風(fēng)電機(jī)組葉片螺栓斷裂原因分析及處理

張英

【摘 ?要】風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，開順槳、陣風(fēng)、風(fēng)切變等因素都可能導(dǎo)致葉片根部螺栓受到?jīng)_擊、振動，形成交變載荷，長時間運(yùn)行后，極易出現(xiàn)葉片螺栓疲勞斷裂，根據(jù)前期對同類型問題的調(diào)查分析，造成葉片螺栓斷裂的可能原因有以下幾種。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電機(jī)組;葉片螺栓;斷裂原因;處理

1風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片簡介

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是一個纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的薄殼結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分為3個部分：第一部分為根部，一般由金屬制成;第二部分為外殼，一般為復(fù)合材料，通常是使用玻璃纖維增強(qiáng)材料與基體樹脂復(fù)合而成，一張葉片由兩個灌注成型的外殼構(gòu)件粘合而成;第三部分為支撐外殼的主梁，即加強(qiáng)筋或加強(qiáng)框，一般為玻璃纖維或碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成。風(fēng)能帶動葉片旋轉(zhuǎn)將其轉(zhuǎn)化為動能，通過葉片根部將動能傳給風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。葉片根部是重要的連接部位，在能量轉(zhuǎn)化中起著關(guān)鍵作用。葉片工作時，根部承受著復(fù)雜的剪切、擠壓、彎扭載荷組合作用，應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失效，所以葉片根部連接必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度、局部穩(wěn)定性、膠接強(qiáng)度和疲勞斷裂強(qiáng)度。如2MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，葉根彎矩達(dá)到7000至8000kNm，離心力能夠達(dá)到1000kN，一旦葉根部位出現(xiàn)連接時效問題，葉片與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子輪轂分離，發(fā)電機(jī)無法正常工作，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性的質(zhì)量和安全事故，因此，葉根連接部分受力性能的保證對葉片的安全運(yùn)行起著決定性的作用。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片螺栓連接研究分析還比較少。一般情況下，螺栓的強(qiáng)度主要包括靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和韌性強(qiáng)度。為了保證螺栓連接既不會在最不利載荷下發(fā)生高應(yīng)力強(qiáng)度斷裂，也不會在循環(huán)載荷下發(fā)生底應(yīng)力疲勞破壞和裂紋斷裂破壞，就必須對螺栓連接進(jìn)行靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度校核。

2風(fēng)電機(jī)組葉片螺栓斷裂原因分析

2.1基本概況

國內(nèi)某風(fēng)力發(fā)電場多臺機(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)度等級為10.9級。

2.2理化檢測

2.2.1宏觀檢測

（1）斷口宏觀分析

兩根螺栓均斷裂在螺桿約1/2處校直彎曲部位。斷口整體呈現(xiàn)脆性斷裂特征，斷口呈現(xiàn)由中心向四周的輻射狀條紋，斷口外層為光滑平整的脆性斷口，斷口表面未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的宏觀塑形變形及夾渣物。表明裂紋從心部起裂，向四周擴(kuò)展，最終導(dǎo)致螺栓斷裂。

（2）低倍檢驗(yàn)

在斷裂螺栓斷口以下20mm處沿橫向取樣，進(jìn)行低倍檢驗(yàn)，螺栓心部存在大量縮孔。檢驗(yàn)結(jié)果為：一般疏松1級，中心疏松2級，一般斑點(diǎn)狀偏析<1級，未發(fā)現(xiàn)裂紋等其它宏觀缺陷。

2.2.2化學(xué)成分分析

在螺栓近斷裂位置約20mm處取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析。采用德國OBLF生產(chǎn)的型號為QSN750直讀光譜儀，應(yīng)用光譜分析法，測試其材料化學(xué)成分符合GB/T3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》對該材質(zhì)螺栓化學(xué)成分的要求。采用美國力可公司的ONH-836型氧氮?dú)浞治鰞x，對斷裂螺栓取試樣進(jìn)行氧氮?dú)浜繙y定，結(jié)果為：0.0011%O，0.0090%N，0.0001%H，O、N、H含量均較低。

2.3力學(xué)性能

取同批次螺栓中的一根進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣直徑10mm，非螺栓實(shí)物。采用萬測集團(tuán)的

HUT605A型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行力學(xué)性能測。在斷裂螺栓金相試樣上進(jìn)行硬度測試。螺栓表面和心部硬度沒有明顯差異，力學(xué)性能測試結(jié)果均符合

