趙 勇，蔣 濤，張炳奇，孫 越，楊 兵

(1.大唐東北電力試驗研究院有限公司，長春 130102；2.武漢大學，武漢 430072)

高強螺栓是風力發(fā)電機組的重要連接部件，受風速方向和大小的影響，在運行中承受循環(huán)載荷的作用，易產(chǎn)生疲勞甚至發(fā)生斷裂，給企業(yè)帶來很大的安全風險和經(jīng)濟損失[1]。根據(jù)DL/T 797—2012《風力發(fā)電場檢修規(guī)程》及《中國大唐集團有限公司風力發(fā)電場技術(shù)技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的要求，每年對風機槳葉等關(guān)鍵連接螺栓進行一次20%力矩維護抽查。

本文介紹一起某風電場1.5 MW變速恒頻變槳距控制風力發(fā)電機(以下簡稱風機)，其槳葉螺栓在力矩維護過程中發(fā)生的螺栓斷裂事件，通過宏觀斷口、金相組織、力學性能、受力狀態(tài)等方面的試驗、分析，尋找螺栓斷裂的原因。

1 設(shè)備概況

該風電場風機的應力漿葉根部呈環(huán)形，均勻安裝54根雙頭緊固螺栓，螺柱規(guī)格為M36 mm×4 mm×657 mm，材質(zhì)為42CrMoA，強度等級為10.9級，螺母材質(zhì)為35CrMo，強度等級為10級，墊圈材質(zhì)為45號鋼。13號風力發(fā)電機型號為SL1500/82，額定功率為1 500 kW；功率調(diào)節(jié)方式為變速變槳；葉輪直徑為82.9 m；運行環(huán)境溫度為-30～+45 ℃；設(shè)計壽命為20年；葉片長度為40.25 m，材料為玻璃增強熱固性塑料(GRP)，質(zhì)量為(6 400±100)kg，數(shù)量為3個。該風機自2012年投入運行后，每年進行一次力矩整定維護。

2019年10月，1號葉片第11號螺栓在整年力矩維護時發(fā)生斷裂，斷裂螺栓位于應力漿葉輪轂連接螺栓孔180°處，斷裂部位位于連接螺母下表面第一個螺紋根部，螺栓累計運行41 694 h。

2 檢查及試驗

2.1 宏觀檢查

通過體式顯微鏡觀察斷裂螺栓斷口宏觀形貌，斷口具有典型的疲勞斷口特征(見圖1)。斷口分為3個區(qū)：裂紋源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)。裂紋源區(qū)仍有裂紋存在，斷口呈多疲勞源斷裂形態(tài)，有兩處裂紋源，兩個裂紋源擴展連接形成了一個臺階；疲勞擴展區(qū)呈現(xiàn)灰白色，整個區(qū)域較為平坦，疲勞輝紋清晰可見，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，說明力矩維護斷裂時，此螺栓剩余橫截面積已經(jīng)很小。

圖1 斷口型貌

2.2 金相檢驗

用金相顯微鏡檢查斷裂螺栓非金屬夾雜物及螺紋根部情況。發(fā)現(xiàn)斷裂螺栓內(nèi)部存在較多含有硫化物和環(huán)狀氧化物的非金屬夾雜物(見圖2a)，與GB/T 3098.1-2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》標準級別圖片進行比對，硫化物評為細A2.0級，環(huán)狀氧化物評為D1.5級。螺紋根部近表面部位存在較大尺寸的非金屬夾雜物，部分螺紋根部表面存在楔形缺口。利用Axio Observer A1m臺式金相顯微鏡對斷裂螺栓和螺母進行金相檢測，其金相組織均為回火索氏體，為正常金相組織，螺栓的熱處理工藝正常，斷裂螺栓金相組織見圖2b。

圖2 斷裂螺栓非金屬夾雜物及金相組織

2.3 化學成分分析

利用SPECTROMAX臺式光譜分析儀對斷裂螺栓及螺母進行化學成分分析，斷裂螺栓及螺母化學成分符合GB/T 3098.1-2010要求，斷裂螺栓化學成分分析結(jié)果見表1。

2.4 力學性能試驗

對斷裂螺栓進行維氏硬度檢測和-20 ℃下低溫沖擊性能試驗，試驗結(jié)果為：維氏硬度328 HV30，沖擊吸收能量38 J。42GrMoA材料維氏硬度標準值為320～380 HV30，沖擊吸收能量不小于27 J。螺栓維氏硬度和-20 ℃下沖擊吸收能量均符合GB/T 3098.1-2010標準10.9性能等級合格要求。

