趙 勇, 蔣 濤, 張炳奇, 孫 越, 楊 兵

(1.大唐東北電力試驗(yàn)研究院有限公司, 長(zhǎng)春 130102； 2.武漢大學(xué), 武漢 430072)

高強(qiáng)螺栓是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要連接部件，受風(fēng)速方向和大小的影響，在運(yùn)行中承受循環(huán)載荷的作用，易產(chǎn)生松弛現(xiàn)象甚至發(fā)生疲勞斷裂，給企業(yè)帶來(lái)很大的安全風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失，因此檢修規(guī)程要求每年對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的漿葉等關(guān)鍵部位的連接螺栓進(jìn)行一次100%力矩緊固維護(hù)[1]。

某風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)13號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為1.5 MW型變速恒頻、變槳距控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)，漿葉根部呈環(huán)形，均勻分布安裝有54根雙頭緊固螺栓。螺柱規(guī)格為M36 mm×4 mm×657 mm，材料為42CrMoA鋼，強(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí)，螺母材料為35CrMo鋼，性能為10級(jí)，墊圈材料為45鋼，該13號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù)見(jiàn)表1。該風(fēng)力發(fā)電機(jī)自2012年投運(yùn)后，每年進(jìn)行一次力矩緊固維護(hù)。2019年10月，1號(hào)葉片第11號(hào)連接螺栓在力矩緊固維護(hù)時(shí)發(fā)生斷裂，斷裂

螺栓位于漿葉輪轂連接螺栓孔180°位置，如圖1所示。斷裂部位位于連接螺母下表面第1個(gè)螺紋根部，如圖2所示，在螺栓斷裂時(shí)已累計(jì)運(yùn)行41 694 h。

圖1 斷裂螺栓位置示意圖Fig.1 Diagram of the fractured bolt location

圖2 斷裂螺栓宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured bolt

為找出連接螺栓的斷裂原因，筆者對(duì)斷裂的連接螺栓進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析，以期類(lèi)似事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

圖3 斷裂螺栓的斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fracture of the fractured bolt

通過(guò)體視顯微鏡觀察斷裂螺栓的斷口宏觀形貌，如圖3所示,可見(jiàn)斷口具有典型的疲勞斷口特征。斷口分為3個(gè)區(qū)：裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。斷口呈多疲勞源斷裂形態(tài)，有兩個(gè)裂紋源，兩個(gè)裂紋源擴(kuò)展連接形成了一個(gè)臺(tái)階；疲勞擴(kuò)展區(qū)呈灰白色，整個(gè)區(qū)域較為平坦，疲勞輝紋清晰可見(jiàn)，根據(jù)疲勞輝紋走向，裂紋瞬斷于1/5螺栓截面；瞬斷區(qū)顏色發(fā)暗，比較粗糙，并且面積較小，說(shuō)明螺栓斷裂時(shí)，此螺栓剩余橫截面積已經(jīng)很小。

1.2 金相檢驗(yàn)

采用Axio Observer A1m型金相顯微鏡對(duì)斷裂螺栓非金屬夾雜物及螺紋根部的顯微組織進(jìn)行檢驗(yàn)，可知螺栓內(nèi)部存在較多硫化物和環(huán)狀氧化物類(lèi)非金屬夾雜物，如圖4所示。與標(biāo)準(zhǔn)圖片進(jìn)行對(duì)比和分析后，硫化物評(píng)為細(xì)A 2.0級(jí)，環(huán)狀氧化物評(píng)為D 1.5級(jí)。

圖4 斷裂螺栓非金屬夾雜物形貌Fig.4 Morphology of nonmetallic inclusions in the fractured bolt

螺紋根部近表面部位存在較大尺寸的非金屬夾雜物，如圖5 a)所示，部分螺紋根部表面存在楔形缺口，如圖5 b)所示。斷裂螺栓的顯微組織正常，如圖6所示，為回火索氏體，表明螺栓的熱處理工藝正常。

圖5 斷裂螺栓螺紋根部微觀形貌Fig.5 Micro morphology of thread root of the fractured bolt: a) near surface inclusions at the thread root; b) notch of thread root

圖6 斷裂螺栓顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of the fractured bolt

1.3 化學(xué)成分分析

利用SPECTROMAX型臺(tái)式光譜分析儀對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2,可見(jiàn)其化學(xué)成分符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》對(duì)42CrMoA鋼的成分要求。

表2 斷裂螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical compositions of the fractured bolt (mass fraction) %

1.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)和-20 ℃下低溫沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3，螺栓維氏硬度和-20 ℃下沖擊吸收能量均符合GB/T 3098.1—2010的技術(shù)要求。

表3 斷裂螺栓的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Mechanical properties test results of the fractured bolt

