光伏支架采用拉铆连接的优势

随着全球对可再生能源的日益关注，光伏行业正经历着前所未有的快速发展。光伏支架作为光伏电站的重要组成部分，其市场需求也在不断增长。预计到2025年，全球光伏支架市场规模将达到近百亿美元，中国作为全球最大的光伏支架生产国，市场规模占比达到了近60%。

光伏支架需要承受风、雪、地震等自然载荷以及保证电站运行的安全性和稳定性，因此对光伏螺栓的强度、耐腐蚀性、抗风载能力等方面有着非常高的要求。目前，市场上主流的光伏螺栓大多采用高强度钢材加工而成，具有较好的机械性能和耐久性。

图1 光伏支架

光伏螺栓在光伏支架领域中具有广泛的应用，主要作用是将光伏组件固定在支架上，以实现太阳能的有效转化和收集。具体应用场景包括电站建设、路桥工程、建筑领域以及其他如海洋能源、农业等领域。

随着新材料和新工艺的不断涌现，光伏支架领域将不断进行技术创新，提高产品的性能和质量。市场需求增长、政策支持以及降低成本也是光伏支架领域未来发展的主要趋势。

研究表明，拉铆连接代替普通螺栓连接可以提高光伏支架连接节点的防腐蚀性能。在腐蚀条件下，螺栓连接的抗剪承载力下降程度较大，而拉铆连接的抗剪承载力下降程度较小，显示出更好的抗腐蚀性能。

拉铆连接作为一种新型连接方式，具有良好的防腐蚀性能，适合代替螺栓连接应用于光伏支架中。拉铆钉又称环槽铆钉，利用虎克定律并采用专门的铆接工具，在轴向拉伸铆钉的同时径向挤压套环，使套环金属流动到铆钉的环槽中，形成永久的金属塑性变形连接以实现紧固安装。

图2 拉铆钉安装过程及工作原理

某项目研究中通过对比螺栓连接和拉铆连接腐蚀前后的抗剪试验，并对两种连接的腐蚀机理、腐蚀后的宏观和微观形貌、构造进行分析，揭示了两种连接腐蚀后抗剪承载力下降程度产生差异及原因。

在承受相同荷载作用的条件下，螺栓存在的缺口效应会产生较大的应力集中效应，相比于螺栓牙型，拉铆钉牙型则有更小应力集中效应。

根据相关研究成果表明：螺栓牙型的最大应力约为拉铆钉牙型应力的４倍，拉铆钉牙型的圆弧结构可以有效地降低牙底和牙顶的应力集中，而在相同腐蚀环境下，应力的存在会显著提高钢材表面的腐蚀活性，从而加速表面腐蚀形貌的发展。

图3 传统螺栓腐蚀后状态：（a）腐蚀后的螺杆及螺帽（b）连接断口形貌

图4 拉铆钉腐蚀后状态：（a）腐蚀后的铆杆及套环（b）连接断口形貌

传统螺栓的螺母螺纹与螺栓螺纹仅在牙纹侧边形成点接触，咬口间有较大空隙，腐蚀介质易进入空隙造成螺栓连接节点内部腐蚀，拉铆钉套环与铆杆有更大的接触面积，加强了紧固程度，有利于抵御腐蚀介质的侵入，因此，拉铆钉腐蚀后抗剪承载力下降程度较小；

研究表明小直径拉铆钉代替普通螺栓应用于光伏支架中可以提高连接处的抗腐蚀性能。

图5 普通螺栓

图6 拉铆钉

在拉铆钉生产方面，通过调查发现规格为LMY10－20拉铆钉采购价格在0.5～3元不等，4.8级的Ｍ10－Ｍ20螺栓采购价格在0.3～2元不等，造成价格差异的主要原因是拉铆钉的市场总体需求相比螺栓要少，螺栓的产能要大于拉铆钉，螺栓的市场供应大于市场需求，导致价格低迷，厂家价格竞争激烈且利润微薄。

反观拉铆钉，由于技术条件限制，许多紧固件加工企业不具备生产拉铆钉的能力，导致市场供给端较少，价格略偏高，但随着拉铆钉在建筑和光伏行业的大规模应用，拉铆钉的需求将会迎来爆发式增长，生产成本也会随之下降，其性价比将进一步体现。

在连接件的施工上，螺栓的安装可采用力矩扳手或电动扳手，力矩扳手的使用更灵活，但拧紧时间较长约40s，电动扳手的使用仅需约2s，但需要电源支持。

拉铆钉的安装只能采用专门的锚枪安装，同样需要电源支持，安装约2s。使用拉铆钉进行安装可以大大减少安装过程所花费的时间，提高施工效率，有效地缩短施工工期。

在后期维护运营方面，通常情况下光伏支架因需要平均半年进行一次检修，每次检修费用每兆瓦500～1000元不等。

图7 青海戈壁滩的青海塔拉滩光伏发电站

例如位于青海戈壁滩的青海塔拉滩光伏发电站，是全球机装容量最大的发电园区，总装机容量15730兆瓦。青海塔拉滩光伏发电站因为螺栓问题每年检修费用将高达1573～3146万元不等。

使用拉铆连接可以减少检修费用的同时减小光伏支架坍塌的风险，降低了事故导致的经济损失。

  图8 不同荷载频率的轴向循环荷载作用下螺栓连接节点的松动曲线

图9 不同荷载频率的轴向循环荷载作用下拉铆连接节点的松动曲线

为得到拉铆连接在光伏支架中应用的可行性，某项研究对普通螺栓、防松螺栓和拉铆钉进行轴向循环荷载下的松动试验，对比分析了三种连接方式的松动性能，研究考虑了荷载幅值和频率对螺栓连接和拉铆连接松动行为的影响，得到如下结论:

(1) 在轴向循环荷载作用下，三种连接的松动过程主要分为预紧力迅速下降的第一阶段和预紧力缓慢下降并基于平稳的第二阶段，拉铆连接在两阶段预紧力下降程度都是最小的，表现出优越的防松性能;

(2) 在轴向循环荷载作用下，荷载幅值越高，螺栓与拉铆钉松动程度越高;加载频率越高，松动程度越低，并且拉铆钉的松动程度始终小于螺栓的松动程度;虽然拉铆钉强度和预紧力高于螺栓，但拉铆钉表现出的防松性能远远超过螺栓;

(3) 螺栓的螺纹配合面之间存在较大间隙，存在点接触导致紧固后出现应力集中的现象，更容易发生塑性变形;而拉铆钉的独特圆弧结构的牙型和铆接成型后牙型配合面的过盈配合可有效减少应力集中的情况，从而提升防松性能;

(4) 螺纹损伤显示区域性特征，磨损机制主要为磨粒磨损和疲劳磨损.研究揭示螺栓和拉铆钉在轴向循环载荷作用下其松动与接触面的微动磨损密切相关，且拉铆钉磨损程度低于螺栓，拉铆连接在防松性能上显著优于螺栓连接，更能满足工程需求。

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