趙 勇，蔣 濤，張炳奇，孫 越，楊 兵

(1.大唐東北電力試驗(yàn)研究院有限公司，長(zhǎng)春 130102；2.武漢大學(xué)，武漢 430072)

高強(qiáng)螺栓是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要連接部件，受風(fēng)速方向和大小的影響，在運(yùn)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(lái)很大的安全風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失[1]。根據(jù)DL/T 797—2012《風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)檢修規(guī)程》及《中國(guó)大唐集團(tuán)有限公司風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)技術(shù)技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的要求，每年對(duì)風(fēng)機(jī)槳葉等關(guān)鍵連接螺栓進(jìn)行一次20%力矩維護(hù)抽查。

本文介紹一起某風(fēng)電場(chǎng)1.5 MW變速恒頻變槳距控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)機(jī))，其槳葉螺栓在力矩維護(hù)過(guò)程中發(fā)生的螺栓斷裂事件，通過(guò)宏觀(guān)斷口、金相組織、力學(xué)性能、受力狀態(tài)等方面的試驗(yàn)、分析，尋找螺栓斷裂的原因。

1 設(shè)備概況

該風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的應(yīng)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(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí)，螺母材質(zhì)為35CrMo，強(qiáng)度等級(jí)為10級(jí)，墊圈材質(zhì)為45號(hào)鋼。13號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)型號(hào)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(yùn)行環(huán)境溫度為-30～+45 ℃；設(shè)計(jì)壽命為20年；葉片長(zhǎng)度為40.25 m，材料為玻璃增強(qiáng)熱固性塑料(GRP)，質(zhì)量為(6 400±100)kg，數(shù)量為3個(gè)。該風(fēng)機(jī)自2012年投入運(yùn)行后，每年進(jìn)行一次力矩整定維護(hù)。

2019年10月，1號(hào)葉片第11號(hào)螺栓在整年力矩維護(hù)時(shí)發(fā)生斷裂，斷裂螺栓位于應(yīng)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(gè)螺紋根部，螺栓累計(jì)運(yùn)行41 694 h。

2 檢查及試驗(yàn)

2.1 宏觀(guān)檢查

通過(guò)體式顯微鏡觀(guān)察斷裂螺栓斷口宏觀(guān)形貌，斷口具有典型的疲勞斷口特征(見(jiàn)圖1)。斷口分為3個(gè)區(qū)：裂紋源區(qū)、擴(kuò)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(gè)裂紋源擴(kuò)展連接形成了一個(gè)臺(tái)階；疲勞擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)灰白色，整個(gè)區(qū)域較為平坦，疲勞輝紋清晰可見(jiàn)，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(shuō)明力矩維護(hù)斷裂時(shí)，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(yàn)

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(jiàn)圖2a)，與GB/T 3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別圖片進(jìn)行比對(duì)，硫化物評(píng)為細(xì)A2.0級(jí)，環(huán)狀氧化物評(píng)為D1.5級(jí)。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(tái)式金相顯微鏡對(duì)斷裂螺栓和螺母進(jìn)行金相檢測(cè)，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(jiàn)圖2b。

圖2 斷裂螺栓非金屬夾雜物及金相組織

2.3 化學(xué)成分分析

利用SPECTROMAX臺(tái)式光譜分析儀對(duì)斷裂螺栓及螺母進(jìn)行化學(xué)成分分析，斷裂螺栓及螺母化學(xué)成分符合GB/T 3098.1-2010要求，斷裂螺栓化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。

2.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)和-20 ℃下低溫沖擊性能試驗(yàn)，試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)10.9性能等級(jí)合格要求。

通過(guò)以上的試驗(yàn)分析，斷裂螺栓的化學(xué)成分、金相組織、維氏硬度、-20 ℃下沖擊吸收能量等指標(biāo)滿(mǎn)足合GB/T 3098.1-2010標(biāo)準(zhǔn)要求。螺栓材料中S的成分雖然符合要求，但在微觀(guān)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(duì)螺栓性能影響很大[3]。風(fēng)機(jī)螺栓長(zhǎng)期在復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下工作，夾雜物周?chē)仔纬蓱?yīng)力集中，引起夾雜物本身開(kāi)裂或基體與夾雜物界面開(kāi)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(guò)程中剝落后就會(huì)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(cè)量螺栓軸向受力情況，在風(fēng)機(jī)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)螺栓的軸向載荷變化情況。通過(guò)數(shù)據(jù)采集，當(dāng)風(fēng)速3 m/s時(shí)，槳葉螺栓軸力每分鐘變化9個(gè)波形，此時(shí)風(fēng)機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為9.61 r/min；當(dāng)風(fēng)速9 m/s時(shí)，槳葉螺栓軸力每分鐘變化16個(gè)波形，此時(shí)風(fēng)機(jī)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(jiàn)圖3)，其變化頻率與風(fēng)機(jī)主軸轉(zhuǎn)速相一致，說(shuō)明螺栓在運(yùn)行過(guò)程中承受周期性的交變應(yīng)力作用[5-6]。由于螺栓安裝預(yù)緊力過(guò)低、未采取適當(dāng)?shù)姆浪纱胧┗蜓b配方法不當(dāng)會(huì)引起螺栓松動(dòng)，降低螺栓的抗疲勞性能，風(fēng)機(jī)漿葉運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的周期性振動(dòng)、高低載荷變化，將促使螺栓裂紋源擴(kuò)展，產(chǎn)生疲勞性裂紋，導(dǎo)致螺栓斷裂。

表1 斷裂螺栓化學(xué)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(duì)葉根和槳葉螺栓組的受力情況進(jìn)行有限元分析，葉根應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4a，雙頭螺栓應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4b。

圖4 葉根及雙頭螺栓應(yīng)力云圖

運(yùn)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(yīng)力值較大，中間處應(yīng)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?yàn)樵谖词┘訌澗睾洼S向力之前，螺栓組在預(yù)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(yīng)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(yīng)力值相對(duì)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(hào)螺栓實(shí)際斷裂位置相吻合。

4 結(jié)論及建議

風(fēng)機(jī)1號(hào)葉片第11號(hào)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(yīng)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(kuò)展。斷裂螺栓所處位置為風(fēng)機(jī)漿葉輪轂工作時(shí)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(yīng)力最集中區(qū)域，在葉片轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中承受周期性交變載荷作用下裂紋源不斷擴(kuò)展而未被發(fā)現(xiàn)，螺栓剩余工作截面變小，最終導(dǎo)致在整年定檢力矩維護(hù)時(shí)發(fā)生擰斷。

在無(wú)法改變現(xiàn)有螺栓安裝工藝及緊固方式條件下，可適當(dāng)減小螺栓直徑來(lái)增加螺栓的柔度，提升螺栓的抗疲勞性能。定期對(duì)風(fēng)機(jī)槳葉螺栓進(jìn)行超聲波檢測(cè)，尤其注意對(duì)高應(yīng)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(yīng)取樣進(jìn)行疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，必要時(shí)對(duì)整圈螺栓進(jìn)行更換。開(kāi)展螺栓在線(xiàn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，防止預(yù)緊力松弛導(dǎo)致螺栓疲勞斷裂。