風機塔筒螺栓防松的機理、現狀及對策

1、螺栓連接的分類、特點及適用范圍2、高強螺栓連接的受力機理3、高強螺栓連接的施工質量驗收標準4、風機塔筒螺栓連接中常見的問題5、風機塔筒螺栓松動長期監(jiān)測分級報警設備6、風機塔筒螺栓防松的有效措施7、預應力錨栓在基礎中的應用目錄第一頁，共四十八頁。1.1分類及適用范圍1、螺栓連接的分類、特點及適用范圍普通螺栓精制螺栓粗制螺栓適應性強，易松動，抗剪承載力較低構件制造精度要求高，抗剪好高強螺栓承壓型摩擦型適應性強，不松動，抗疲勞適應性強，荷載標準值下一般不松動，滑動后承載力進一步提高第二頁，共四十八頁。1.1分類及適用范圍鋼結構三種常用連接組合的比較：1、螺栓連接的分類、特點及適用范圍連接組合比較項目工廠焊接，工地螺栓連接工廠焊接，工地螺栓連接、定位，再焊接全部現場焊接保證焊接質量措施易中難對防腐涂層保護好中等不好同等條件安裝速度快中慢現場勞力少中多焊接殘余應力小中大節(jié)點鋼材用量較多中少第三頁，共四十八頁。1.2螺栓連接的特點1）便于現場作業(yè)、高空作業(yè)（對作業(yè)環(huán)境要求低）；2）無殘余應力；3）施工速度快，用工?。?）不影響防腐蝕保護層；5）節(jié)點使用材料增加。1、螺栓連接的分類、特點及適用范圍第四頁，共四十八頁。1.3螺栓連接實踐舉例1、螺栓連接的分類、特點及適用范圍黑龍江電視塔，高336米，高強度普通螺栓，雙螺母及扣緊螺母防松河南電視塔，高388米，高強螺栓直接張拉法臨沂電視塔，高326米，中心塔筒高強螺栓直接張拉法第五頁，共四十八頁。1.4高聳鋼結構相關設計驗收規(guī)范1、螺栓連接的分類、特點及適用范圍第六頁，共四十八頁。2.1受力機理右圖中：1點為普通螺栓滑移開始點；2點為摩擦型高強螺栓最大受力點；3點為承壓型高強螺栓最大受力點；為摩擦系數；P為預拉力值：2、高強螺栓連接的受力機理超張拉材料抗力變異復雜應力第七頁，共四十八頁。2.2承載能力單個摩擦型高強螺栓的抗剪承載力：單個摩擦型高強螺栓的抗拉承載力：

表2.2預拉力P（kN）承壓型高強螺栓承載能力按現行規(guī)范等于普通螺栓承載力。螺栓五種破壞形式的對應措施: 3種需驗算：抗剪、凈截面抗拉、局部承壓； 2種按構造處理：抗彎、連接板抗裂。2、高強螺栓連接的受力機理剪切面數預拉力，見下表，單位KN摩擦系數螺栓性能等級螺栓公稱直徑M16M20M22M24M27M308.8s8012515017523028010.9s100155190225290355第八頁，共四十八頁?！朵摻Y構工程施工質量驗收規(guī)范》對高強螺栓的檢驗包括如下方面：3、高強螺栓連接的施工質量驗收標準（1）材質和強度；（2）摩擦系數（對抗剪螺栓）見下表：處理方法構件鋼號Q235Q235、Q390Q420噴砂（丸）0.450.500.50噴砂（丸）后涂無機富鋅漆0.350.400.40噴砂（丸）后生赤銹0.450.500.50鋼絲刷清除浮銹或未經處理的干凈軋制表面0.300.350.40第九頁，共四十八頁。《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范》對高強螺栓的檢驗包括如下方面：3、高強螺栓連接的施工質量驗收標準（3）扭矩系數（對用扭矩法施工的高強螺栓）每組8套螺栓，標準偏差不大于0.010；半年之內有效。（4）終擰扭矩(下表，單位Nm)

