Bu lông cường độ cao là bộ phận kết nối lõi được sử dụng rộng rãi trong tuabin gió trong điều kiện tải phức tạp. Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp điện gió, việc liên tục mở rộng các tổ máy tuabin gió và kéo dài tuổi thọ sử dụng đã đặt ra yêu cầu cao hơn về độ tin cậy vận hành và độ tin cậy bảo trì của bu lông cường độ cao. Chế độ bảo trì phòng ngừa truyền thống hiện được áp dụng cho bu lông cường độ cao trong tuabin gió có những hạn chế rõ ràng và không còn có thể thích ứng hoàn toàn với các điều kiện vận hành phức tạp tại chỗ. Do đó, điều cần thiết là phải tóm tắt những khiếm khuyết hiện có trong công việc bảo trì, tối ưu hóa và nâng cấp các quy trình bảo trì theo định hướng tại hiện trường, đồng thời thúc đẩy quá trình chuyển đổi từ bảo trì phòng ngừa định kỳ sang bảo trì dựa trên tình trạng, để đảm bảo tua bin gió vận hành an toàn và ổn định.
Năng lượng gió là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất trong ngành năng lượng mới. Tua bin gió nối lưới đóng vai trò là thiết bị chính để phát điện gió. Với việc liên tục đưa các tổ máy mới vào vận hành và sự cũ đi của các tổ máy hiện có, việc kiểm soát chất lượng bảo trì thiết bị đã trở thành trọng tâm chính trong hoạt động vận hành và bảo trì điện gió. Dựa trên các điều kiện vận hành thực tế của các tuabin gió đang hoạt động, bài viết này tóm tắt một cách có hệ thống các vấn đề thường gặp trongbu lông cường độ caobảo trì, phân tích các nguyên tắc cơ học của việc siết chặt bu lông và đề xuất các biện pháp kiểm soát chất lượng toàn bộ quy trình, cung cấp tài liệu tham khảo cho việc bảo trì tinh tế và dựa trên điều kiện các bu lông cường độ cao trong tuabin gió.
1 Hiện trạng và các vấn đề về bảo trì phòng ngừa cho bu lông cường độ cao
1.1 Cấp cường độ và vị trí lắp đặt bu lông cường độ cao
Ba cấp độ bền điển hình của bu lông cường độ cao được áp dụng trong tuabin gió: Cấp 8,8, Cấp 10,9 và Cấp 12,9. Các cấp khác nhau được kết hợp tùy theo đặc tính tải trọng, độ rung và ứng suất của các vị trí kết cấu khác nhau. Bu lông cấp 8,8 thường được sử dụng để kết nối giữa máy phát điện và bộ mã hóa, cũng như giữa vòng trượt và hộp số của bộ phận điều khiển bước. Bu lông cấp 10.9 được sử dụng rộng rãi cho các kết nối chịu tải trọng yếu, bao gồm các khớp nối trục cánh, khớp nối trục chính trục và các kết nối phân đoạn tháp. Bu lông cấp 12.9 được áp dụng cho các kết nối chịu tải nặng chẳng hạn như mối nối giữa trục chính và vòng nén.
1.2 Những thiếu sót chính trong bảo trì phòng ngừa hiện nay
1.2.1 Chu kỳ bảo trì cố định dẫn đến rủi ro bảo trì quá mức và bảo trì dưới mức
Hiện tại, việc kiểm tra và hiệu chuẩn bu lông cường độ cao tuân thủ nghiêm ngặt các chu kỳ bảo trì định kỳ cố định mà không có sự quản lý phân biệt dựa trên tuổi thọ sử dụng, tải trọng thực tế và tần suất rung. Điều này thường dẫn đến việc bảo trì quá mức hoặc bảo trì dưới mức, cả hai đều tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn. Việc siết chặt lặp đi lặp lại quá mức gây ra hiện tượng mỏi kim loại theo chu kỳ, đẩy nhanh quá trình lão hóa vật liệu và có thể dẫn đến biến dạng dẻo, nứt hoặc thậm chí gãy bu lông. Việc bảo trì không đầy đủ sẽ làm giảm lực ma sát của các kết nối bu lông và làm yếu tải trước, cuối cùng gây ra hiện tượng lỏng bu lông và hỏng kết nối, ảnh hưởng xấu đến độ ổn định của thiết bị.