2 分析與討論

通過(guò)以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，斷裂螺栓的化學(xué)成分、顯微組織、維氏硬度、-20 ℃下沖擊吸收能量等均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。螺栓材料中硫元素的含量雖然符合要求，但在微觀上，由于硫的固溶度有限，易與錳形成MnS夾雜[2]。圖4表明斷裂螺栓存在數(shù)量較多的斷續(xù)硫化物夾雜，這些非金屬夾雜物破壞了金屬基體的均勻性和連續(xù)性，對(duì)螺栓性能影響很大[3]。該風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接螺栓長(zhǎng)期在復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下工作，夾雜物周?chē)仔纬蓱?yīng)力集中，引起夾雜物本身開(kāi)裂或基體與夾雜物界面開(kāi)裂，形成微裂紋。如果夾雜物位于螺紋表面，在螺栓酸洗、電鍍等加工制造過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生表面缺口，形成裂紋源[4]。

2.1 葉根螺栓受力分析

為了測(cè)量螺栓軸向受力情況，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)漿葉輪轂0°和180°位置的螺母下方加裝墊片式壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)螺栓的軸向載荷變化情況。當(dāng)風(fēng)速3 m·s-1時(shí)，漿葉連接螺栓軸力每分鐘變化9個(gè)波形，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為9.61 r·min-1；當(dāng)風(fēng)速力9 m·s-1時(shí)，漿葉連接螺栓軸力每分鐘變化16個(gè)波形，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為15.67 r·min-1，漿葉連接螺栓的軸向力變化呈正弦周期性變化，如圖7所示，其變化頻率與風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速相一致，說(shuō)明螺栓在運(yùn)行過(guò)程中承受周期性的交變應(yīng)力作用[6-7]。由于連接螺栓安裝預(yù)緊力過(guò)低、未采取適當(dāng)?shù)姆浪纱胧┗蜓b配方法不當(dāng)都會(huì)引起螺栓松動(dòng)，從而降低連接螺栓的抗疲勞性能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)漿葉運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的周期性振動(dòng)及高低載荷變化，將促使連接螺栓裂紋源擴(kuò)展，導(dǎo)致連接螺栓斷裂。

圖7 螺栓軸向力周期性變化曲線Fig.7 Periodic variation curve of bolt axial force

2.2 有限元分析

利用有限元分析軟件對(duì)葉根和漿葉連接螺栓組的受力情況進(jìn)行有限元分析，運(yùn)行中葉根因受到中心彎矩的作用，使得葉根處一端受拉另一端受壓，這種受載方式使葉根出現(xiàn)受拉、壓兩端處的應(yīng)力值較大，中間處應(yīng)力值較小[7-9]，如圖8所示。漿葉螺栓組中受力最大的連接螺栓出現(xiàn)的位置與葉根受力最大處位置相一致，即180°區(qū)域，這是因?yàn)樵谖词┘訌澗睾洼S向力之前，連接螺栓組在預(yù)緊力作用下，葉根與變槳軸承緊密貼合，而葉根在施加了集中軸向力與中心彎矩以后，葉根受拉一側(cè)(180°)發(fā)生拉伸形變，而此處的連接螺栓也跟著被拉伸，應(yīng)力值增大，受壓一側(cè)(0°)的葉根被壓縮，連接螺栓被放松，此處的應(yīng)力值相對(duì)受拉一側(cè)減小。雙頭螺柱受力最大位置出現(xiàn)在180°區(qū)域的螺柱頭與螺桿交界處的第一螺紋處[9-11]，如圖9所示。仿真結(jié)果顯示的連接螺栓受力最大位置與11號(hào)連接螺栓實(shí)際斷裂位置相吻合。

圖8 葉根應(yīng)力云圖Fig.8 Stress nephogram of blade root

圖9 雙頭螺柱應(yīng)力云圖Fig.9 Stress nephogram of double head stud

3 結(jié)論及建議

該連接螺栓的冶金質(zhì)量較差，存在較多的非金屬夾雜物并形成裂紋源，在周期性交變載荷作用下裂紋源不斷擴(kuò)展而未被發(fā)現(xiàn)，使螺栓剩余工作截面變小，最終在力矩緊固維護(hù)時(shí)于螺栓與螺母咬合部位第1螺紋根部處發(fā)生斷裂。

建議適當(dāng)減小螺栓直徑來(lái)增加螺栓的柔度，提升螺栓的抗疲勞性能，定期對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)漿葉螺栓進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)螺栓有裂紋，應(yīng)進(jìn)行更換；開(kāi)展螺栓在線應(yīng)力監(jiān)測(cè)，防止預(yù)緊力松弛導(dǎo)致螺栓疲勞斷裂。