GB/T3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》的要求。

2.4斷口形貌分析

取斷口試樣經(jīng)超聲波清洗，采用IT300掃面電鏡進(jìn)行斷口形貌分析。在斷口表面輻射狀區(qū)域進(jìn)行SEM形貌觀察，斷口呈現(xiàn)明顯解理斷口特征，局部位置存在二次裂紋和少量孔洞。

2.5結(jié)果分析

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可見：失效螺栓的化學(xué)成分、室溫拉伸性能均符合GB/T 3098.6-2014技術(shù)要求;螺栓顯微組織為奧氏體+少量鐵素體，組織中存在較多的非金屬夾雜物，尤其是硅酸鹽類夾雜物含量較高，且部分夾雜物超尺寸。硅酸鹽類夾雜物為脆性夾雜物，與鋼基體之間在物理性能及變形能力等方面均存在較大差異，且破壞了鋼基體的均勻連續(xù)性，降低了鋼材的力學(xué)性能，尤其是降低了鋼材的塑性、韌性和疲勞極限。螺栓頭部在鐓制成型時，頭部與光桿連接部位的組織和夾雜物隨頭部鐓粗而趨于橫向分布，降低了該處的綜合力學(xué)性能，且由于夾雜物變形能力較差，在鋼與夾雜物界面處形成了顯微裂紋，螺栓受力時，這些顯微裂紋成為疲勞破壞的啟裂源。若密集的夾雜物暴露于螺栓表面，將加速疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展。斷口附近腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果顯示未見有腐蝕性元素存在，表明腐蝕不是引起螺栓斷裂的主要原因。螺栓斷口分析結(jié)果表明，螺栓斷裂形式為多源雙向疲勞斷裂。結(jié)合現(xiàn)場檢修情況可知，該設(shè)備大部分螺栓已松動，設(shè)備轉(zhuǎn)動時，鼓形濾網(wǎng)輻條上下滑移，對螺栓產(chǎn)生了較大的剪切應(yīng)力，循環(huán)往復(fù)，最終導(dǎo)致螺栓雙向疲勞斷裂。導(dǎo)致螺栓松動的可能原因較多，設(shè)備運(yùn)行過程中的振動、高低載荷變化、沖擊、安裝時預(yù)緊力過低、未采取適當(dāng)?shù)姆浪纱胧⒀b配方法不得當(dāng)?shù)?，都有可能引起螺栓松動?/p>

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)生相對運(yùn)動，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。螺栓松動也會增加螺栓的疲勞載荷，降低螺栓使用壽命。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、振動等交變載荷，因此葉片在運(yùn)行一段時間后，不可避免出現(xiàn)連接螺栓松動，也會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處理措施及后期維護(hù)建議

4.1處理措施

出現(xiàn)葉片螺栓斷裂后，應(yīng)及時更換斷裂螺栓，以避免其他螺栓繼續(xù)斷裂，處理方法主要有2種，一是就地在風(fēng)機(jī)上將損壞螺栓取出，將斷裂螺栓及與其鄰近3—5根螺栓均更換為新螺栓;二是使用吊車將整個葉片吊下，重新進(jìn)行葉片安裝，并更換所有根部螺栓。目前現(xiàn)場多采用第1種方法處理葉片螺栓斷裂問題，但采用第1種方法后，需進(jìn)行持續(xù)觀察，如仍多次出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，則需采用第2種方法。針對本次螺栓斷裂，采取了第1種方法進(jìn)行處理，對損壞的螺栓及其相鄰的3根螺栓進(jìn)行了更換。更換后截至目前，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行正常，再未出現(xiàn)螺栓斷裂情況。

4.2維護(hù)建議

為避免出現(xiàn)葉片螺栓斷裂事故，除對前期運(yùn)輸、安裝過程加強(qiáng)監(jiān)管外，在后期維護(hù)中還需做到以下幾點(diǎn)：首先，定期對全風(fēng)電場葉片螺栓力矩進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理;其次，每年對螺栓力矩定期檢查時，應(yīng)嚴(yán)格按照廠家力矩值要求進(jìn)行;再次，定檢工具要按時進(jìn)行力矩校驗(yàn)，特別是力矩扳手和液壓站;最后，嚴(yán)格按照廠家維護(hù)手冊規(guī)定周期進(jìn)行力矩維護(hù)。

5結(jié)束語

通過理論分析，確定了該風(fēng)電場機(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。然后結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了幾點(diǎn)維護(hù)建議。

參考文獻(xiàn)：

[1]史寶良，李巖，張騰飛，江克洪，歐陽薇.液氨儲存罐304不銹鋼法蘭連接螺栓斷裂失效分析[J].理化檢驗(yàn)（物理分冊），2017，5310：740-745+749.

（作者單位：中國能源建設(shè)集團(tuán)東北電力第一工程有限公司）