要求：扭矩大小偏差在10%以內；扭矩實施時間為24小時以內。螺栓性能等級螺栓公稱直徑M16M20M22M24M27M308.8s140.8-192275-375363-495462-630683.1-931.5924-126010.9s176-240341-465459.8-627594-810861.3-1174.51171.5-1597.5第十頁，共四十八頁。4.1極少數螺栓在扭矩和拉力共同作用下的脆斷問題1原因：（1）拉扭共同作用引起復雜應力狀態(tài)，材料易呈脆性；（2）大直徑螺栓材料和熱處理不均勻，特別當螺桿較長時（如錨栓）更易出現材質不穩(wěn)定；（3）因法蘭翹曲等原因使螺栓頭或螺母與法蘭表面接觸不均勻而在螺桿內產生附加彎矩和應力集中。（4）螺栓質量問題（特別是螺栓頭與螺桿連接處的缺陷）。4、風機塔筒螺栓連接中常見的問題第十一頁，共四十八頁。4.1極少數螺栓在扭矩和拉力共同作用下的脆斷問題2措施：（1）采用直接張拉法施加預拉力，減少復雜應力；（2）對大直徑螺栓材質的均勻性更加關注；（3）減少法蘭面翹曲。4、風機塔筒螺栓連接中常見的問題第十二頁，共四十八頁。4.2螺栓涂油后對扭矩系數和自鎖能力的影響1涂油可降低螺栓扭矩系數，減輕螺栓的復雜應力狀態(tài)影響，優(yōu)點是：（1）改善螺栓涂達克羅后扭矩系數提高對施工和驗收的不利影響；（2）用較小的扭矩達到較大的預拉力；（3）扭矩減小后，螺栓擰斷的概率大大降低。4、風機塔筒螺栓連接中常見的問題第十三頁，共四十八頁。4.2螺栓涂油后對扭矩系數和自鎖能力的影響2螺栓涂油對螺栓防松有負面影響：（1）機械自鎖的原理：4、風機塔筒螺栓連接中常見的問題當壓力P產生的沿斜面方向摩擦力μPN大于壓力P在斜面方向的向下分力Psinα時，形成自鎖。第十四頁，共四十八頁。4.2螺栓涂油后對扭矩系數和自鎖能力的影響2螺栓涂油對螺栓防松有負面影響：（2）摩擦系數 正常鋼——鋼靜摩擦系數：0.35 涂油鋼——鋼靜摩擦系數：0.17 涂油鋼——鋼動摩擦系數：0.104、風機塔筒螺栓連接中常見的問題第十五頁，共四十八頁。4.2螺栓涂油后對扭矩系數和自鎖能力的影響2螺栓涂油對螺栓防松有負面影響：（3）高強螺栓扭矩法施工受力分析4、風機塔筒螺栓連接中常見的問題圖中：T：作用于螺母上的外力矩；T1：螺母內螺紋對螺栓螺紋的作用力矩；T2：螺母底面對被連接板表面的作用力矩；T3：螺栓頭對被連接板表面作用的反向力矩。其中，T=T1+T2T3=T1T1及T3引起螺桿扭轉第十六頁，共四十八頁。4.2螺栓涂油后對扭矩系數和自鎖能力的影響2螺栓涂油對螺栓防松有負面影響：（3）高強螺栓扭矩法施工受力分析4、風機塔筒螺栓連接中常見的問題

為預壓力；為螺紋中心圓直徑（公稱直徑）；為當量摩擦角，當涂油，動摩擦時，

其中，為螺紋半夾角，即斜面角為螺紋升角，平均值第十七頁，共四十八頁。4.2螺栓涂油后對扭矩系數和自鎖能力的影響2螺栓涂油對螺栓防松有負面影響：（3）高強螺栓扭矩法施工受力分析4、風機塔筒螺栓連接中常見的問題

