林 將

（浙江新久力風(fēng)能設(shè)備零部件有限公司，寧波 315200）

某風(fēng)電場(chǎng)每年在固定的時(shí)間檢修風(fēng)電機(jī)組一次，并對(duì)機(jī)組進(jìn)行日常維修。在一次維修工作中發(fā)現(xiàn)0°位置順時(shí)針第2 顆螺栓有松動(dòng)問(wèn)題，出現(xiàn)了跟轉(zhuǎn)的狀況。工作人員嘗試用手晃動(dòng)螺栓，發(fā)現(xiàn)其已經(jīng)嚴(yán)重松動(dòng)。工作人員用手拔出螺栓，查看螺桿的根部，發(fā)現(xiàn)與螺母所連接的位置已經(jīng)斷裂。鑒于問(wèn)題的嚴(yán)重性，工作人員又檢查了整只葉片的所有螺栓。這個(gè)位置的螺栓螺桿不僅只有這一根斷裂，順時(shí)針第4 顆螺栓也已斷裂，且斷裂的具體位置是螺栓與六角螺母下端所連接的位置。之后，工作人員排查了風(fēng)電場(chǎng)所有的機(jī)組葉片螺栓，發(fā)現(xiàn)有4 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組存在這種情況，共有10 顆螺栓出現(xiàn)斷裂。

1 葉片螺栓產(chǎn)生斷裂比較常見(jiàn)的原因

1.1 載荷強(qiáng)度不符合要求

設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組時(shí)，葉輪系統(tǒng)載荷的設(shè)計(jì)結(jié)果不符合實(shí)際工況。當(dāng)機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中如果扭轉(zhuǎn)力已經(jīng)超過(guò)了整體螺栓設(shè)計(jì)的強(qiáng)度極限，就會(huì)產(chǎn)生螺栓斷裂情況。運(yùn)行中的葉片螺栓的受力載荷不均，當(dāng)葉片正常運(yùn)行時(shí)，主要由葉根螺栓受力，主要受力部位是0°位置和180°位置。0°位置葉片螺栓受力最大，非常容易產(chǎn)生螺栓斷裂。

葉片螺栓自身所存在的性能缺陷需要高度重視。通常葉片螺栓的硬度為10.9 級(jí)，且對(duì)材料淬透性也有嚴(yán)格要求，即回火索氏體超過(guò)90%，表面不能有脫碳問(wèn)題[1]。特別是熱處理設(shè)備和工藝選用不當(dāng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致淬火過(guò)程不可控和不穩(wěn)定，影響螺栓的質(zhì)量，造成產(chǎn)品個(gè)體間的不穩(wěn)定，甚至在同一產(chǎn)品的不同部位都不穩(wěn)定。此時(shí)，即使螺栓性能指標(biāo)滿足要求，但產(chǎn)品還是存在潛在失效的可能。

螺栓表面防腐層破壞導(dǎo)致的銹蝕也是潛在失效點(diǎn)。銹蝕問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品性能指標(biāo)持續(xù)下降，在葉片持續(xù)運(yùn)行中也會(huì)導(dǎo)致螺栓疲勞斷裂。因此，在螺栓加工的過(guò)程中，要選擇合適的工藝，采用相應(yīng)的熱處理工藝和防腐工藝，使相關(guān)的指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

1.2 螺栓預(yù)緊力力矩不符合要求

在對(duì)螺栓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝及后期的技術(shù)維護(hù)過(guò)程中，需要按照規(guī)定的力矩值進(jìn)行操作，防止出現(xiàn)力矩過(guò)大或者力矩不足等問(wèn)題。力矩過(guò)大會(huì)降低螺栓應(yīng)力強(qiáng)度，在維護(hù)力矩時(shí)會(huì)產(chǎn)生斷裂。力矩不足會(huì)出現(xiàn)螺栓松動(dòng)現(xiàn)象，在葉片運(yùn)行中產(chǎn)生劇烈振動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致葉片松動(dòng)的螺栓斷裂。

1.3 潤(rùn)滑不到位導(dǎo)致摩擦系數(shù)不符合要求

檢查斷裂螺栓時(shí)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潤(rùn)滑不足。由于連接部位沒(méi)有滿足摩擦系數(shù)的相關(guān)指標(biāo)要求，致使螺栓摩擦系數(shù)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力不足，最終造成葉片螺栓斷裂的問(wèn)題。

2 葉片螺栓斷裂原因的分析

2.1 螺栓性能分析

當(dāng)螺栓產(chǎn)生斷裂時(shí)，由第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行失效分析。經(jīng)檢測(cè)，斷裂表面硬度偏高但表面未發(fā)現(xiàn)增碳現(xiàn)象。觀察斷口處的特點(diǎn)，推測(cè)表面硬度增加是由工藝噴丸處理引起的，并不是斷裂的根本原因。其他性能技術(shù)指標(biāo)均滿足要求，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題或者強(qiáng)度問(wèn)題所導(dǎo)致的螺栓斷裂[2]。

