風(fēng)電機(jī)組葉片螺栓斷裂原因分析

左天強(qiáng)

(東方電氣風(fēng)電有限公司，四川618000)

國(guó)內(nèi)某風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)多臺(tái)機(jī)組投運(yùn)不到一年頻繁發(fā)生葉片螺栓斷裂問題，螺栓斷裂部位主要發(fā)生在變槳軸承側(cè)的螺紋部分(螺母與變槳軸承的接觸位置)，部分螺栓斷裂部位在螺桿部分。

該風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組使用的葉片螺栓規(guī)格為M30，材質(zhì)為42CrMoA，強(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí)。

1 葉片螺栓的設(shè)計(jì)與質(zhì)量分析

1.1 葉片螺栓設(shè)計(jì)分析

該風(fēng)電場(chǎng)使用的葉片按照GL標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，通過了第三方靜力試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)認(rèn)證，在葉片靜力試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)中，未發(fā)生過葉片螺栓斷裂或其它損傷，表明葉片螺栓的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，該葉片螺栓設(shè)計(jì)安全校核見表1。

表1 葉片螺栓設(shè)計(jì)安全校核(單位：MPa)Table 1 Safety check of blade bolt design (Unit: MPa)

經(jīng)排查，其它使用同型葉片的風(fēng)電場(chǎng)(最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間超過3年)未發(fā)生過葉片螺栓斷裂問題。通過上述分析和排查，該風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組葉片螺栓斷裂非葉片設(shè)計(jì)問題。

1.2 葉片螺栓質(zhì)量分析

為了分析是否由于葉片螺栓質(zhì)量問題導(dǎo)致葉片螺栓斷裂，我們現(xiàn)場(chǎng)取了兩顆斷裂螺栓，其中1顆斷裂位置位于螺紋部位，如圖1所示；另1顆斷裂位置位于螺桿部位，如圖2所示。分別對(duì)兩根螺栓進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、斷口形貌等檢查。

圖1 1#螺栓斷裂位置位于螺紋部位Figure 1 The fracture position of 1# bolt is located in the thread

圖2 2#螺栓斷裂位置位于螺桿部位
Figure 2 The fracture position of 2# bolt is located in the screw

2 螺栓斷口組織與性能分析

2.1 斷口形貌檢查

1#、2#螺栓斷裂形式均為疲勞斷裂，斷口形貌如圖3所示，1#螺栓疲勞源位于牙根部位，2#螺栓疲勞源位于螺桿表面。

2.2 化學(xué)成分分析

(a)1#螺栓(b)2#螺栓

圖3 螺栓宏觀斷口形貌Figure 3 Macroscopic fracture morphology of bolts

表3 螺栓力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 3 Test result of mechanical properties of bolt

(a)1#螺栓裂紋源區(qū)(b)1#螺栓芯部

圖4 1#螺栓顯微組織(500×)
Figure 4 Microstructure of 1# bolt (500×)

對(duì)斷裂螺栓取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表2，化學(xué)成分符合GB/T3077—2015的要求。

2.3 力學(xué)性能檢查

斷裂螺栓取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率、沖擊性能、布氏硬度均符合GB/T3098.1—2010要求。

2.4 金相組織檢查

取樣螺栓的金相組織均為正常的回火索氏體，顯微組織如圖4、圖5所示。

通過上述檢查，可以排除葉片螺栓質(zhì)量問題導(dǎo)致葉片螺栓斷裂。

3 螺栓安裝與維護(hù)

螺栓在安裝、維護(hù)過程中，緊固力矩過大或者過小將影響螺栓的使用壽命。預(yù)緊力過大，可能造成螺栓拉伸應(yīng)力超過螺栓材料屈服強(qiáng)度極限，而產(chǎn)生塑性變形，甚至斷裂。預(yù)緊力過小，將增加螺栓疲勞載荷循環(huán)幅值(連接件在工作載荷作用下產(chǎn)生分離，降低連接體的剛度)，降低螺栓與連接件之間的摩擦力，使得螺栓連接副達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的鎖緊功能，在工作載荷作用下，螺栓連接件之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使螺栓承受額外彎矩、拉伸和剪切等復(fù)雜的交變載荷，加劇螺栓的失效。螺栓松動(dòng)也會(huì)增加螺栓的疲勞載荷，降低螺栓使用壽命。

(a)2#螺栓裂紋源區(qū)(b)2#螺栓芯部

圖5 2#螺栓顯微組織(500×)Figure 5 Microstructure of 2#bolt (500×)