其中，為螺母平面對邊平均距離；為螺孔直徑為涂油，動摩擦系數0.1外扭矩由T1和T3共同引起螺桿內扭矩

第十八頁，共四十八頁。4.3高強螺栓在拉壓交變力作用下的松動機理1目前規(guī)范未對拉、壓交變力作用下高強螺栓做規(guī)定。2當螺栓連接受到壓力，使螺桿拉力由P降為阻止螺母松動的力矩為：促使螺栓松動的力矩為：

4、風機塔筒螺栓連接中常見的問題第十九頁，共四十八頁。4.3高強螺栓在拉壓交變力作用下的松動機理3螺栓不松動的條件為：即

當時，螺栓不松動即外力時，螺栓不松動0.415P即41.5%的荷載設計值乘，即58.1%的荷載標準值4、風機塔筒螺栓連接中常見的問題第二十頁，共四十八頁。4.3高強螺栓在拉壓交變力作用下的松動機理4結論在振動、涂油的條件下，用扭矩法施工的高強螺栓在58.1%的風荷載標準值作用下有可能松動。4、風機塔筒螺栓連接中常見的問題第二十一頁，共四十八頁。4.4安裝過程、延續(xù)時間對高強螺栓質量的影響1塔式結構在安裝過程中后加壓力對前階段施工的螺栓有減少預應力的作用。其中：（1）純壓力引起的預應力減少約占5%P以內；（2）由于法蘭翹曲變形受壓后改善引起的預應力損失要調查研究，目前的規(guī)范未反映這一問題。2螺紋受力后發(fā)生蠕變，24小時后再擰扭矩系數變大，原則上仍按規(guī)定扭矩，得到的預拉力減小了。若要達到設計預拉力，則扭矩要加大，剪應力加大，對螺栓不利。4、風機塔筒螺栓連接中常見的問題第二十二頁，共四十八頁。4.5高強螺栓松動后的修復標準問題1原則上高強螺栓松動后應作為失效處理。2高強螺栓在長期受力后螺紋蠕變嚴重，扭矩系數加大。若要達到預拉力設計值，扭矩要增大很多（可以按扭矩系數試驗得出具體值）。3對原有高強螺栓再擰緊使用有兩種結果：（1）若用規(guī)定的扭矩擰緊，則預拉力減小，以后更易于松動；（2）若重新做實驗，按統(tǒng)計得到新的扭矩系數確定扭矩，則設計預拉力可以達到，但剪應力會增大很多，螺栓更易破壞。4、風機塔筒螺栓連接中常見的問題第二十三頁，共四十八頁。4.6高強螺栓松動后對法蘭及螺栓受力的影響1高強螺栓松動之前法蘭面不脫開（預拉力為設計拉力的1.25倍）（1）連接受拉時，法蘭板壓應力減少，螺栓拉應力基本不變（拉力增大在5%以內）。（2）連接受壓時，螺栓拉應力減少，法蘭壓應力基本不變。4、風機塔筒螺栓連接中常見的問題第二十四頁，共四十八頁。4.6高強螺栓松動后對法蘭及螺栓受力的影響2高強螺栓一旦預拉力不足，法蘭接觸面分開造成影響：（1）法蘭連接剛度突然變??；（2）法蘭受力改變?yōu)椤叭嵝苑ㄌm”；4、風機塔筒螺栓連接中常見的問題受力簡圖如右，法蘭板內邊緣成為支點，筒壁受拉使螺栓受力乘，一般相當于2倍。且由于孔小而長，螺桿往往還受彎，這在破壞實例中也很明顯，所以螺栓松動后受力條件惡化。第二十五頁，共四十八頁。