2.2 斷口的分析

由于螺栓斷裂不是自身質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致的，因此可以從極限破壞和疲勞破壞兩個(gè)方面分析斷裂的原因。如果螺栓斷面直徑產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，斷裂的原因應(yīng)屬于極限破壞。如果螺栓斷面直徑?jīng)]有產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，斷裂的原因應(yīng)屬于疲勞破壞，此時(shí)切口呈現(xiàn)魚鱗片狀。

針對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)的這次故障，分析螺栓斷口，對(duì)螺栓斷口采用酸蝕的方法除銹。斷口的上方有磨光區(qū)域，中部和下部的疲勞弧線非常明顯。仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)斷口的下部邊緣有剪切唇，裂紋源為斷口的上部磨光區(qū)，最后的斷裂區(qū)處于下部的剪切唇區(qū)，觀察斷口位置，有明顯的疲勞斷裂特點(diǎn)。在斷口位置還有疲勞輝紋，主要處于裂紋源和擴(kuò)展區(qū)，可以確定葉片螺栓產(chǎn)生斷裂是疲勞斷裂導(dǎo)致的。

2.3 后期技術(shù)維護(hù)

對(duì)于高強(qiáng)度螺栓，需要每年根據(jù)規(guī)范定期檢查力矩。在檢查本機(jī)組時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)工具和人員數(shù)量不足，并受環(huán)境條件的影響，沒(méi)有按照規(guī)定實(shí)施定期檢查，因此未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)螺栓松動(dòng)問(wèn)題，使得螺栓不能較好地發(fā)揮其性能。大風(fēng)速作用下，葉片會(huì)對(duì)葉根螺栓產(chǎn)生較大的作用力。葉片在力的作用下前后擺動(dòng)，使得螺栓抗扭強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度降低，從而產(chǎn)生微小的裂紋。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，裂紋越來(lái)越大，超過(guò)疲勞極限時(shí)，螺栓就會(huì)在裂紋位置斷裂。

3 葉片螺栓斷裂的處理方法及維護(hù)技術(shù)

3.1 處理方法

如果葉片螺栓產(chǎn)生斷裂，需要取下斷裂螺栓，更換新的螺栓，避免剩余螺栓繼續(xù)斷裂。具體的處理工作中，可以取出已經(jīng)損壞的螺栓。需注意，不僅要更換斷裂的螺栓，也要更換附近的4 ～5 根螺栓?；蛘邔⒄麄€(gè)葉片使用吊車吊下來(lái)，重新安裝葉片，更換所有的根部螺栓。當(dāng)前多采用前一種方法，但是需要觀察螺栓是否存在多次斷裂的問(wèn)題。如果斷裂的現(xiàn)象持續(xù)存在，就要采用后一種方法。本次采用前一種方法處理螺栓斷裂問(wèn)題，并已經(jīng)處理完畢。跟蹤觀察一段時(shí)間，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)繼續(xù)斷裂的問(wèn)題，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行正常。

3.2 維護(hù)技術(shù)

葉片運(yùn)行狀態(tài)會(huì)受到變槳、風(fēng)切變以及陣風(fēng)等因素的影響，沖擊葉片的螺栓，在交變載荷下導(dǎo)致螺栓振動(dòng)過(guò)大。葉片持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間會(huì)產(chǎn)生螺栓松動(dòng)問(wèn)題，增加了螺栓的疲勞載荷，從而縮短其使用壽命。因此，風(fēng)電場(chǎng)做好葉片螺栓的維護(hù)工作非常重要。設(shè)計(jì)葉片螺栓及安裝的過(guò)程中，要嚴(yán)格按照工藝要求進(jìn)行操作。至少每半年對(duì)葉片螺栓進(jìn)行一次維護(hù)，包括力矩緊固，而且安裝工藝要符合相關(guān)的技術(shù)要求。技術(shù)維護(hù)前需要制定科學(xué)有效的維護(hù)方案，并嚴(yán)格按照方案實(shí)施，從而有效避免安裝導(dǎo)致的葉片螺栓斷裂問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究可知，疲勞是螺栓產(chǎn)生斷裂的一個(gè)重要原因。如果現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝不符合相關(guān)要求，螺栓的摩擦系數(shù)就會(huì)產(chǎn)生偏差，影響螺栓的預(yù)緊力而造成螺栓斷裂。此外，如果現(xiàn)場(chǎng)施工的過(guò)程中監(jiān)督指導(dǎo)和后期維護(hù)工作不到位，會(huì)導(dǎo)致螺栓力矩減小，也會(huì)大幅降低螺栓抵抗疲勞的能力，需引以注意。