蔣 云 李 燕 錢 英

上海滄能電力技術(shù)有限公司

壓痕法無損檢測風(fēng)電機(jī)組金屬部件材料的力學(xué)性能

蔣 云 李 燕 錢 英

上海滄能電力技術(shù)有限公司

針對風(fēng)電機(jī)組由于金屬部件材料老化、力學(xué)性能下降以及存在較大應(yīng)力而造成的事故，介紹了一種全新的稱之為“儀器化壓痕法力學(xué)性能檢測技術(shù)”。采用該種方法，可以在現(xiàn)場不破壞被測部件的條件下，快速、準(zhǔn)確的測試材料的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度、殘余應(yīng)力和斷裂韌性）。通過現(xiàn)場對風(fēng)電機(jī)組重要部件的測試，及時掌握部件的“健康”狀況，進(jìn)行安全性分析評價，并有針對性地采取措施，以提高風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的可靠性。

風(fēng)電、無損檢測、力學(xué)性能

近年來，國內(nèi)風(fēng)電機(jī)組發(fā)展迅速，截止2015年底，全國風(fēng)電機(jī)組安裝總數(shù)已超過70 000余臺，總裝機(jī)容量達(dá)到1.45億kW。隨著投運(yùn)的風(fēng)電機(jī)組不斷增多，運(yùn)行時間的不斷增加，由于機(jī)組金屬部件材料（一臺機(jī)組80%為金屬材料）的疲勞老化、力學(xué)性能的下降引起的各類事故時有發(fā)生，嚴(yán)重影響到風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行，圖1為風(fēng)電塔倒塌事故現(xiàn)場圖。因此，加強(qiáng)對風(fēng)電機(jī)組金屬部件的力學(xué)性能的檢測，提高風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的可靠性則顯得至關(guān)重要。

受風(fēng)載荷、焊接以及原材料和制造安裝等因素的影響，風(fēng)電機(jī)組金屬部件材料疲勞老化、力學(xué)性能下降以及焊接殘余應(yīng)力等是造成事故的主要原因，如塔筒倒塌、螺栓斷裂、齒輪箱失效、剎車盤開裂、葉片脫落和錯用鋼材等。目前，在役機(jī)組金屬部件缺陷的檢測主要以宏觀目視檢查為主，輔以超聲和表面檢測。由于在役機(jī)組的金屬部件不允許進(jìn)行破壞性取樣，故力學(xué)性能的測試目前仍采用傳統(tǒng)的硬度法。通過測得的單一的硬度數(shù)據(jù)是無法全面準(zhǔn)確地評價該部件的安全性的。

本文介紹一種全新的、最先進(jìn)的檢測技術(shù)，這種方法的顯著特點(diǎn)是在不破壞被測部件材料的條件下，現(xiàn)場準(zhǔn)確測試金屬材料的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度）、硬度、殘余應(yīng)力和斷裂韌性。通過現(xiàn)場對風(fēng)電機(jī)組重要金屬部件的測試，可及時掌握材料的疲勞老化、性能下降以及存在的殘余應(yīng)力等情況，進(jìn)行安全性分析評價，采取措施，以提高機(jī)組安全運(yùn)行的可靠性。

1.風(fēng)電機(jī)組重要金屬部件的失效

風(fēng)電機(jī)組設(shè)備主要有塔架（塔筒）、法蘭、輪轂、主軸、齒輪箱、葉片、機(jī)械制動系統(tǒng)、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、變漿系統(tǒng)、主機(jī)架以及高強(qiáng)度連接螺栓等部件組成。

（1）塔筒

塔筒是風(fēng)電機(jī)組重要部件之一。其主要作用是支撐風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙，承受風(fēng)載荷引起的組合變形及彎矩、扭矩疊加引起的內(nèi)應(yīng)力。因此，塔筒需要具有足夠的疲勞強(qiáng)度，能承受機(jī)組啟停、風(fēng)況等造成的振動載荷。

風(fēng)是造成風(fēng)機(jī)塔筒疲勞事故的根源。塔筒受到風(fēng)的影響，產(chǎn)生長期的、隨機(jī)的、反復(fù)的塔身擺動、振動、扭曲和折彎等現(xiàn)象，材料逐漸產(chǎn)生疲勞，最終導(dǎo)致失效，塔筒抵抗疲勞失效的關(guān)鍵是材料自身的力學(xué)性能。

塔筒常采用Q345E等韌性高、低溫性能好且具有一定耐腐蝕性的材料。塔筒一般由上段、中段和下段基礎(chǔ)環(huán)4部分組成。塔筒常為拼焊結(jié)構(gòu)，每段上既有縱縫，也有環(huán)縫，通常采用埋弧自動焊。

