周漪，賀明強，梅華生，王長朋

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；

2.重慶市環(huán)境腐蝕與防護工程技術研究中心，重慶 400039）

風力發(fā)電機緊固螺栓斷裂失效分析

周漪1,2，賀明強1,2，梅華生1,2，王長朋1,2

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；

2.重慶市環(huán)境腐蝕與防護工程技術研究中心，重慶 400039）

目的 研究風力發(fā)電機緊固螺栓斷裂失效原因。方法 通過化學成分分析、力學性能分析、斷口掃描分析、顯微組織分析測試手段，對風力發(fā)電機緊固螺栓失效原因進行分析。結果 斷裂螺栓螺紋根部表面存在原始折疊缺陷，為疲勞裂紋的萌生提供了有利條件；同時，螺栓頭部、緊固墊圈及法蘭盤之間存在裝配異常情況，外力作用下接觸位置應力集中較大，有利于疲勞裂紋的萌生及進一步擴展。結論 通過嚴格控制入廠螺栓質(zhì)量，同時定期檢查在服役螺栓的使用狀態(tài)，及時更換存在安全隱患的螺栓，有效杜絕了緊固螺栓斷裂失效情況再次發(fā)生。

螺栓；失效分析；折疊；疲勞開裂

高強度緊固螺栓是風力發(fā)電機組的重要部件，在使用過程中由于螺栓本身材質(zhì)、加工成形工藝、安裝及使用環(huán)境等因素，緊固螺栓在長期服役情況下，經(jīng)受外界較大循環(huán)載荷作用，會發(fā)生緩慢的、連續(xù)的塑性變形，從而使螺栓容易出現(xiàn)疲勞開裂[1—2]。高強度螺栓指的是強度達8.8級及以上的螺栓，在實際工作中，它們要承受拉力、壓力、剪切力、扭轉力及摩擦力等外力的綜合作用。螺栓連接零件的載荷不同，故應力狀態(tài)不盡相同，因此制作緊固件的材料應具有高的強度和韌性，同時要求耐磨性好[3—4]。對于風力發(fā)電機組而言，高強度螺栓作為機組轉動部件的連接部件和密封部件，在機組正常運轉過程中發(fā)揮了重要作用。

1　試驗方法

螺栓材料為 35CrMo，型號為：M16 mm×60 mm，性能等級為 8.8級，工藝為：退火—酸洗—磷皂化—拉撥—冷鐓—搓絲—淬火—鍍達克羅。螺栓由甘肅敦煌某風力發(fā)電廠提供，用于風力發(fā)電機組基座上，每個基座上安裝5顆。使用約4個月后發(fā)生批量斷裂，抽取2件斷口保存較完整的 1#，2#斷裂件和3#，4#，5#，6#未斷件進行分析。

利用ICP分析儀按照GB/T 20125—2006 《低合金鋼 多元素含量的測定 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》對螺栓進行化學成分分析，采用WDW-5型拉伸試驗機按照GB/T 228—2002 《金屬材料室溫拉伸試驗方法》進行力學性能測試，采用 JB-300B型沖擊試驗機按照 GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行沖擊試驗測試，采用 HR-150A型洛氏硬度計按照 GB/T 230.1—2004 《金屬洛氏硬度試驗 第 1部分：試驗方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標尺）》進行洛氏硬度分析，采用Quanta200環(huán)境掃描電鏡對斷口進行形貌掃描分析，采用Observer.A1m 型倒置式金相顯微鏡按照 GB/T 13320—2007 《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評級圖及評定方法》進行金相組織分析。

2　試驗結果

2.1 宏觀分析

螺栓所處環(huán)境氣候干燥少雨，6件螺栓樣品外表面無明顯腐蝕現(xiàn)象，斷裂位置附近表面達克羅涂層完整，2件斷裂件螺栓斷裂位置在距法蘭盤約35 mm處，裂紋都是起始于螺紋根部，斷口有典型的疲勞貝殼紋，最后斷裂區(qū)有明顯的剪切唇，都屬于疲勞斷裂[2]。螺栓與法蘭盤之間安裝緊固墊圈，在螺栓頭部表面存在較明顯壓痕，在法蘭盤表面部分區(qū)域也存在明顯擠壓凹痕，應該是裝配安裝不當導致墊圈與螺栓及法蘭盤之間存在異常擠壓摩擦所致。兩件斷裂螺栓及法蘭盤宏觀形貌如圖1所示。