4.6高強螺栓松動后對法蘭及螺栓受力的影響2高強螺栓一旦預拉力不足，法蘭接觸面分開造成影響：（3）局部螺栓松動后法蘭連接平面形狀有圓環(huán)形變成開孔環(huán)形，開口邊緣處應力集中嚴重，不是螺栓拉斷則是筒身法蘭連接處板的熱影響區(qū)被撕裂。4、風機塔筒螺栓連接中常見的問題熱影響區(qū)撕裂第二十六頁，共四十八頁。4、風機塔筒螺栓連接中常見的問題螺栓斷裂螺栓彎曲螺栓斷裂區(qū)熱影響區(qū)撕裂區(qū)第二十七頁，共四十八頁。5.1長期監(jiān)測是杜絕因螺栓松動發(fā)生事故的經濟而有效的方法：1投資約為總造價的0.1%而確保安全；2有目標的檢修可以減少維修投入；3確切的信息可延長全面檢修的周期。5、風機塔筒螺栓松動長期監(jiān)測分級報警設備第二十八頁，共四十八頁。5.2螺栓松動長期監(jiān)測分級報警系統(tǒng)示意圖5、風機塔筒螺栓松動長期監(jiān)測分級報警設備1、一層法蘭處沿圓周均布4個螺栓防松報警器。2、每層4個報警器按其布置方向（東南西北）編號為E、S、W及N。3、每個風機塔筒自下而上有4個法蘭，依次編號為1、2、3及4。4、一個風機塔筒上的螺栓防松報警器可以唯一的由法蘭編號及報警器編號表示。5、一個風機塔筒上所有螺栓防松報警器可以采用一個電源；同時信號可以傳輸至總控制中心。NWSE1234第二十九頁，共四十八頁。顯示屏處可設置一大表盤和一小表盤。大表盤顯示風塔號；小表盤顯示某風塔中螺栓情況。表示13號風塔中有螺栓松動50%及以上按下按鈕后表示第2層法蘭的西向的螺栓松動50%以上5、風機塔筒螺栓松動長期監(jiān)測分級報警設備第三十頁，共四十八頁。1、整個風場風機塔筒法蘭螺栓的監(jiān)測方法如下：（1）掃視大表盤，看有無亮燈按鈕。（2）先查亮紅燈的按鈕，按下按鈕，小表盤啟用，可以明確表示出第幾層法蘭的什么方位的螺栓松動到什么程度。（3）再查亮白燈的按鈕，方法同上。2、在控制中心處可按如下方式打印出具體是哪個風塔的第幾層法蘭處哪個方向的螺栓的松動情況：風塔編號法蘭層次螺栓方位松動程度1：松動達到10%2：松動達到50%及以上5、風機塔筒螺栓松動長期監(jiān)測分級報警設備第三十一頁，共四十八頁?；芈?:10%預拉力松弛回路2:50%預拉力松弛信號傳至控制室螺栓松動，螺母逆時針旋轉5、風機塔筒螺栓松動長期監(jiān)測分級報警設備第三十二頁，共四十八頁。1、螺栓正常使用狀態(tài)下整個電路不構成回路，兩個指示燈（紅、白）均不亮。2、發(fā)生以下情況后整個電路構成回路，指示燈亮：a、螺栓發(fā)生10%預拉力松弛，螺母發(fā)生轉動帶動弧形黃銅板發(fā)生位移δ，與?4銅桿相接觸，警示燈A（白燈）亮。b、螺母繼續(xù)發(fā)生轉動，弧形黃銅板與?4銅桿脫離，螺栓發(fā)生50%預拉力松弛后弧形黃銅板發(fā)生位移Δ，與?4“L”型銅桿接觸，警示燈B（紅燈）亮。5、風機塔筒螺栓松動長期監(jiān)測分級報警設備第三十三頁，共四十八頁。6.1消除扭矩對螺栓松動的不利影響：直接張拉法施工拉壓交變型高強螺栓1液壓雙向張拉器原理介紹：

