螺栓之间的温度差达到10-20度，使得温度补偿不准确；有些方案没有温度监测，不能做温度补偿。

2.无线方案：

目前市场上提供无线方案的很少，博感提供了包括超声法和角度法的无线方案。

博感无线方案有如下优势：

安装简单，系统简洁，使用简便。

测量电路和探头之间的超声传输导线非常短（内部），避免受到电磁干扰。

每个传感器探头集成了高精度的温度传感元件，能够精确测量每个螺栓的温度并做温度补偿。

金属外壳加灌封胶密封保护超声压电片，探头可靠性高，可重复使用。

超声飞行时间测量精度是用了专业的时间测量芯片，精度达到50ps级。

通过同时检测一个法兰上的4-8个螺栓的轴力或松动角度，计算出整个法兰上其它螺栓的轴力或松动角度。

超低功耗技术，电池供电，正常使用能够续航10年。

博感无线超声方案

总结：

风电螺栓的在线健康监技术的几种技术路线和方案，目前主流是超声技术路线，相对其它技术路线有一定的优势。在超声技术上，需要实现超声信号的发射，通常需要几十上百伏的激励电压，接收需要高增益低噪声电路，还要实现高速模拟-数字信号转换和数字信号处理计算，传统采集器的体积和功耗很大，成本高。博感的研发团队经过多年的技术创新和积累，成功实现超声系统微型化到能够安装到螺栓上，同时做到无线超低功耗，并降低成本适于大规模应用。博感的无线超声技术和无线角度技术方案，已经在多个风场有长时间的应用。

参考文献：

[1] 王路,季献武,张道钢,等. 螺栓轴向应力的超声波测量[J]. 热力发电,2000(1):53-55,63. DOI:10.3969/j.issn.1002-3364.2000.01.015.

[2] 赵春华,张志远,肖嘉伟,等. 螺栓应力的超声测量[J]. 无损检测,2019,41(8):45-47. DOI:10.11973/wsjc201908010.

[3] 何存富,吴克成. 温度对螺栓紧固应力超声测量的影响研究[J]. 实验力学,1992(3).