通過以上的試驗分析，斷裂螺栓的化學成分、金相組織、維氏硬度、-20 ℃下沖擊吸收能量等指標滿足合GB/T 3098.1-2010標準要求。螺栓材料中S的成分雖然符合要求，但在微觀上，由于S的固溶度有限，易與Mn形成MnS夾雜[2]，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，對螺栓性能影響很大[3]。風機螺栓長期在復雜應力環(huán)境下工作，夾雜物周圍易形成應力集中，引起夾雜物本身開裂或基體與夾雜物界面開裂，形成微裂紋。如果夾雜物位于螺紋表面，在螺栓酸洗、電鍍等加工制造過程中剝落后就會產(chǎn)生表面缺口，形成裂紋源[4]。

3 螺栓受力分析

3.1 葉根螺栓受力分析

為了測量螺栓軸向受力情況，在風機槳葉輪轂0°和180°位置的螺母下方加裝了墊片式壓力傳感器，可實時監(jiān)測螺栓的軸向載荷變化情況。通過數(shù)據(jù)采集，當風速3 m/s時，槳葉螺栓軸力每分鐘變化9個波形，此時風機主軸轉(zhuǎn)速為9.61 r/min；當風速9 m/s時，槳葉螺栓軸力每分鐘變化16個波形，此時風機主軸轉(zhuǎn)速為15.67 r/min，槳葉螺栓的軸向力變化呈正弦周期性變化(見圖3)，其變化頻率與風機主軸轉(zhuǎn)速相一致，說明螺栓在運行過程中承受周期性的交變應力作用[5-6]。由于螺栓安裝預緊力過低、未采取適當?shù)姆浪纱胧┗蜓b配方法不當會引起螺栓松動，降低螺栓的抗疲勞性能，風機漿葉運行過程中產(chǎn)生的周期性振動、高低載荷變化，將促使螺栓裂紋源擴展，產(chǎn)生疲勞性裂紋，導致螺栓斷裂。

表1 斷裂螺栓化學成分分析結(jié)果 %

圖3 螺栓軸向力周期性變化情況

3.2 葉根及槳葉螺栓組有限元分析

利用有限元分析軟件對葉根和槳葉螺栓組的受力情況進行有限元分析，葉根應力云圖見圖4a，雙頭螺栓應力云圖見圖4b。

圖4 葉根及雙頭螺栓應力云圖

運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、壓兩端處的應力值較大，中間處應力值較小[7-8]。槳葉螺栓組中受力最大螺栓出現(xiàn)的位置與葉根受力最大處位置相一致，即180°區(qū)域，這是因為在未施加彎矩和軸向力之前，螺栓組在預緊力作用下，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，而此處的螺栓也跟著被拉伸，應力值增大，受壓一側(cè)(0°)的葉根被壓縮，螺栓被放松，此處的應力值相對受拉一側(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]。仿真結(jié)果顯示的螺栓受力最大位置與11號螺栓實際斷裂位置相吻合。

4 結(jié)論及建議

風機1號葉片第11號螺栓材料的冶金質(zhì)量較差，存在較多的非金屬夾雜物缺陷，在螺紋根部應力集中作用下，表面的冶金或制造缺陷很容易形成裂紋源，并快速擴展。斷裂螺栓所處位置為風機漿葉輪轂工作時受力最大區(qū)域，螺栓與螺母咬合部位第一螺紋根部是整根雙頭螺柱應力最集中區(qū)域，在葉片轉(zhuǎn)動過程中承受周期性交變載荷作用下裂紋源不斷擴展而未被發(fā)現(xiàn)，螺栓剩余工作截面變小，最終導致在整年定檢力矩維護時發(fā)生擰斷。

在無法改變現(xiàn)有螺栓安裝工藝及緊固方式條件下，可適當減小螺栓直徑來增加螺栓的柔度，提升螺栓的抗疲勞性能。定期對風機槳葉螺栓進行超聲波檢測，尤其注意對高應力區(qū)域槳葉螺栓的檢查，發(fā)現(xiàn)螺栓產(chǎn)生疲勞裂紋，應取樣進行疲勞強度試驗，必要時對整圈螺栓進行更換。開展螺栓在線應力監(jiān)測，防止預緊力松弛導致螺栓疲勞斷裂。