1.2.2 Việc sử dụng các công cụ bảo trì không theo tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật vận hành không đầy đủ
Các quy định bảo trì hiện tại không xác định rõ ràng các tình huống áp dụng và phương pháp vận hành cho các công cụ khác nhau tương ứng với các loại bu lông và vị trí lắp đặt khác nhau, bao gồm cờ lê mômen thủ công, bộ nhân mômen xoắn và cờ lê mômen thủy lực. Điều này dẫn đến hoạt động tại hiện trường bị rối loạn và không nhất quán. Ngoài ra, một số cờ lê lực không được hiệu chỉnh trước khi sử dụng và đôi khi sử dụng các dụng cụ không đủ tiêu chuẩn hoặc quá hạn, dẫn đến giá trị mô-men xoắn không chính xác, quy trình không chuẩn và chất lượng bảo trì không thể kiểm soát được.
1.2.3 Hoạt động không thường xuyên của con người gây ra rủi ro về chất lượng thủ công
Chất lượng hiệu chuẩn củabu lông cường độ caođược quyết định trực tiếp bởi trách nhiệm, trình độ chuyên môn và sự chuẩn hóa trong vận hành của nhân viên bảo trì. Trong công việc thực tế tại hiện trường, đã xảy ra các hành vi bất thường như giảm mô-men xoắn hiệu chỉnh tùy ý và đơn giản hóa quy trình siết chặt, dẫn đến chất lượng bảo trì không đạt tiêu chuẩn và tải trước không đủ. Hoạt động lâu dài trong những điều kiện như vậy dễ gây lỏng và hỏng các kết nối bu lông, gây nguy hiểm nghiêm trọng cho sự an toàn của thiết bị.
2 nguyên tắc cơ bản của việc siết bu lông cường độ cao
2.1 Sự thay đổi ứng suất trong quá trình siết bu lông
Trong quá trình siết chặt, bu lông chịu lực căng trong khi các bộ phận được kết nối chịu lực nén. Trạng thái ứng suất thay đổi linh hoạt theo góc siết và có thể chia thành bốn giai đoạn:
Giai đoạn siết chặt ban đầu: Bu lông chưa được gắn hoàn toàn vào bề mặt được kết nối, dẫn đến lực nén bằng không. Chỉ tồn tại ma sát nhỏ ở ren và mô-men xoắn siết chặt vẫn ở mức thấp.
Giai đoạn siết chặt hiệu quả: Sau khi bu lông tiếp xúc hoàn toàn với bề mặt được kết nối, quá trình siết chặt chính thức bắt đầu. Cả lực nén và mô men xoắn đều tăng nhanh khi góc quay tăng.
Giai đoạn biến dạng dẻo: Khi ứng suất của bu lông đạt đến giới hạn chảy sẽ xảy ra biến dạng dẻo. Góc quay tiếp tục tăng trong khi lực nén và mô men quay tăng chậm và có xu hướng ổn định.
Giai đoạn hư hỏng do quá tải: Siết quá chặt liên tục gây ra ứng suất quá mức, dẫn đến lực nén và mô-men xoắn giảm nhanh chóng và cuối cùng dẫn đến gãy bu-lông khi kéo.
2.2 Ảnh hưởng của hệ số ma sát đến lực nén bu lông
Không có sự tương ứng cố định giữa mô-men xoắn siết chặt và tải trước. Hệ số ma sát ảnh hưởng lớn đến lực nén cuối cùng. Trong cùng một mô men xoắn, sự khác biệt về ma sát ở bề mặt tiếp xúc ren và bề mặt ổ trục bu lông có thể dẫn đến sai lệch đáng kể về tải trước. Ăn mòn ren, nhiễm dầu, tạp chất, bôi trơn không đồng đều và hư hỏng lớp phủ sẽ làm thay đổi trạng thái ma sát, gây ra sai lệch tải trước và hỏng kết nối, đây là những nguyên nhân chính khiến bu lông bị lỏng và ứng suất không đều khi vận hành tại hiện trường.
3 biện pháp kiểm soát chất lượng để bảo trì bu lông cường độ cao
3.1 Các yếu tố ảnh hưởng cốt lõi đến chất lượng bảo trì
Chất lượng bảo trì bu lông có thể được phân tích thông qua mô hình kim tự tháp phân cấp. Theo thứ tự quan trọng giảm dần, các yếu tố ảnh hưởng chính là nhân sự, phương pháp vận hành, công cụ, thiết bị và đặc tính vật liệu (bao gồm bu lông và vật liệu thành phần được kết nối). Các yếu tố này tương tác và cùng xác định hiệu quả bảo trì cũng như độ tin cậy vận hành lâu dài của các kết nối bu lông.