圖1 斷裂螺栓及法蘭盤宏觀形貌Fig.1 Microscopic of fracture bolt and flange

2.2 化學成分分析

在 1#斷裂失效件上靠近斷口處截取試樣進行化學成分分析，結果見表1。由表1可知，樣品化學成分符合35CrMo材料的標準要求。

表1 1#樣品化學成分測試結果Table 1 1# sample chemical component test results %

2.3 力學性能分析

取同批 3#，4#螺栓螺桿部分，加工成標準拉伸樣品進行拉伸試驗，測試結果見表 2。根據(jù)該GB/T 5782—2000《六角頭螺栓》，螺栓的等級為8.8級，螺栓的力學性能應該按照 GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》要求。由表2可知，3#，4#樣品力學性能符合標準要求。

表2 力學性能測試結果Table 2 Mechanical performance testing results

同樣取同批次的 5#，6#螺栓在桿身部分加工成標準 V形缺口的沖擊試樣進行沖擊試驗，沖斷后對平整樣品進行洛氏硬度分析。由表3可知，5#，6#樣品低溫沖擊功和洛氏硬度符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》要求。

表3 低溫沖擊及硬度測試結果Table 3 Low-temperature impact and hardness test results

2.4 斷口分析

1#，2#螺栓斷口特征基本一致，現(xiàn)對 1#樣品進行斷口微觀分析。1#樣品裂紋在螺紋根部多個位置萌生，裂紋源有裂紋擴展相遇形成的臺階紋，斷口主要為撕裂，未發(fā)現(xiàn)有原始裂紋、非金屬夾雜、折疊等原始缺陷，如圖2所示。1#樣品擴展區(qū)約占整個斷口面積的70%，斷口為準解理斷裂，細疲勞紋間有疲勞臺階紋，如圖3所示。1#樣品瞬間斷裂區(qū)斷口為韌窩的韌性斷裂，如圖4所示。樣品承受的名義應力影響疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)的面積比例，名義應力越大，瞬間斷裂區(qū)面積越大[3]，1#樣品瞬間斷裂區(qū)約占20%，說明承受的名義應力并不大。

圖2 1#樣品裂紋源微觀形貌Fig.2 Crack sauce microtopography of sample 1#

圖3 1#樣品疲勞裂紋擴展區(qū)斷口微觀形貌Fig.3 Fracture micro topography of fatigue crack expansion area of sample 1#

圖4 1#樣品瞬間斷裂區(qū)斷口微觀形貌Fig.4 Fracture micro topography of instantaneous fracture area of sample 1#

2.5 金相分析

垂直于斷口縱向剖開 1#螺栓進行非金屬夾雜物評定、金相組織分析。在兩件樣品鑲嵌后拋光態(tài)下觀察其非金屬夾雜物級別，根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》進行評級，結果見表4。

表4 非金屬夾雜物評定結果Table 4 Non-metallic inclusion results

1#螺栓裂紋源處于螺紋根部，螺紋根部及螺紋節(jié)圓處表面存在明顯折疊缺陷，如圖5所示。斷口附近金相組織為回火索氏體+彌散分布的細小碳化物，調(diào)質(zhì)組織級別為1級，如圖6所示。

3　分析與討論

圖5 1#樣品表面形態(tài)Fig.5 1# metallographic structure

圖6 1#樣品金相組織（500×）Fig.6 1# metallographic structure core (500×)

經(jīng)化學成分分析，樣品化學成分材料符合35CrMo要求；抽檢的兩件斷裂螺栓金相組織未發(fā)現(xiàn)異常；3#，4#螺栓拉伸性能和 5#，6#螺栓沖擊吸收能量及硬度符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》要求。1#，2#裂紋在螺紋根部多處萌生，擴展區(qū)約占整個斷口面積的80%，細疲勞紋間有疲勞臺階紋。疲勞臺階紋是螺栓使用時應力幅發(fā)生了變化，受到循環(huán)沖擊應力在斷口上留下的痕跡[5—6]。螺栓疲勞裂紋擴展區(qū)二次裂紋和撕裂棱不明顯，斷口疲勞貝殼紋較密集，屬于低周疲勞[7—8]。

疲勞斷裂出現(xiàn)在承受波動應變或交變載荷構件中，所受最大應力未達到材料抗拉強度，甚至低于材料屈服點，斷裂位置一般無明顯塑性變形，屬于低應力斷裂。疲勞斷裂過程研究表明，疲勞壽命往往決定于疲勞裂紋的增大和擴展時間，并非決定于疲勞裂紋的產(chǎn)生，但是疲勞裂紋的產(chǎn)生為裂紋的擴展提供了條件[9—13]。疲勞裂紋起始于零部件表面，零件的表面狀態(tài)對疲勞強度會有較大影響，如表面粗糙度、表面機加刀痕、表面劃傷、表面切削裂紋等。大量試驗研究表明，表面粗糙度對零件疲勞強度至關重要，零件成形后，由于成形工藝、操作不當?shù)仍?，導致零件表面存在折疊、凹痕等缺陷。表面缺陷極易引起應力集中現(xiàn)象，尤其對高強度材料，表面稍有缺陷，往往成為較危險的尖銳缺口，外界循環(huán)載荷作用下成為疲勞源[14—15]。

