趙智壘 李夢(mèng)晗 楊中桂

摘 要：緊固件領(lǐng)域葉片螺栓組件團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CRES 0019—2023《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 葉片螺栓組件》于2023年10月正式發(fā)布，其規(guī)定了風(fēng)電葉片螺栓組件的型式與結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則等內(nèi)容，為風(fēng)電葉片螺栓組件的設(shè)計(jì)、制造與檢驗(yàn)提供依據(jù)。本文介紹了該團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)研制背景與意義、任務(wù)來源及制定過程，并詳細(xì)解讀了標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容，分析了標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施效果及后續(xù)工作建議，旨在促使相關(guān)方更好地理解該標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容及使用該標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)該標(biāo)準(zhǔn)的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：緊固件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，葉片螺栓組件，團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.09.024

0 引 言

在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，風(fēng)輪葉片是捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵零部件，用于將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能。風(fēng)電葉片螺栓組件用于復(fù)合材料葉片與風(fēng)機(jī)輪轂之間的連接，采用葉片螺栓連接是目前葉片與輪轂連接的唯一方式。風(fēng)電葉片螺栓組件由雙頭螺柱、圓螺母（或預(yù)埋螺套、堵頭）、六角螺母、墊圈等組成，直接影響風(fēng)電機(jī)組的承載能力、使用壽命及安全性能[1-2]。風(fēng)電葉片螺栓組件屬于緊固件的范疇，但在服役環(huán)境、結(jié)構(gòu)型式及性能要求等方面，與傳統(tǒng)的緊固件存在明顯差異[2]。

隨著風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域及緊固件領(lǐng)域的快速發(fā)展，高性能長(zhǎng)壽命風(fēng)電葉片螺栓組件的研制及應(yīng)用是行業(yè)內(nèi)亟需攻關(guān)方向之一，國(guó)家出臺(tái)了一系列相關(guān)支持政策。工業(yè)和信息化部印發(fā)《首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用指導(dǎo)目錄》（2019版），高強(qiáng)度緊固件作為傳動(dòng)及連接件類別中的重要部分，將強(qiáng)度等級(jí)高于10.9級(jí)（含）、用于海上風(fēng)電等方面的高強(qiáng)度緊固件列為重大技術(shù)裝備的關(guān)鍵配套基礎(chǔ)件。

《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》及《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》等政策促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研究及基礎(chǔ)零部件的大力發(fā)展，推動(dòng)高性能長(zhǎng)壽命風(fēng)電葉片螺栓組件的研究及應(yīng)用。

1 研制背景與意義

在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，隨著國(guó)家“30·60”雙碳戰(zhàn)略的深入實(shí)施，推動(dòng)風(fēng)電行業(yè)快速跨過陸上風(fēng)電“平價(jià)時(shí)代”進(jìn)入海上風(fēng)電“平價(jià)時(shí)代”，海上風(fēng)電、陸上風(fēng)電等風(fēng)電裝備發(fā)展日新月異，18 MW+海上風(fēng)電機(jī)組、10 MW+陸上風(fēng)電機(jī)組等超大型風(fēng)電機(jī)組相繼問世，風(fēng)電機(jī)組正朝著大功率、長(zhǎng)葉片、高塔筒、大載荷、低成本方向快速發(fā)展，對(duì)風(fēng)電葉片螺栓組件的綜合性能提出了更高要求。風(fēng)電葉片在運(yùn)行過程中承受重力載荷、慣性力載荷、空氣動(dòng)力載荷等復(fù)雜的交變載荷和環(huán)境腐蝕作用，葉片螺栓是風(fēng)電葉片載荷傳遞至風(fēng)機(jī)輪轂的關(guān)鍵載體[3]。

隨著國(guó)內(nèi)外風(fēng)電機(jī)組快速發(fā)展，葉片螺栓組件綜合性能要求越來越高，而目前葉片螺栓組件存在強(qiáng)度低、耐腐蝕性能差、疲勞壽命短等問題，成為制約大功率風(fēng)電葉片發(fā)展的瓶頸問題[4]。作為緊固件的細(xì)分領(lǐng)域，葉片螺栓與傳統(tǒng)緊固件的應(yīng)用場(chǎng)景、結(jié)構(gòu)型式等存在明顯差異，現(xiàn)有緊固件標(biāo)準(zhǔn)并不適用，行業(yè)存在葉片螺栓組件技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)空白，無標(biāo)準(zhǔn)可用于葉片螺栓組件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及檢驗(yàn)，因此行業(yè)對(duì)葉片螺栓標(biāo)準(zhǔn)有強(qiáng)烈的需求。