圖6 葉根端面與法蘭結(jié)合面間隙
Figure 6 Gap between the surface of blade root and the flange joint surface

葉片在運(yùn)行過程中，變槳、陣風(fēng)、風(fēng)切變等因素將使葉片螺栓受到?jīng)_擊、振動(dòng)等交變載荷，因此葉片在運(yùn)行一段時(shí)間后，不可避免出現(xiàn)連接螺栓松動(dòng)，也會(huì)增加螺栓的疲勞載荷，降低使用壽命。

經(jīng)檢查確認(rèn)，該風(fēng)電場(chǎng)葉片螺栓均按照設(shè)計(jì)和工藝要求進(jìn)行安裝，并按照半年一次的頻率進(jìn)行維護(hù)，緊固力矩、安裝工藝、維護(hù)方案均符合技術(shù)要求，可以排除安裝及維護(hù)原因?qū)е氯~片螺栓斷裂。

4 螺栓連接體剛度

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)生斷裂的葉片螺栓，其葉根端面與法蘭結(jié)合面間均存在約0.5～1 mm的間隙，如圖6所示。

4.1 理論分析

依據(jù)VDI 2230高強(qiáng)度連接螺栓連接系統(tǒng)計(jì)算準(zhǔn)則，螺栓連接件剛度降低，使螺栓疲勞載荷(對(duì)葉片螺栓是變化幅值)增加。疲勞載荷幅值ΔQb為：

ΔQb=Qe·Kb/(Kb+Kc)

式中，Qe為工作載荷；Kb為螺栓剛度；Kc為連接體剛度。

依據(jù)S-N疲勞曲線，疲勞壽命隨疲勞載荷幅值增大而減少。根據(jù)計(jì)算，螺栓的疲勞壽命與疲勞載荷循環(huán)幅值的3～5次方成比例。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，當(dāng)葉片螺栓連接結(jié)合面間隙值大于0.4 mm時(shí)，葉片螺栓受到的載荷將迅速 增加，當(dāng)間隙值為0.8～1 mm時(shí)，螺栓受到的載

荷將趨于平穩(wěn)，葉片螺栓連接結(jié)合面間隙值與螺栓受力關(guān)系見圖7。

為驗(yàn)證葉根端面間隙對(duì)葉片螺栓受力載荷幅的影響，葉片受載時(shí)，我們對(duì)葉根端面與葉片法蘭不同間隙情況進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

試驗(yàn)方法：在葉根端面及法蘭間設(shè)置不同間隙，然后通過轉(zhuǎn)換器將葉片安裝到試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)葉片進(jìn)行加載，通過螺栓上粘貼的應(yīng)變片對(duì)螺栓應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖7 葉片螺栓連接結(jié)合面間隙值與螺栓受力關(guān)系Figure 7 Force relationship between the bolt joint surface clearance value and the bolt stress of blade

測(cè)試項(xiàng)目無間隙約0.5mm間隙約1mm間隙受拉螺栓應(yīng)力變化(平均值)受壓螺栓應(yīng)力變化(平均值)50-43152-69238-242

試驗(yàn)用葉片法蘭為6 mm；試驗(yàn)用螺栓規(guī)格為M30，螺栓材質(zhì)為42CrMoA，強(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí)。試驗(yàn)葉片在受載情況下葉根彎矩約為1800 kN·m。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，葉片在受載情況下，葉根端面產(chǎn)生間隙與葉根端面無間隙相比，螺栓的應(yīng)力載荷幅值顯著增加。葉根端面與葉片法蘭間隙約為0.5 mm時(shí)，受拉螺栓應(yīng)變約增加3倍，受壓螺栓應(yīng)變約增加1.6倍。葉根端面與葉片法蘭間隙約為1 mm時(shí)，受拉螺栓應(yīng)變約增加4.8倍，受壓螺栓應(yīng)變約增加5.6倍。

5 結(jié)論

通過理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了該風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組投運(yùn)短期內(nèi)頻繁發(fā)生葉片螺栓斷裂的原因是由于葉根端面與葉片法蘭間存在間隙，導(dǎo)致螺栓連接體剛度降低，造成葉片螺栓疲勞斷裂。

[1] 顧富斌，付長(zhǎng)江. 風(fēng)電機(jī)組輪轂與延長(zhǎng)節(jié)連接螺栓斷裂原因分析探討[J]. 風(fēng)能產(chǎn)業(yè),2015(5).