該案例中，螺栓頭部和法蘭盤之間的緊固墊圈裝配不佳，導致與墊圈接觸的螺栓頭部和法蘭盤表面均存在異常擠壓痕跡。由于風力發(fā)電機通風系統(tǒng)在機組運行過程中會不可避免地引起上擋風板的振動，緊固螺栓和法蘭盤裝配不牢固的情況下，會造成連接螺栓出現(xiàn)松動，螺栓上的螺紋實際上就同缺口一樣，應力集中系數(shù)較高。當與法蘭盤發(fā)生異常配合時，在異常接觸位置應力集中系數(shù)進一步提高，長期在此環(huán)境中服役容易導致疲勞斷裂。另一方面，在斷口形貌中可見，裂紋起始于螺紋根部。在金相組織分析中可見，在螺紋根部表面存在原始折疊缺陷，增大了螺紋表面的粗糙度。同時在螺紋根部應力集中較大，在較大的外界循環(huán)載荷作用下，表面折疊缺陷為疲勞裂紋的萌生提供了有利條件，裂紋在螺紋根部萌生并擴展。螺紋根部折疊的存在與滾齒成形控制有關，可能是由于滾輪使用次數(shù)過多或是超期服役，使得滾齒加工能力下降，可能造成螺紋折疊缺陷，此類缺陷樣品可通過入廠檢驗進行排查。

螺栓的材料化學成分和力學性能符合標準要求。在斷裂螺栓螺紋根部表面存在原始折疊缺陷，為疲勞裂紋的萌生提供了有利條件。同時，螺栓頭部表面及法蘭盤表面均存在較深壓痕，說明兩者之間墊圈裝配異常，外力作用下接觸面應力集中較大，有利于疲勞裂紋的萌生及進一步擴展。

4　結語

應加強螺栓采購入廠質(zhì)量，提高螺栓入廠合格率，質(zhì)量監(jiān)督人員應了解其生產(chǎn)過程及質(zhì)量保證體系，尤其對重要緊固螺栓進行100%超聲探傷，排除缺陷樣件。定期檢查在用緊固螺栓是否出現(xiàn)異常松動，裝配過程中是否出現(xiàn)配合不良現(xiàn)象，并出具檢查報告，確認在服役螺栓是否需要更換，提前排除安全隱患。

通過對入廠質(zhì)量的嚴格把控及對在服役螺栓的一一檢查，有效控制了不合格產(chǎn)品的流入使用，并及時排查更換了存在安全隱患的在服役螺栓，再未出現(xiàn)類似的失效事故。

[1] 劉昌奎, 臧金鑫, 張兵. 30CrMnSiA螺栓斷裂原因分析[J]. 失效分析與預防, 2008(5): 143—145. LIU Chang-kui, Zang Jin-xin, Zhang Bing. Analysis of 30CrMnSiA Bolt Fracture Reason[J]. Failure Analysis and Prevention, 2008(5): 143—145.

[2] 曾勇. 新氫壓縮機十字頭連接螺栓失效分析[J]. 石油化工設備, 2011, 40(5): 156—158. ZENG Yong. Failure Analysis of Crossing Connectingrod Bolt for New Hydrogen Compressor[J]. Petrochemical Equipment, 2011, 40(5): 156—158.

[3] 趙凱, 何玉懷, 劉新靈, 等. 剎車裝置承壓杯開裂原因分析[J]. 失效分析與預防, 2014(5): 289—294. ZHAO Kai, HE Yu-huai, LIU Xin-ling, et al. Failure Analysis of Bearing Cups of Braking Unit[J]. Failure Analysis and Prevention, 2014(5): 289—294.

[4] 孔祥軍. 塔吊螺栓斷裂原因分析[J]. 科學技術與工程, 2011, 11(9): 1671—1815. KONG Xiang-jun. Fracture Analysis of Bolt of Tower Crane[J]. Science Technology and Engineering, 2011, 11 (9): 1671—1815.

[5] 王榮. 汽車螺栓斷裂失效分析[J]. 理化檢驗: 物理分冊, 2005, 20(10): 158—160. WANG Rong. Failure Analysis of Vehicle Bolt[J]. Physical Testing and Chemical Analysis Part A: Physical Testing, 2005, 20(10): 158—160.

[6] 吳根林, 鄧承佯, 尹曉霞, 等. 飛機起落架連接螺栓失效分析[J]. 腐蝕與防護, 2015, 36(10): 1000—1003. WU Gen-lin, DENG Cheng-yang, YIN Xiao-xia, et al. Failure Analysis of Landing Gear Bolt Corrosion & Protection[J]. Corrosion and Prevention, 2015, 36(10): 1000—1003.