針對(duì)目前風(fēng)電葉片螺栓行業(yè)亟需解決的痛點(diǎn)問題，需開發(fā)適用于大功率、長(zhǎng)葉片的高性能長(zhǎng)壽命葉片螺栓組件，研制技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，以彌補(bǔ)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)風(fēng)電葉片螺栓組件領(lǐng)域的技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)空白。通過對(duì)葉片螺栓組件的性能指標(biāo)、驗(yàn)收等行為進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)范，確保性能穩(wěn)定且運(yùn)行安全可靠，為行業(yè)內(nèi)相關(guān)用戶提供標(biāo)準(zhǔn)化參考依據(jù)，引導(dǎo)整個(gè)葉片螺栓組件產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。

2 任務(wù)來源

《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 葉片螺栓組件》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)于2021年8月正式立項(xiàng)。根據(jù)中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)《關(guān)于2021年學(xué)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)的通知》（中再學(xué)〔2021〕11號(hào)），標(biāo)準(zhǔn)由中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)歸口管理，由中船海為高科技有限公司牽頭研制。

3 制定過程

在起草過程中根據(jù)各階段標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)的工作要求，組織了相關(guān)領(lǐng)域的調(diào)研，并召開了多次的研討會(huì)，參與標(biāo)準(zhǔn)研討的專家多來自風(fēng)電葉片螺栓組件的設(shè)計(jì)單位、生產(chǎn)制造企業(yè)、用戶及高校、科研院所等，通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容進(jìn)行多次修改和完善，形成了目前的標(biāo)準(zhǔn)文本。主要編制過程包括籌建標(biāo)準(zhǔn)工作組、調(diào)研及搜集資料階段、召開編制工作啟動(dòng)會(huì)、征求意見、中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專委會(huì)技術(shù)審查、中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)技術(shù)審查、報(bào)批、專家審查及發(fā)布階段。其中征求意見單位包括無錫風(fēng)電設(shè)計(jì)研究院有限公司、艾朗風(fēng)電科技股份有限公司、吉林重通成飛新材料股份公司、株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司、連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司、中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司、中國(guó)電建集團(tuán)河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司綜合智慧能源工程公司、上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司等單位。標(biāo)準(zhǔn)牽頭單位對(duì)征求意見進(jìn)行充分研究及處理，確保標(biāo)準(zhǔn)具有較好的適用性及可行性。

4 主要內(nèi)容解讀

4.1 標(biāo)準(zhǔn)框架

該標(biāo)準(zhǔn)包括前言、范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語和定義、符號(hào)、型式與結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸、貯存。其中，型式與結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則為主要內(nèi)容。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)適用范圍

該標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象是風(fēng)電葉片螺栓組件，規(guī)定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片螺栓組件的型式與結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則等，適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片螺栓組件的設(shè)計(jì)、制造與檢驗(yàn)。

4.3 術(shù)語和定義

為貼合葉片螺栓組件的實(shí)際應(yīng)用工況、便于理解，該標(biāo)準(zhǔn)新給出了葉片螺栓組件、預(yù)埋螺套、堵頭、圓螺母及雙圓螺母的定義。葉片螺栓組件是由雙頭螺柱、螺母與預(yù)埋螺套、堵頭，或與圓螺母、雙圓螺母等零件組成的組合件，用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片與輪轂變槳軸承之間的連接。

4.4 型式與結(jié)構(gòu)

4.4.1 型式與組成

按葉片螺栓組件的結(jié)構(gòu)，可分為T型螺母型式、雙圓螺母型式和預(yù)埋螺套型式三種型式。預(yù)埋螺套型式葉片螺栓組件較適用于大葉型場(chǎng)景，也是目前的主流產(chǎn)品型式。

4.4.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

雙頭螺柱一般為兩端螺紋、中間光桿結(jié)構(gòu)。通常，為提高疲勞性能，雙頭螺柱采用縮頸結(jié)構(gòu)，即中間光桿處直徑小于兩端螺紋處中徑，且長(zhǎng)螺紋端具有內(nèi)六角孔。六角螺母與NB/T 10214、GB/T 6170等規(guī)定型式相同。墊圈包括倒角型墊圈、平墊圈及雙疊自鎖防松墊圈三種，以滿足防松等不同需求。雙頭螺柱、六角螺母、圓螺母、雙圓螺母及預(yù)埋螺套螺紋形式多樣，可為圓弧螺紋或普通螺紋。

