2018年全球風電新增裝機容量將超過60GW，並且在未來4年內穩定增長，2020 年全球新增風電裝機達到80GW，年均增速為10%。據MAKE預測，2021年至2026年，平均年新增吊裝容量和併網容量將達到27.3GW和28.6GW。

與此同時，風電機組零組件種類繁多、數量龐大，涉及專業技術範圍廣闊，以某直驅型2MW風電機組為例，其一台整機零組件有550餘種、6800餘件，造成零組件採購和品質控管的高風險。緊固件作為風電機組的基礎，在主機、葉片、塔架和減速箱的連接中，與風力發電機組一起承擔構件基本功能的各項要求。

近年來，因緊固件失效的品質問題屢屢出現。如某型號風電機組在運行過程倒塌，分析主要原因之一，塔筒與塔架的連接螺栓斷裂。進行診斷過程中，不難發現這些緊固件在設計、生產、採購、驗收乃至使用環節存在著品質失控的問題，必須高度重視。基於此，德國萊因TÜV經過多年的研究，推出緊固件標準2PfG 2565 – 風電結構用的高強螺栓連接埠，有助於強化風電機組的品質控制，並提供全方位服務和解決方案。

 

為什麼要做對緊固件進行認證？

風電結構的高強度緊固件由於長期野外服役，環境惡劣，維修條件差，為了確保風電整體結構在不同氣候條件和交變荷載下長期的安全性和耐久性，風電緊固件的品質和可靠性是至關重要的一個因素。

正常連續工作情況下，風電緊固件必須保證15年以上的使用壽命。風電高強度螺栓大部分選擇10.9級，少量為8.8級。對於10.9級高強度螺栓，其抗拉強度1250MPa≥ Rm≥1040MPa，斷後伸長率A≥9%，斷面收縮率Z≥48%，低溫衝擊強度（-45℃）KV2≥27J。

面對重重難關，必須研發和應用緊固件可靠性設計與製造，借由功能強大的設計、檢測和試驗資料，讓客戶對風電機組緊固件的壽命和可靠性放心。

按2PfG 2565的標準要求，需評估緊固件以下幾項性能：

• 尺寸

• 表面缺陷

• 磁粉探傷

• 金相組織結構

• 螺栓螺母墊片的物理性能

• 連接副的預緊力和扭矩係數

 

小螺栓如何保持緊固不動？

針對緊固件鬆動的問題，德國萊因TÜV的測試工程師採取了各種積極有效的檢測手段，其中「螺栓的-40℃低溫衝擊」和「連接副的扭矩係數」是檢測中經常失敗的兩項內容，主要原因包括：

1. 螺栓原材料的選擇，常用的原材料有42CrMo/B7/42CrNiMo；

2. 製造工藝的缺陷，導致測試時螺紋底部應力集中處易斷裂；

3. 加工工序倒置（輥制螺紋在熱處理之前），導致螺紋壓應力不足，預緊力不達標；

4. 熱處理溫度和時間控制不合理，導致金相組織結構等級不夠，影響產品最終性能。

 

溫度會影響材料的物理性能，最顯著的影響是螺栓材料的熱脹冷縮效應，因而它會影響螺栓的鬆動行為。在−40℃環境條件下，緊固件的剩餘緊固軸力與初始預緊力比值最高，資料離散度小，均處於90%以上；在0℃和40℃環境條件下，緊固件的剩餘緊固軸力與初始預緊力比值分佈較低，且資料離散性較大，其中40℃環境條件下的剩餘緊固軸力最低。

試驗結果表明，低溫環境下的緊固件抗振防鬆性能明顯優於高溫環境下的緊固件抗振防鬆性能。

此外，控制安裝預緊力是防止螺紋緊固件鬆動有效又經濟措施之一，這種方法利用螺紋的自鎖條件，不需要對螺栓、螺母結構做任何改動，通過保證合適的預緊力來防鬆。對於安裝控制要求特別高的使用場合，採用直接控制的方法，在安裝過程中測量預緊力，並加以控制，一般情況下，直接控制安裝預緊力需要使用專門的裝置或掌握專門的技術，難予推廣。為了以經濟的方法獲得滿意的預緊力，更多是採取間接測量和控制預緊力的方法，即扭矩控制法。

扭矩控制法通過扭矩係數將預緊力換算成裝配扭矩，使用定扭矩或測扭矩裝配機或扳手控制裝配扭矩，或利用緊固件自身結構保證擰緊扭矩（如扭剪型螺栓連接副），間接達到控制預緊力的目的。為了達到預期的目的，要求連接副的扭矩係數能預先準確測定，並保證同批零件的扭矩係數離散性不大。如2Pfg 2565標準中明確規定同批連接副的扭矩係數單個值的允許範圍為 0.130-0.160。

德國萊因TÜV作為歐洲最權威的緊固件認證協力廠商機構，不僅僅針對客戶的產品進行檢測認證，更多的是説明客戶在既有生產能力下的產品升級和轉型，同時在建築、汽車、風電和能源等領域為客戶提供全方位的服務和解決方案。

 

專家檔案

莊珮甄

德國萊因TÜV大中華區工業服務業務主任

對建築建材、扣件與結構領域有豐富工作經驗，專責建材驗證、製造商工廠檢查與品質系統稽核，歐盟建築產品相關法規、標準解讀及培訓等相關服務。