[7] 徐文斌, 武慶, 連芳, 等. 差速器螺栓失效分析與對策[J]. 輕型汽車技術, 2011(Z2): 31—33. XU Wen-bin, WU Qing, LIAN Fang, et al. Failure Analysis and Counterplan of Differential Mechanism Bolt[J]. Light Vehicles, 2011(Z2): 31—33.

[8] 侯新華, 姜斌, 魏曉燕. D20發(fā)動機連桿螺栓失效分析[J]. 金屬熱處理, 2015, 40(7): 200—203. HOU Xin-hua, JIANG Bin, WEI Xiao-yan. Failure analysis of connecting rod bolt for D20 engine Heat Treatment of Metals[J]. Heat Treatment of Metal, 2015, 40(7): 200—203

[9] 李鶴林. 失效分析的任務、方法及其展望[J]. 理化檢驗:物理分冊, 2005, 41(1): 1—6. LI He-lin. Task Method and Expectation of Failure Analysis[J]. Physical Testing and Chemical Analysis Part A: Physical Testing, 2005, 41(1): 1—6.

[10] 石祝竹, 莫煜. 掃描電鏡(SEM)在失效分析中的應用[J].裝備制造技術, 2011(11): 142—144 SHI Zhu-zhu, MO Yu. Application of Scanning Electron Microscope in Failure Analysis[J]. Equipment Manufacturing Technology, 2011(11): 142—144

[11] WANG Fang, SU Yan-jing, HE Jian-ying, et al. Investigation on Propagation Process of Electrically Induced Fatigue Cracking Using AFM[J]. Chinese Science Bulletin, 2005(19): 23—26.

[12] 張建明, 宋斌. 傳動軸失效分析[J]. 熱處理技術與裝備, 2011, 32(3): 57—59. ZHANG Jian-ming, SONG Bin. Failure Analysis of the Transmission Shaft[J]. Heat Treatment Technology and Equipment, 2011, 32(3): 57—59.

[13] 秦會常, 楊守杰, 彭颋, 等. 某型火炮擊針失效分析[J].精密成形工程, 2014, 6(2): 45—50. QIN Hui-chang, YANG Shou-jie, PENG Ting, et al. Failure Analysis for the Artillery Pin[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2014, 6(2): 45—50.

[14] 趙凱, 何玉懷, 劉新靈, 等. 剎車裝置承壓杯開裂原因分析[J]. 失效分析與預防, 2014(5): 289—294. ZHAO Kai, HE Yu-huai, LIU Xin-ling, et al. Failure Analysis of Bearing Cups of Braking Unit[J]. Failure Analysis and Prevention, 2014(5): 289—294.

[15] 曹麗琴, 孫麗娜, 軒福貞, 等. 激光輔助氮化工藝中的開裂行為研究[J]. 表面技術, 2013, 42(6): 1—5. CAO Li-qing, SUN Li-na, XUAN Fu-zhen, et al. Experimental Study on the Cracking Behavior in Laser-assisted Nitriding Process[J]. Surface Technology, 2013, 42(6): 1—5.

Fracture Failure Analysis of Fastening Bolt on Wind Driven Generator

ZHOU Yi1,2, HE Ming-qiang1,2, MEI Hua-sheng1,2, WANG Chang-peng1,2
(1.Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China; 2.Chongqing Engineering Research Center for Environmental Corrosion and Protection, Chongqing 400039, China)

Objective To study the fracture failure reasons of fastening bolt present in a military used wind driven generator. Methods The facture failure reasons of fastening bolt on a military used wind driven generator were analyzed by taking advantage of chemical composition analysis, mechanics property analysis, fracture scanning analysis as well as microstructure analysis and testing. Results The original folded defects at the bottom of fracture bolt thread provided a beneficial condition for the fatigue crack. Meanwhile, there were some abnormalities concerning assembly among the bolt head, fastening washer and flange plate. Hence the contacting area got higher centralized stress under the effect of the external force, making for generation and further expansion of fatigue facture. Conclusion Sstrict quality control of incoming bolts, regular check of bolt in service condition, and timely replacement of bolt with potential safety hazards contribute to preventing the fastening bolt from fracture failure again.

bolts; failure analysis; fold; fatigue fracture

2016-08-06；Revised：2016-08-14

WANG Changpeng（1985—）， Male， from Chongqing， Master， Engineer， Research focus: failure and analysis of materials.

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.028

TM315

A

1672-9242(2016)05-0170-06

2016-08-06；

2016-08-14

周漪（1983—），女，重慶人，高級工程師，主要研究方向為材料環(huán)境腐蝕與防護。

Biography：ZHOU Yi（1983—）， Female， from Chongqing， Senior engineer， bachelor， Research focus: corrosion and protection of materials.

王長朋（1985—），男，重慶人，碩士，工程師，主要研究方向為材料失效與分析。