4.5 技術(shù)要求

4.5.1 材料、尺寸與公差

葉片螺栓組件常用材料為合金鋼，堵頭也可使用尼龍6或尼龍66。標(biāo)準(zhǔn)中僅體現(xiàn)了風(fēng)電行業(yè)應(yīng)用較廣的葉片螺栓組件規(guī)格M36、M39、M42、Rd36及Rd39，其他尺寸及公差應(yīng)符合NB/T 10214—2019、GB/T 196—2003、GB/T 197—2018、GB/T 6170—2015、GB/T 97.1—2002或GB/T 97.2—2002的規(guī)定。

4.5.2 機(jī)械性能

該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了雙頭螺柱、圓螺母、預(yù)埋螺套、六角螺母、墊圈、堵頭的機(jī)械性能，雙頭螺柱涉及10.9級(jí)與12.9級(jí)兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)要求，見表1。

4.5.3 表面處理

風(fēng)電機(jī)組對(duì)葉片螺栓的防腐蝕性能有著強(qiáng)烈的要求，尤其是海上風(fēng)電機(jī)組。標(biāo)準(zhǔn)考慮多種表面處理方式，包括非電解鋅片涂層、鋅鋁涂層、非電解鋅片涂層等，并對(duì)各自提出相應(yīng)的要求，比如涂層厚度、中性鹽霧時(shí)間等。

4.5.4 扭矩系數(shù)

扭矩系數(shù)是葉片螺栓組件的關(guān)鍵指標(biāo)，影響著葉片螺栓組件的安裝及應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，葉片螺栓組件扭矩系數(shù)一般應(yīng)為0.10～0.13，偏差應(yīng)不大于0.01。若無特殊要求，安裝時(shí)潤(rùn)滑劑涂抹部位分別是雙頭螺柱外螺紋、六角螺母內(nèi)螺紋和墊圈表面。

4.5.5 成品疲勞性能

葉片螺栓疲勞性能關(guān)系著其服役壽命，目前國(guó)內(nèi)沒有葉片螺栓疲勞性能的規(guī)定，葉片螺栓成品疲勞性能根據(jù)實(shí)際需求分為三個(gè)等級(jí)，分別在400±80 MPa、400±60 MPa、400±42.5 MPa的循環(huán)應(yīng)力范圍下歷經(jīng)200萬次循環(huán)載荷后，雙頭螺柱與螺母不發(fā)生破壞。

4.5.6 防松性能

葉片螺栓防松性能關(guān)乎其緊固效果。若客戶有特殊防松性能需求、采用雙疊自鎖防松墊圈時(shí)，可根據(jù)客戶要求進(jìn)行殘余軸力衰減或臨界橫向力防松性能試驗(yàn)。雙頭螺柱、六角螺母和墊圈的連接副在特定振動(dòng)次數(shù)后，殘余軸力與初始軸力之比應(yīng)不低于需方要求，標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定最低防松性能要求，最低防松性能要求為振動(dòng)1500次后殘余軸力與初始軸力之比應(yīng)不低于50%。

4.6 試驗(yàn)方法

與標(biāo)準(zhǔn)中“技術(shù)要求”一章逐條對(duì)應(yīng)給出試驗(yàn)方法，多數(shù)檢測(cè)均采用現(xiàn)有成熟技術(shù)，按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。連接副狀態(tài)、測(cè)試環(huán)境溫濕度、連接副是否重復(fù)使用、設(shè)備測(cè)試精度、潤(rùn)滑劑是否使用、潤(rùn)滑劑種類及涂摸位置等均會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響[5-7]。因此，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定連接副不應(yīng)重復(fù)使用、墊圈不能翻轉(zhuǎn)、應(yīng)明確潤(rùn)滑劑的名稱及涂抹方式。

4.7 檢驗(yàn)規(guī)則

葉片螺栓組件的檢驗(yàn)分為型式試驗(yàn)和出廠檢驗(yàn)，應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)第6章及第7章規(guī)定進(jìn)行檢驗(yàn)?？紤]到目前國(guó)內(nèi)試驗(yàn)機(jī)功能、檢測(cè)成本等因素，成品疲勞性能及防松性能為按客戶要求進(jìn)行的型式試驗(yàn)項(xiàng)目。該標(biāo)準(zhǔn)給出了不同檢驗(yàn)項(xiàng)目的取樣數(shù)量以及檢驗(yàn)判定規(guī)則，便于相關(guān)方進(jìn)行檢驗(yàn)及驗(yàn)收。

4.8 標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸、貯存

該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了葉片螺栓組件的標(biāo)志方法及要求、包裝要求及張貼標(biāo)識(shí)內(nèi)容要求、運(yùn)輸要求及貯存規(guī)定，便于葉片螺栓組件的生產(chǎn)及交付。