（2）主機(jī)架

圖1 風(fēng)電塔倒塌事故圖片

主機(jī)架也稱機(jī)座或風(fēng)機(jī)底盤。風(fēng)機(jī)的主要設(shè)備都安裝在機(jī)架上，機(jī)架對各個零部件起支撐、連接和緊固的作用。根據(jù)制造工藝的不同，機(jī)架又分為鑄造機(jī)架和焊接機(jī)架兩，材料為球墨鑄鐵或優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，如QT350-22L和Q345E等。機(jī)架同時存在結(jié)構(gòu)應(yīng)力、載荷應(yīng)力以及焊接殘余應(yīng)力等，特別在受到大風(fēng)和雷擊等強(qiáng)力沖擊時，將會產(chǎn)生較大的載荷應(yīng)力，引起疲勞、變形而導(dǎo)致失效。

（3）輪轂

葉片是通過高強(qiáng)連接螺栓安裝在輪轂上，然后輪轂將葉片收集到的風(fēng)力轉(zhuǎn)化成扭矩傳遞給主軸。輪轂和螺栓都承受著較大的載荷應(yīng)力，在機(jī)組運(yùn)行時可能因疲勞而產(chǎn)生裂紋。輪轂應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，其材料采用球墨鑄鐵，如：QT400AL；EN-GJS-350-22U-LT等。

（4）主軸

主軸的前端是通過螺栓與輪轂剛性連接，后端與齒輪箱低速軸連接。主軸受力情況復(fù)雜，既承受軸向力、徑向力和剪切力，又承受彎矩和扭矩。此外，風(fēng)機(jī)在經(jīng)歷多次啟停后，可能會引起主軸的循環(huán)疲勞，因此，主軸材料應(yīng)具有良好的綜合力學(xué)性能，所用材料為42CrMo、34CrNiMo6等。主軸一般為鍛件，可能會產(chǎn)生鍛造缺陷和疲勞失效。

（5）齒輪箱

齒輪箱的主要功能是將風(fēng)輪的動力傳遞給發(fā)電機(jī)。齒輪箱的材料除滿足常規(guī)力學(xué)性能外，還應(yīng)具有良好的抗冷脆性。由于風(fēng)載荷的不穩(wěn)定性，使得設(shè)計與實際情況有偏差，造成

齒輪表面咬傷，甚至表面載荷過大而疲勞破壞。另外，齒輪箱箱體和內(nèi)齒圈連接螺栓因疲勞而斷裂的情況也時有發(fā)生。如果軸承選擇不合適，由于軸向載荷相當(dāng)大，而造成軸承損壞等。

（6）機(jī)械制動系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)的機(jī)械制動系統(tǒng)通常是指其高速軸剎車盤。運(yùn)行時剎車片容易變形，剎車盤材料常用球墨鑄鐵。旋轉(zhuǎn)接頭處的軸承也容易損壞。

2 儀器化壓痕法力學(xué)性能檢測技術(shù)

如前所述，造成風(fēng)電機(jī)組失效的主要原因是金屬部件材料的疲勞、力學(xué)性能的下降，如存在較大的內(nèi)應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力則會加速材料的疲勞老化。這些重要的數(shù)據(jù)，對于成型的產(chǎn)品和在役的設(shè)備如采用傳統(tǒng)的理化檢驗檢測手段是無法實現(xiàn)的，主要原因是不允許進(jìn)行破壞性取樣。而儀器化壓痕法力學(xué)性能檢測技術(shù)可以在不破壞被測試件的條件下，現(xiàn)場快速、準(zhǔn)確的測量材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、殘余應(yīng)力、斷裂韌性及硬度等數(shù)據(jù)，為我們能正確地分析評價設(shè)備的安全性提供了可靠的依據(jù)。

（1）儀器化壓痕法力學(xué)性能檢測技術(shù)的基本原理

該項技術(shù)是從傳統(tǒng)的硬度法衍變而來。壓痕的產(chǎn)生是通過電信號傳遞給步進(jìn)電機(jī)，再由步進(jìn)電機(jī)提供負(fù)載在測試位置下壓壓頭，通過載荷傳感器和深度傳感器進(jìn)行精確的位移控制，壓痕深度由位移傳感器測出。壓頭在經(jīng)過多次反復(fù)加載卸載后，就可獲得原始的壓痕深度—載荷曲線。然后通過裝載在電腦中的分析軟件程序，將壓痕深度——載荷曲線轉(zhuǎn)換成工程真實應(yīng)力—真應(yīng)變曲線，再通過計算最終得到材料的力學(xué)性能（見圖2）。

此外，在實際應(yīng)用過程中，還可以通過將獲得的曲線進(jìn)行疊加處理，從而顯示看出某個區(qū)域（如焊縫、熱影響區(qū)以及母材等）的力學(xué)性能的變化。

