吕俊丰
上海泰胜风能装备股份有限公司，上海市 金山区 201508
摘要：锚栓组合件是预拉力锚栓式风机基础的主要构件，现风力发电机组单台容量较大、塔架较高、重量大、重心高、叶轮直径大并在风载及风机叶轮运转作用工况比较复杂。设计计算基础尤为关键，而风力发电机组的基础形式分为柱基础、重力扩展基础、梁板基础、板式基础等，连接形式有锚栓式基础、基础环式等。
关键词：锚栓组件；风机基础锚栓；张拉力；预紧力；保证载荷
引言：风机基础锚栓与钢筋混凝土结合后起固定风机塔架作用，是承载整台风机的安全运行的关键。在风机正产运行或其它外力做用下会对基础锚栓产生极大的交变载荷。风力发电机组的载荷相对比较复杂，塔架底段下法兰面要与预应力锚栓式风机基础上锚板紧密贴合，以免受力不均关系到整台风机的安全，控制锚栓预紧力特别重要，在承受塔架、机舱、叶片的重量和其他载荷的做用下，基础锚栓作为风电机组基础的核心部件之一，对核心部件从原材料的选材到生产工艺都有特殊要求，生产中要严格质量管控。因基础锚栓长期工处于比较复杂的外荷载和疲劳荷载作用下，故其一直工作于交替应力状态，且锚栓大部分埋置于基础下方。如基础锚栓存在问题，会直接影响风机正常运转及受用寿命。针对某项目风机基础已浇灌完成的锚栓的质量检验与分析。
一、项目概要
河北省某风电项目在施工时，对已达到养护期的预应力锚栓式风机基础进行吊装，根据主机厂设计，锚栓为10.9及规格为M39x3500mm。锚栓预拉力为370KN。张拉分2次，第一次施加255KN，第二次直接施加到370KN。对45号机位进行底段塔筒吊装时，发现已经张拉的锚栓有8根锚栓发生延迟断裂。
根据锚栓生产商的发货记录及相关资料，同时向现场施工的个单位了解现场安装操作记录、设备操作流程情况，确定45号机位基础断裂8根锚栓在热浸锌工艺前进行了酸洗处理，该批锚栓中工有4.3吨（145颗），分别安装到首批45号、48号、50号机位。剩余25台锚栓采用的工艺为喷砂后直接热镀锌，无酸洗工艺。其中5套锚栓尚未安装，23套锚栓中已安装且基础已浇灌完成。
从现场8根锚栓断口可以判定断裂形式一样，为分析断裂原因，对其中任意两颗断裂锚栓进行分析，图1、图2为断裂锚栓的断口宏观形貌，从图中可看到三个断裂区域为放射区域、裂纹快速扩展区域和剪切断裂区域。
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从宏观断口分析，锚栓断裂处没有观察到疲劳断裂现象，由断裂处形貌观察发现启裂后迅速扩展，放射区域占据了断口的主要部分，断裂处脆性较大。
为使后续20套已施工基础顺利安装，拟定该20台已施工基础锚栓的验证方案如下文所述。
二、20套已安装锚栓验证
锚栓张拉检测法是对锚栓质量最为直接、有效的检验方法。对剩余已施工的20套锚栓，每台按100%比例进行预拉力检测。锚栓张拉检测法的关键要素包括张拉检验力、保证载荷时间及张拉方法。
2.1 张拉检验力
根据美国材料标准ASTM F519-2010(电镀/涂覆工艺机械氢脆评定和应用环境的试验方法)，提出一种试验方法-----持续载荷试验法，该方法是将带有缺口的试样加载到其屈服强度的75%左右，并在该载荷下保持200小时，试样不得失效。该项目采用的锚栓为10.9及M39，75%的螺栓屈服强度约为650KN，考虑15%的预紧力损失，锚栓张拉力为750KN，约为设计方提供的设计紧固力（370KN）的2.03倍。
按照《钢结构设计规范》GB50017-2003标准，刚强度螺栓预紧力值P=0.9*0.9*0.9*fu*Ae/1.2其中fu是最小抗拉强度，Ae是螺栓有效面积。考虑到锚栓张拉过程中的预紧力损失15%，需要对锚栓进行超张拉。该项目采用的锚栓为10.9及M39，0.9*0.9*0.9*fu*Ae/1.2约为610KN，考虑15%的预应力损失，锚栓张拉力为700KN，约为主机厂提供的设计紧固力（370KN）的1.89倍。
