法兰盘螺栓监测系统

风力发电塔螺栓智能监测预警系统

技术方案

1. 系统概述

在能源日趋紧张的情况下，风能因具有清洁、 安全、可再生的特点，成为各国开发研究的热点。在风能向电能的转换过程中，风力发电机组发挥了关键的作用，一旦在运作过程中出现故障，将导致发电机组效率降低甚至停机，造成较大的经济损失。由于大部分风场所在环境的特殊性—地处山区、海边、戈壁等，季节和昼夜温差大、风沙问题严重、污秽等级高，加之风电机组自身具有的低速、变载，零部件众多，传动系统复杂，分散部署，距离远，运行方位高，人工实施维护困难等特点，导致传统的事后维修和周期性检修模式代价高昂，而离线点检模式带来的人力成本又非常巨大，因而采取有效手段对风力发电机进行在线实时状态监测、及时发现故障并进行维修对安全生产具有重大意义。

塔筒是风力发电机最主要的支撑结构，多段塔筒相邻之间通过高强度螺栓连接，因其工作环境恶劣，承受交变载荷的影响，在螺栓螺纹上容易产生很高的局部应变及应力，会造成螺栓出现松动、形变、断裂等问题、。尤其是海上风电，近些年投运的一些海上风电场陆续出现风电塔螺栓脱落及断裂情况，存在巨大的潜在威胁。从而影响机组的安全运行，严重时会导致风机倒塌事故。

风力发电塔螺栓智能一体化监测系统通过在螺栓上布置对应的转角松动传感器、高精度裂缝传感器来对螺栓的预紧状态、松动趋势、应力分布、连接件部位缝隙实施在线监测，通过多种参量的相关数据来判断螺栓的松动及损伤程度。通过设定的阈值来自动报警，实现及时的设备故障诊断，以便现场维护人员。

2.1系统优势

实时性及准确性：本系统采用高精度及高灵敏度的基于磁性检测的角度传感器、高精度裂缝传感器来监测螺栓及法兰盘的健康状态，实时上传螺栓状态信息，可有效的分析得到螺栓松动、拉伸及法兰盘裂缝情况，并第一时间发现螺栓异常状况并发出报警；相对于传统螺栓监测系统，数据更为全面，数据和结果更具真实性和准确性。

无损监测，安装便捷：传统预紧力传感器采用压力环或者给螺柱打孔，造成螺栓的结构损伤和力矩误差；本系统采用转角传感器和裂缝传感器监测螺栓的拉伸及变形情况；将传感器安装在螺柱上，实现无损安装。

在线监测及报警系统：系统采用实时在线监测，及基于人工智能的智能算法报警，实时监测系统的故障情况及各级法兰螺栓松动情况。

系统拓展性及兼容性：对不同规格的螺栓定制化开发传感器安装外壳，数据采集采用串口通信，一根总线带多个节点且支持快速插拔安装，安装与维护十分便捷；采集设备采用模块化开发，根据机组结构和用户对测点需求的不用，用户可以根据实际需要，选择布置传感器的监测点位；采集设备提供通用接口，可为主控系统提供螺栓报警信息。

2.2系统原理

螺栓预紧力衰减分为两类：非旋转性螺栓预紧力衰减和旋转性螺栓预紧力衰减。非旋转性预紧力衰减一般发生在螺栓紧固后的24小时之内，衰减幅度约为螺栓预紧力的10%，主要表现为在螺母并不发生反旋的情况下，预紧力发生衰减，产生该现象的主要原因是由于被夹持物在螺栓预紧力的作用下，其表面发生嵌入或被压溃现象所导致，还有一部分原因为旋合螺纹的塑性变形导致，非旋转性螺栓预紧力衰减已经在螺栓连接设计和工艺所考虑。所以，真正需要监测的对象为旋转性螺栓预紧力衰减部分。旋转性螺栓预紧力衰减又称为螺栓松动，发生在螺栓连接的服役过程中，在振动或者热冲击条件下，由于螺母反旋导致的螺栓轴力衰减。

螺栓松动在线监测系统针对旋转型螺栓松动状态进行监测，目的明确、监测参数唯一，即为螺母反旋角度。通过选型开发的角度编码器配合定制化机械结构设计的传感器外壳，完成螺母相对螺栓的旋转角度监测并将旋转角度物理量转化为电信号由下位机采集站进行采集，采集到的数据通过TCP/IP协议上传中控室服务器，中控室服务器将采集到的旋转角度利用核心算法完成数据分析，计算得到被监测螺栓的当前的松动程度，最终由显示软件实现监测参数及分析结果的直观展示。

2.3系统组成

螺栓松动在线监测系统的关键在于实时的获取连接螺栓的螺母反旋松动角度、法兰盘应力分布及法兰缝隙，并可应用于大型设备、机组各零部件关键连接位置。螺栓松动监测系统主要由角度传感器、数据采集器、本地服务器、远程服务器、上位机显示分析软件等部分组成。

因连接螺栓数量繁多，各传感器与采集站间采用RS485/RS232串口总线的通信方式。采集到的数据以TCP/IP方式发送到中控室服务器，完成数据的实时显示与分析。具体的系统组成及配置清单如图2.4-1和表2.4-2

图2.3-1系统拓扑图

2.4系统功能

2.4.1监测主页

实时的监测各关键部件螺栓预紧状态，完成被监测螺栓ID地址分配、初始值校准、松动显示及趋势绘制、松动程度显示、状态报警等综合管理，由此得出关键位置连接紧固件的载荷分布情况，系统软件具备丰富的图谱显示功能，具体如下：

●螺栓预紧状态   ●螺栓松动趋势  ●螺栓松动程度 ●螺栓载荷分布

●法兰盘端面间隙 ●螺栓转角      ●螺栓ID分配  ●初始值校准

●报警阈值设定   ●报警显示      ●用户管理     ●日志查询

图2.4-1主页图

2.4.2重新校准

监测到螺栓松动后，修复后校准初始值，操作前确保松动部位已全部修复，系统会提示：【请检查螺栓松动问题已修复，该操作不可复位，是否初始化角度初始值。】

图2.4-2初始化图

2.4.3 生成报告

生成当前基础设备如风机上的所有螺栓设备数据和系统图。

图2.4-3报告图

2.4.4主体设备列表

根据螺栓所在的主体设备，可操作列表切换，按主题设备为组别，操作和换看不同主体设备上所对应全部螺栓设备信息。

图2.4-4主体设备列表图