（2） 現(xiàn)場測試的基本過程

壓痕法現(xiàn)場測試過程見圖4。

（3）儀器化壓痕法力學(xué)性能檢測技術(shù)的可靠性

經(jīng)在實驗室反復(fù)試驗論證：

1）拉伸試驗論證 采用AIS系列壓痕儀與傳統(tǒng)的實驗室用單軸拉伸試驗機(jī)分別進(jìn)行

測試比對。

2）殘余應(yīng)力論證 采用AIS系列壓痕儀與傳統(tǒng)的X衍射法分別進(jìn)行

測試比對。

圖2 儀器壓痕法測試

圖3 拉伸性能測量基本原理

圖4 壓痕法現(xiàn)場無損檢測材料的力學(xué)性能操作程序

試樣采用ASME 標(biāo)準(zhǔn)試樣，測試結(jié)果見表1。

表1 對比測試結(jié)果%

現(xiàn)場實際應(yīng)用結(jié)果也表明，采用壓痕法測試材料力學(xué)性能操作方便、數(shù)據(jù)正確可靠，完全滿足安全性評價的要求。

3 儀器化壓痕法力學(xué)性能檢測技術(shù)在風(fēng)電中應(yīng)用

由于儀器化壓痕法技術(shù)的先進(jìn)性且具有其獨(dú)特的特點(diǎn)，目前在火電、鐵路、石油化工、橋梁、鋼鐵等領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，國外都已有相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。對于我們國內(nèi)風(fēng)電機(jī)組來說，針對設(shè)備在原材料、制造、安裝及運(yùn)行中發(fā)生的問題，利用便攜式壓痕法力學(xué)性能檢測儀可以實現(xiàn)以下測試目的。

（1）對購置的風(fēng)電機(jī)組設(shè)備金屬部件（如鋼板、法蘭和螺栓等）進(jìn)行全面的力學(xué)性能檢測（產(chǎn)品質(zhì)量驗收）；

（2）對制作加工好的產(chǎn)品（成品）（如法蘭、焊接部位、螺栓連接部位等）進(jìn)行力學(xué)性能、硬度以及殘余應(yīng)力的測量與質(zhì)量評價（制造質(zhì)量驗收）；

（3）對初裝的焊接部位、螺栓連接等部位進(jìn)行力學(xué)性能、硬度以及殘余應(yīng)力的測量與質(zhì)量評價（安裝質(zhì)量驗收）；

（4）對運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組重要金屬部件，如：塔筒（筒體和焊縫）、主機(jī)架、輪轂、主軸、齒輪箱、高強(qiáng)度連接螺栓及其連接部位、剎車盤等實時或定期進(jìn)行力學(xué)性能、殘余應(yīng)力、硬度和斷裂韌性等材料性能測試與安全性評價（運(yùn)行檢測）。

圖5為生產(chǎn)現(xiàn)場測試示意圖。圖6為現(xiàn)場力學(xué)性能測試示意圖。

圖5 生產(chǎn)現(xiàn)場檢查鋼板、法蘭力學(xué)性能示意圖

圖6 風(fēng)電塔運(yùn)行現(xiàn)場力學(xué)性能檢測方法示意圖

4 結(jié)語

目前，我國風(fēng)電機(jī)組正朝著大型化、高效率方向發(fā)展，運(yùn)行的機(jī)組安全性問題越來越突出，為切實加強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的金屬技術(shù)監(jiān)督，須針對各類風(fēng)機(jī)設(shè)備的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、制造工藝、運(yùn)行工況以及失效特征和缺陷形式，盡快研究制定設(shè)備檢驗檢測技術(shù)規(guī)范，大力推廣儀器化壓痕法力學(xué)性能檢測等新技術(shù)在風(fēng)電中的應(yīng)用，以減少機(jī)組在運(yùn)行中因材料疲勞老化、力學(xué)性能下降等因素而引起的各類事故。提高機(jī)組安全運(yùn)行的可靠性。

Indentation Method Non Destructive Testing Metal Parts Mechanical Properties of Wind Power Unit

Jiang Yun, Li Yan, Qian Ying
Shanghai Cangneng Electrical Power Technology Co.,Ltd

The article is focused on wind power unit failure due to material aging, mechanical properties decreasing and existing large stress of metal parts. It introduces a brand new ‘instrumented indentation method mechanical properties testing technology’. Applying it can rapidly accurately test mechanical properties of materials, such as tensile strength, yielding strength, hardness, residual stress and fracture toughness without damaging to testing units on spot. Through important parts testing of wind power unit, the author can grasp ‘healthy’ status of components in time and conduct safety analysis and evaluation and take countermeasures toimprove wind power unit reliability.

Wind Power, Non Destructive Testing, Mechanical Properties

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.01.007

蔣云：（1953.6-），男，大學(xué)，高級工程師，主要從事金屬力學(xué)測試技術(shù)工作。