可见，采取上述两种方法计算得到锚栓张拉力较为接近，建议采用《钢结构设计规范》计算得到的10.9及M39锚栓预拉力610KN（0.9*0.9*0.9*fu*Ae/1.2），并考虑锚栓张拉过程中的预应力损失15%，即700KN作为张拉力检验力，以达到张拉检验锚栓的目的。
采用700KN作为张拉检验力，其原因：
1）因本项目基础已经浇灌完成，锚栓无法拆除或者更换，为保证张拉后的锚栓能继续使用，降低锚栓基础破坏程度，10.9及M39锚栓抗拉屈服强度为900KN，强度储备较大，张拉检验后的锚栓仍可继续使用；
2）张拉检验阶段，对锚栓施加较大的张拉检验力，不论锚栓因材料、轧制、热处理、氢脆引起的细微裂纹，将在较大应力水平作用下发展并断裂，使“问题”锚栓提前爆裂；
3）若锚栓存在裂纹，则裂纹处应力集中较大，锚栓所受较大初应力与应力集中效应叠加，将使初始裂纹迅速发展并导致锚栓断裂，使问题提前暴露。另外设计方设计紧固力较小，700KN的张拉检验力仅用于张拉检验，检验后若锚栓无异常，仍按设计方要求的设计紧固力紧固锚栓，确保满足设计方的安装要求。
2.2 保证载荷时间
如2.1条所述，美国材料标准ASTM F519-2010中提出的持续载荷实验法，要求试验荷载保持时间为200小时，另外克莱斯勒汽车公司对于大批量紧固件的氢脆问题做了系统的研究实验，同样采用ASTM F519-2010中的试验方法。
根据Troiano的理论，在某一给定施加应力水平及热处理4340刚缺口试样对1586Mpa强度水平的应力对比下，研究在149摄氏度烘烤对断裂时间的影响。试验结果见图3，从图中可以看出，在75%材料强度下，断裂会在200小时内出现，并且200小时不断基本就不会断。
综上所述，无论是大量国外的材料试验还是相关的行业检验标准，都将200小时定位一个检验低氢脆性的安全试验时间。因此，本方案建议锚栓张拉检测的保证载荷时间取为200小时。
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2.3 张拉方法
张拉检验按设计方认可的张拉方法执行，即直接张拉法。在原有基础上直接将螺栓张拉，张拉分2次达到预紧力700KN，第一步施加485KN，第二步直接施加到700KN。该方法通过锚栓液压张拉器对锚栓施加预拉力，是一种对锚栓直接施加预拉力的方法。锚栓液压张拉器通过厚螺母，一端套在被拉锚栓的顶部，另一端套在张拉器双头锚栓的端部，利用油泵对张拉器施压，以达到张拉锚栓的目的。
根据国内外相关规范，采用张拉检测法对剩余已施工的 20 台风机基础锚栓质量进行检测，每台按100%比例采用直接拉伸法施加张拉检验力到700KN(约为1.15*0.9*0.9*0.9*fu*Ae/1.2，并保证载荷200小时。
该张拉检测试验于2015年8月18日展开，对具备张拉检测试验条件的已施工20台基础中的#46、#49、#52、#54和#56 共计5台基础锚栓进行张拉检测。每台基础有120颗锚栓分内外两圈，每圈都有60根锚栓，张拉前先将锚栓编号写在基础上，图4为46#机位锚栓张拉试验现场。
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对该5台(46#、49#、52#、54#、56#机位)基础锚栓进行100%张拉检测，张来后发现每台都有不同程度的锚栓断裂现象，以下为现场锚栓张拉过程和现象的详细情况：
(1)2015年8月18 日对46#、49#、52# 三个机位的全部锚栓施加第一遍预拉力 485KN。
(2)2015年8月19日对54#、56# 机位全部锚栓施加预拉力 700KN对52#机位全部锚栓施加第二遍预拉力 700KN。