3.2 Các biện pháp kiểm soát chất lượng toàn quy trình
3.2.1 Tăng cường đào tạo nhân sự và chuẩn hóa hành vi vận hành
Việc đào tạo chuyên môn về bảo trì bu lông cường độ cao sẽ được tiến hành thường xuyên để nâng cao trách nhiệm và năng lực chuyên môn của nhân viên. Nội dung đào tạo bao gồm nguyên tắc ứng suất bu lông, tiêu chí so sánh cấp độ, quy trình siết chặt được tiêu chuẩn hóa và phương pháp xác định lỗi. Người vận hành phải có khả năng xác định các khuyết tật như ăn mòn, biến dạng, vết nứt và lỏng lẻo, đồng thời phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy trình tiêu chuẩn để tránh các lỗi thủ công và điều chỉnh mô-men xoắn tùy ý.
3.2.2 Thực hiện kiểm tra chất lượng bu lông trước khi bảo trì
Kiểm tra trực quan và hiệu suất toàn diện phải được thực hiện trước khi bảo trì, bao gồm độ chính xác về kích thước, tính toàn vẹn của lớp phủ, tình trạng ren và trạng thái bôi trơn. Các khuyết tật bao gồm ăn mòn, gờ, biến dạng và hư hỏng bề mặt phải được kiểm tra đầy đủ. Trạng thái ma sát của ren phải được đánh giá theo các điều kiện vận hành để dự đoán rủi ro sai lệch mô-men xoắn tiềm ẩn. Các bu lông không đủ tiêu chuẩn đều bị cấm tái sử dụng để loại bỏ những nguy hiểm tiềm ẩn tại nguồn.
3.2.3 Chuẩn hóa việc quản lý công cụ và đảm bảo độ chính xác của việc phát hiện
Phải thiết lập hệ thống kiểm tra, hiệu chuẩn và bảo trì thường xuyên cho các dụng cụ bảo trì. Các phép thử độ chính xác động và tĩnh phải được thực hiện trên cờ lê mômen, bộ nhân mômen và cờ lê thủy lực trước khi vận hành. Các công cụ quá hạn, không chính xác hoặc bị hư hỏng đều bị cấm. Các công cụ và phương pháp siết tương ứng phải được lựa chọn theo cấp cường độ bu lông, vị trí lắp đặt và đặc tính tải trọng để thực hiện hoạt động được phân loại và tiêu chuẩn hóa. Dụng cụ phải được làm sạch sau khi sử dụng và cờ lê lực bằng tay phải được đặt lại về giá trị mômen xoắn tối thiểu để duy trì độ chính xác của phép đo lâu dài.
3.2.4 Thống nhất các tiêu chuẩn kỹ thuật và thực hiện kiểm soát nhất quán toàn quy trình
Thống nhất các thông số kỹ thuật, tiêu chuẩn đo lường và tiêu chuẩn hiệu chuẩn xuyên suốtchốtcác quy trình kiểm tra, xác minh dụng cụ và kiểm tra mô-men xoắn để loại bỏ chất lượng vận hành không nhất quán do những người vận hành hoặc lô khác nhau gây ra. Lập hồ sơ bảo trì hoàn chỉnh bao gồm vị trí bu lông, mômen xoắn hiệu chỉnh, thông tin người vận hành và dữ liệu thử nghiệm, thực hiện truy xuất nguồn gốc toàn bộ quy trình và kiểm soát chất lượng bảo trì ổn định.
4 Kết luận
Là bộ phận kết nối chịu tải quan trọng, bu lông cường độ cao quyết định trực tiếp đến độ ổn định và an toàn khi vận hành của tuabin gió. Chế độ bảo trì định kỳ truyền thống có những nhược điểm như chu trình cứng nhắc, công cụ không đạt tiêu chuẩn và thường xuyên xảy ra lỗi thủ công, không thể đáp ứng yêu cầu vận hành điện gió tinh tế. Có thể đạt được cải tiến chất lượng toàn diện thông qua quản lý nhân sự được tiêu chuẩn hóa, quy trình vận hành được tối ưu hóa, kiểm soát công cụ nghiêm ngặt và cơ chế kiểm tra trước hoàn chỉnh. Với sự cải tiến liên tục về tính chuyên nghiệp của người vận hành, nâng cấp quy trình bảo trì và phổ biến thiết bị kiểm tra thông minh, việc bảo trì bu lông cường độ cao sẽ dần dần hiện thực hóa việc quản lý dựa trên điều kiện, chính xác và có thể kiểm soát được, giảm thiểu rủi ro hỏng hóc bu lông một cách hiệu quả và đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn lâu dài của tua bin gió.