動畫演示6、風機塔筒螺栓防松的有效措施第三十四頁，共四十八頁。2直接張拉法的施工流程6、風機塔筒螺栓防松的有效措施穿螺栓，套入螺母用電動扳手初步擰緊螺母擰緊力矩為終擰扭矩的1/3四角對稱張拉螺栓第三十五頁，共四十八頁。3直接張拉法的動力設備6、風機塔筒螺栓防松的有效措施（地面）空氣壓縮機（法蘭對應平臺上）氣壓、液壓轉換器（法蘭上）雙缸液壓張拉器氣管輸送油壓管路第三十六頁，共四十八頁。4實測結果（1）烏蘭伊力更風場對運行一年后的螺栓作隨機檢測（甲方、金風、施工三方）：60個螺栓中59個拉力值在設計預拉力的90%以上；1個錨栓拉力值在設計預拉力的85%~90%之間。（2）調兵山風場對運行兩年半的法蘭螺栓作三方檢測：66座塔中僅兩座風塔的四個反向平衡法蘭（直接張拉法施工）的所有螺栓未見松動，其它風機法蘭均有30%~50%的螺栓松動。6、風機塔筒螺栓防松的有效措施第三十七頁，共四十八頁。6.2增加法蘭的彈性變形能力，儲存更多的彈性應變能：反向平衡法蘭1反向平衡法蘭簡介6、風機塔筒螺栓防松的有效措施“反向”的法蘭板和加勁板在塔筒內側向心設置的“平衡面”。加勁板在前、法蘭板在后，不增厚法蘭板僅增高加勁板即可增加法蘭剛度；高加勁板使螺栓增長有利于精確施加螺栓預拉力并有利于防松；通過調整法蘭的尺寸，使加勁板“平衡面“所受壓力在焊縫A處產生的彎矩與螺栓預拉力在焊縫A處產生的彎矩平衡，從而使焊縫A受彎矩減小，減小加勁板的尺寸。第三十八頁，共四十八頁。6.2增加法蘭的彈性變形能力，儲存更多的彈性應變能：反向平衡法蘭1反向平衡法蘭簡介6、風機塔筒螺栓防松的有效措施優(yōu)點：螺栓直徑小，長度適當，可精確控制預拉力值從而達到抗疲勞和免維護功能（功能比厚型鍛鑄法蘭提高）；螺栓操作間距不受加勁板影響，螺栓布置細密緊湊，法蘭板減薄；減小鋼材30%以上，同時降低法蘭部分每噸成品單價30%；端銑加工面減少；對管壁無不利作用第三十九頁，共四十八頁。2反向平衡法蘭的極限承載力試驗和疲勞試驗（1）承載力試驗6、風機塔筒螺栓防松的有效措施加載到1.52倍設計荷載時，鋼管局部屈曲先于法蘭節(jié)點破壞。塔筒局部屈曲（反向平衡法蘭未破壞

6.2增加法蘭的彈性變形能力，儲存更多的彈性應變能：反向平衡法蘭第四十頁，共四十八頁。2反向平衡法蘭的極限承載力試驗和疲勞試驗（2）疲勞試驗6、風機塔筒螺栓防松的有效措施施加彎扭疲勞荷載1000萬次（疲勞荷載為彎、扭復合力），試件未發(fā)生疲勞破壞，反向平衡法蘭抗疲勞荷載作用性能得到驗證。6.2增加法蘭的彈性變形能力，儲存更多的彈性應變能：反向平衡法蘭第四十一頁，共四十八頁。2反向平衡法蘭的極限承載力試驗和疲勞試驗（3）現場實測6、風機塔筒螺栓防松的有效措施現場實測表明法蘭板、螺栓、焊縫受力合理，符合設計原理及規(guī)范要求。應變實測振動特性實測6.2增加法蘭的彈性變形能力，儲存更多的彈性應變能：反向平衡法蘭第四十二頁，共四十八頁。3反向平衡法蘭螺栓直接張拉法施工6、風機塔筒螺栓防松的有效措施中段反向平衡法蘭對接直接張拉螺栓6.2增加法蘭的彈性變形能力，儲存更多的彈性應變能：反向平衡法蘭第四十三頁，共四十八頁。4反向平衡法蘭優(yōu)越的彈性變形能力可以使其在螺栓加預應