(3)2015年8月20日对46# 机位全部锚栓施加第二遍预拉力700KN，施加预拉力过程中发现外圈48号、49号锚栓断裂；对49#机位外圈锚栓施加第二遍预拉力700KN，并检查内圈锚栓的预拉力(485kN)，施加预拉力过程中发现外圈3号锚栓、内圈10颗锚栓受力不正常；对52#机位检查发现外圈44号、60号锚栓断裂，对54#机位检查发现外圈54 号、内圈51号的锚栓断裂。
(4)2015年8月21日检查中发现46#机位新增1颗锚栓断裂(内圈46号)、56 #号机位外圈39 号锚栓断裂。
(5)2015年8月23日检查中发现46#机位新增7颗锚栓断裂(外圈38号、44号、51号，内圈41号45号49号、50号)；发现44#机位2颗锚栓断裂(内圈51号、外围39号)；发现52# 机位新增 2 颗锚栓断裂(内圈11号、外围15号)：发现54#机位新增2颗锚栓断裂(外圈35号、内圈53号)；其中52#机位外圈15号锚栓、54#机位外圈35号和内圈 53号锚栓断裂位置为上锚板缧母锁紧部位。
经统计，46 #机位共断裂锚栓10颗，49#机位共断裂锚栓 2颗，52#机位共断裂锚栓4颗，54#机位共断裂锚栓4颗，56#机位共断裂锚栓1颗，合计断裂21 颗锚栓。
表1给出了5台已检测基础的编号、每台基础锚栓的张拉日期、施加张拉力的大小、以及锚栓的断裂情况。图5为46#机位和52#机位锚栓被拔出的现场，图6为现场观测到断裂锚栓照片。可以看出，锚栓断口发生在锚板处的螺纹段，锚栓断裂时有明显的撕裂现象。锚栓断裂数量较多，断裂时张拉检验力的保载时间未达到验证方案要求的 200 小时。
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颗锚栓断裂
根据表1：
本项目基础锚栓总数：120*28=3360颗
已拉伸锚栓数量：120*6=720颗
断裂锚栓数量：29颗（含首台吊装45#机位8颗）
受力不正常螺栓数量：11颗
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图6 断裂锚栓
对已施工20 台基础中的5 台基础锚栓进行 100%张拉检测，发现每台都有不同程度的锚栓断裂现象，锚栓断裂比例较大，由于该20 台已施工的风机基础锚栓采用相同的材料和加工方法，根据上述锚栓张拉检测试验情况，可以判断该项目锚栓的强度和质量不合格。
锚栓是连接风机塔筒和混凝土基础的关键受力构件，锚栓的强度和质量是保证风机的正常运行的基础。
结论：
对已施工的20台基础锚栓采用直接拉伸法施加张拉检验力到700KN（约1.15*0.9*0.9*0.9*fu*Ae/1.2），并保证载荷200小时。通过张拉检测，该项目锚栓的强度和质量不合格，不能满足风机使用要求，不宜继续使用，建议报废现有20 台已经施工基础，重做新基础。
参考文献：
[1] Standard Test Mechanical Hydrogen Embrittlement Evaluation of Plating /Coating Processes and Service Environments，ASTM F519-2010.
[2] 钢结构设计规范，GB50017-2003.
[3] 金属覆盖层/钢铁制件热浸锌层技术要求及试验方法，GB13912-2002.
[4] 孙小炎，螺栓氢脆问题研究，航天标准化研究所（北京），2007.
[5] Eric D.McCarty等，汽车紧固件的氢脆，克莱斯勒汽车公司（美国），1997.
[6] 刘德林等，从失效案例讨论钢制紧固件的氢脆问题，北京航空材料研究院，201 1.
[7] 吕兆华、马人乐、卞永鹏等，高强螺栓液压张拉器在高耸结构工程建设中的应用。 特种结构，2008，25（2）.
[8] 孙永良、马人乐、邹智明，预应力锚栓柱脚设计及应用钢结构，2010，25.