周云飛，許述偉，武 鑫，高 翔

(1.甘肅電力科學研究院技術中心有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.國投哈密風電有限公司巴里坤分公司，新疆 哈密 839000)

0 引言

風力發(fā)電在我國電力供應體系中的占比越來越大，裝機容量也越來越大，其安全穩(wěn)定運行備受社會的關注。風力發(fā)電機塔身及槳葉系統(tǒng)由大量高強度螺栓連接，在長期運行情況下，面對嚴苛的環(huán)境考驗，承受著周而復始的循環(huán)載荷，以及在設計、制造、選型、安裝、運行等各個環(huán)節(jié)的綜合作用下，螺栓極易產生疲勞損傷，若持續(xù)帶傷運行，將最終發(fā)生脆性斷裂，從而導致各種機械故障甚至安全事故的發(fā)生。

以西北地區(qū)某風力發(fā)電機葉片螺栓反復斷裂問題為例，通過現(xiàn)場勘察，實驗室解剖、檢測、分析，全方位查找葉片螺栓反復斷裂的原因，為風機葉片螺栓偶發(fā)性斷裂或者反復斷裂問題的原因分析和后續(xù)整改決策提供科學依據(jù)。

1 概述

某風力發(fā)電機組于2013年投產運行，服役期間葉片螺栓反復斷裂，經三次下架更換所有葉片螺栓，情況依然得不到改善。螺栓規(guī)格為M30×383 mm(10.9級)，材質為42CrMo，熱處理工藝為調質處理，表面防腐處理工藝為達克羅處理。

2 質量檢查與分析

2.1 斷口宏觀檢查

將超聲波清洗后的斷口試樣置于體視顯微鏡下觀察(6.7倍率)，可明顯觀察到疲勞源區(qū)、擴展區(qū)疲勞輝紋以及最終斷裂區(qū)等宏觀特征，屬于典型的疲勞斷口形貌特征，裂紋源位于第一螺牙與第二螺牙之間的根部外表面，為應力突變處。

2.2 斷口微觀檢查

將斷口置于掃描電子顯微鏡下，觀察微觀形貌：裂紋源有多源疲勞臺階特征，裂紋擴展區(qū)具有疲勞條帶微觀形貌，最終斷裂區(qū)具有典型的韌窩特征。

2.3 能譜分析

對疲勞源區(qū)域進行元素能譜分析(見表1)，其中C，Cr，Mo為自身所有，Al為防腐處理工藝引入；未見腐蝕性元素，但斷口由于長期暴露在空氣中產生一些氧化物。

表1 裂紋源區(qū)元素含量表 單位：%

2.4 金相組織分析

對斷口試樣進行縱剖，并對縱剖面進行金相檢驗。基體為回火索氏體組織，為調質處理后正常金相組織。

2.5 硬度試驗分析

對試樣端面找平并研磨，進行硬度試驗，其結果處于標準要求范圍之內，如表2所示。

表2 硬度試驗值 單位：HBW

3 螺栓連接剛性分析

3.1 連接理論

被連接葉片輪轂法蘭和葉片葉根均為彈性體，根據(jù)緊固螺栓連接的靜力平衡與變形協(xié)調條件：

式中：F'為初始預緊力；F為工作載荷；F"為工作狀態(tài)下剩余預緊力；F0為螺栓總拉力；C1為螺栓剛度；C2為被連接件剛度，包括墊圈、螺母、連接法蘭等。

由公式(3)可知，螺栓工作狀態(tài)下所受總拉力為預緊力與部分工作載荷之和。當螺栓從某一位置運行到另一位置時工作載荷由F1變?yōu)镕2，初始預緊力不變，則其所受拉力變化為：

當螺栓、機組選定的情況下，C1與ΔF均為確定值，則由公式(4)可知，ΔF0與C2之間呈反比關系。

3.2 界面間隙

在現(xiàn)場實際勘查中發(fā)現(xiàn)葉片法蘭墊片與葉片根部存在間隙。當采用扭矩法對螺栓進行緊固時，需克服法蘭墊片變形做功，導致接觸面擠壓力不足，預緊力減小，使得被連接件整體剛度降低，即C2降低。

4 原因分析

對斷裂螺栓本體進行質量檢查分析，未發(fā)現(xiàn)質量問題。但通過對螺栓連接副整體剛性的研究發(fā)現(xiàn)，由于被連接面之間存在間隙，導致被連接件整體剛度C2降低，而C2與螺栓所受拉力變化值ΔF0之間呈反比關系，當C2降低時，會使得ΔF0升高。結合疲勞曲線S-N可知，當循環(huán)應力幅值過大，即ΔF0過大時，會在較低循環(huán)周次下發(fā)生疲勞斷裂，導致螺栓過早失效。

5 結論

當葉片法蘭墊片與輪轂之間存在間隙時，導致被連件整體剛度過低，使得該部位螺栓在運行中受到的交變應力幅值過大，在第一螺牙與第二螺牙之間的根部外表面處，即應力突變處產生疲勞微裂紋，促使其過早發(fā)生疲勞斷裂。當只對斷裂螺栓或者整個葉片螺栓進行更換，卻未對該間隙進行修復時，問題依舊存在，故導致新更換螺栓反復斷裂。

通過上述檢測與分析，從螺栓本身質量、安裝環(huán)境等多方面查找出葉片螺栓反復斷裂的原因，為后續(xù)的整改措施提供科學依據(jù)，也為類似螺栓斷裂事件的處理提供參考。