5 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施效果

該標(biāo)準(zhǔn)適用于風(fēng)電葉片螺栓組件的設(shè)計(jì)、制造與檢驗(yàn)，已用于指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)牽頭單位高性能風(fēng)電葉片螺栓組件的研制，并在SR113、SR156、SR220、SR236等葉型中，順利通過全尺寸葉片靜載試驗(yàn)、全尺寸葉片疲勞試驗(yàn)、掛機(jī)試驗(yàn)等試驗(yàn)驗(yàn)證。此外，眾多應(yīng)用證明表明，該標(biāo)準(zhǔn)已用于指導(dǎo)生產(chǎn)制造企業(yè)進(jìn)行葉片螺栓組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造、熱處理、性能檢驗(yàn)及銷售，已用作第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行葉片螺栓組件參數(shù)檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，亦是知名主機(jī)廠葉片螺栓組件的采購規(guī)范，實(shí)施效果良好。

6 討論與建議

材料種類擴(kuò)充。一方面，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的材料僅為執(zhí)行GB/T 3077—2015、GB/T 699—2015的材料，無執(zhí)行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的材料標(biāo)號(hào)，如34CrMo4（EN 10083-3）、B7（ASTM A193）等，建議擴(kuò)充材料種類。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)葉片螺栓組件組成部分進(jìn)行材料要求，非按10.9、12.9性能等級(jí)進(jìn)行。建議后續(xù)納入14.9級(jí)等更高性能等級(jí)要求，增加諸如不銹鋼、鈦合金、超高強(qiáng)度合金鋼等材料。

螺紋類型擴(kuò)充。根據(jù)目前應(yīng)用情況，葉片螺栓組件螺紋類型可為圓弧螺紋或普通螺紋，其中普通螺紋產(chǎn)品應(yīng)用較多。后續(xù)建議擴(kuò)充螺紋型式，進(jìn)行梯形螺紋等螺紋在葉片螺栓組件中的應(yīng)用研究。

優(yōu)化扭矩系數(shù)指標(biāo)及試驗(yàn)方法規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)中僅采用扭矩系數(shù)值范圍及偏差進(jìn)行規(guī)定，而GB/T 1231（報(bào)批稿）選用扭矩系數(shù)平均值范圍及變異系數(shù)進(jìn)行規(guī)定，認(rèn)可度更高。建議進(jìn)行扭矩系數(shù)研究，囊括平均值、變異系數(shù)等指標(biāo)及螺母轉(zhuǎn)速、試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)濕度等試驗(yàn)方法要求。

其他方面。增加表面處理方式，比如納米合金共滲等方式。明確葉片螺栓標(biāo)記方法，給出標(biāo)記示例。

7 結(jié) 語

該標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)內(nèi)緊固件領(lǐng)域首個(gè)風(fēng)電葉片螺栓組件產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)風(fēng)電葉片螺栓組件的型式與結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則等內(nèi)容進(jìn)行規(guī)定，旨在為風(fēng)電葉片螺栓組件的設(shè)計(jì)、制造及檢驗(yàn)提供依據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和實(shí)施為生產(chǎn)制造企業(yè)、應(yīng)用單位、第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)及認(rèn)證機(jī)構(gòu)等行業(yè)內(nèi)相關(guān)方提供葉片螺栓組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造、熱處理、性能檢驗(yàn)、銷售、采購、檢測(cè)、認(rèn)證等依據(jù)。

該標(biāo)準(zhǔn)取得了一定的應(yīng)用效果，得到一定范圍內(nèi)相關(guān)方的認(rèn)可。下一步，將積極推動(dòng)該標(biāo)準(zhǔn)的推廣應(yīng)用，促進(jìn)風(fēng)電行業(yè)及緊固件行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。同時(shí)，建議在材料種類及螺紋形式擴(kuò)充、優(yōu)化扭矩系數(shù)指標(biāo)及試驗(yàn)方法規(guī)定等方面進(jìn)行研究，持續(xù)搜集標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用案例，不斷對(duì)標(biāo)準(zhǔn)文本進(jìn)行修訂和完善，更好地推動(dòng)風(fēng)電葉片螺栓組件的應(yīng)用，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)，助力標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。

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作者簡(jiǎn)介

趙智壘，碩士研究生，助理工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)化管理。

李夢(mèng)晗，碩士研究生，助理工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造。

楊中桂，通信作者，碩士研究生，研究員，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造。

（責(zé)任編輯：張瑞洋）