鄭建軍，王 劭，云 峰

（內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)具有低排放、低污染等優(yōu)點，是我國電能可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要選擇之一[1]。近年來，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)因其巨大的綠色環(huán)保優(yōu)勢逐漸成為能源領(lǐng)域發(fā)展最快的高新技術(shù)之一[2]。風(fēng)力發(fā)電機組主要由葉片、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機、儲能設(shè)備、塔架及電器系統(tǒng)等部件組成[3-5]。其中，葉片主要通過連接螺栓固定在輪轂上組成風(fēng)輪，承受的載荷最大[6]。因此，葉片連接螺栓必須具有足夠的強度和彎扭剛度，才能確保風(fēng)力發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。

2022 年2 月，某新能源公司運維人員在對一臺風(fēng)力發(fā)電機組進行檢修過程中發(fā)現(xiàn)，該機組的兩條葉片連接螺栓發(fā)生斷裂失效。斷裂螺栓直徑36 mm，長427 mm，材質(zhì)為42CrMo，性能等級為10.9級。本文采用化學(xué)成分分析、宏觀斷口形貌、金相組織及斷口微觀形貌觀察、力學(xué)性能測試等方法對葉片連接螺栓的斷裂機理及原因進行綜合性失效分析，以預(yù)防或減少該類故障的發(fā)生。

1 試驗結(jié)果與分析

1.1 化學(xué)成分檢測

按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》[7]要求，使用SPECTRO MAXx 型臺式直讀光譜儀，對斷裂的葉片連接螺栓取樣進行化學(xué)成分檢測，檢測數(shù)據(jù)見表1。結(jié)果表明，螺栓主要合金成分的元素含量與GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》[8]標(biāo)準(zhǔn)中42CrMo鋼的化學(xué)成分含量要求相符合。

表1 葉片連接緊固螺栓化學(xué)成分質(zhì)量分數(shù)檢測結(jié)果Tab.1 Detection results of chemical composition mass fraction of the blade connecting bolt %

1.2 宏觀形貌觀察

斷裂的葉片連接螺栓共2 根（分別命名為1 號螺栓和2 號螺栓），均為10.9 級六角頭高強連接螺栓。通過宏觀形貌的觀察結(jié)果可以看出，所有螺栓均斷裂于應(yīng)力集中程度較高的螺紋牙底，且斷口附近未見明顯塑性變形及磨損等機械損傷特征。兩根螺栓的斷口呈暗灰色，斷面基本保存完整，均由初始斷裂區(qū)、擴展區(qū)及瞬斷區(qū)等三個特征區(qū)組成。初始斷裂區(qū)位于斷口邊緣的應(yīng)力集中處；擴展區(qū)占斷口的大部分面積，內(nèi)部可見大量“貝殼紋”，呈典型的疲勞斷裂特征；瞬斷區(qū)斷面較為粗糙，可見明顯的撕裂狀形貌，且面積很小，說明螺栓在斷裂前受到的應(yīng)力不大，如圖1所示。

圖1 斷裂葉片連接螺栓的宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of fractured blade connecting bolts

1.3 顯微組織檢測

采用Axio Observer.Alm 型金相顯微鏡對斷裂的葉片連接螺栓進行顯微組織檢測。從圖2（a）、圖2（c）中可以觀察到兩根螺栓的螺紋牙底流線均正常，無折疊裂紋等缺陷，螺紋邊緣也未觀察到明顯的脫碳層等缺陷。兩根斷裂葉片連接螺栓的螺紋及基體組織均為等軸且均勻分布的細小回火索氏體，未見嚴重夾雜物等缺陷，見圖2（b）、圖2（d）。

圖2 斷裂葉片連接螺栓的金相組織Fig.2 Metallographic structure of fractured blade connecting bolts

1.4 斷口微區(qū)檢測

利用S-3700N 型掃描電子顯微鏡綜合測試系統(tǒng)，對葉片連接螺栓的斷口進行微觀形貌分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3（a）、圖3（d）可以看出，兩根斷裂葉片連接螺栓的疲勞斷裂源區(qū)位于螺紋牙底部位，表面較平整，且未見明顯氫脆損傷、冶金、鍛造等異常缺陷；擴展區(qū)的表面較為粗糙，內(nèi)部可見明顯的疲勞輝紋及二次疲勞裂紋，輝紋間距較小，且疲勞裂紋的擴展方向與宏觀觀察結(jié)果相吻合，進一步表明葉片連接螺栓的失效機制為高周疲勞斷裂，如圖3（b）、圖3（e）所示。瞬斷區(qū)內(nèi)能夠觀察到大量韌窩，屬韌性斷裂，如圖3（c）、圖3（f）所示。

圖3 斷裂葉片連接螺栓SEM斷口微觀形貌Fig.3 SEM fractography of fractured blade connecting bolts

1.5 力學(xué)性能檢測

采用電火花線切割機對斷裂的葉片緊固螺栓取樣，隨后分別利用Tukon2500-6 全自動維氏硬度測試儀、CMT5305 型電子萬能試驗機及ZBC-300B型數(shù)字式?jīng)_擊試驗機對其進行硬度試驗、拉伸試驗和低溫（-45 ℃）沖擊試驗，測試結(jié)果如表2所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，兩根葉片緊固螺栓的屈服強度、抗拉強度、延伸率、-45 ℃的沖擊功及維氏硬度等各項性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)NB/T 31082—2016《風(fēng)電機組塔架用高強度螺栓連接副》[9]對10.9 級風(fēng)電螺栓使用性能的要求。

表2 葉片連接螺栓力學(xué)性能測試結(jié)果Tab.2 Test results of the mechanical properties for blade connecting bolts

2 斷裂機理及原因分析

兩根葉片連接螺栓的化學(xué)成分及各項力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。結(jié)合斷口宏觀形貌及SEM 微觀形貌，兩根葉片連接螺栓均斷裂于應(yīng)力集中程度較高的螺紋牙底處，斷口附近未見明顯頸縮；螺栓的斷面均由啟裂區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)組成，且擴展區(qū)內(nèi)可見大量疲勞輝紋，這與該類螺栓的疲勞斷裂特征相吻合[10-11]。此外，兩根葉片連接螺栓的擴展區(qū)均約占整個斷口面積的三分之二，瞬斷區(qū)約占三分之一，表明螺栓在斷裂前不存在過載使用的運行工況[12]。文獻[13]對多臺3 MW 風(fēng)力發(fā)電機組用葉片連接螺栓的斷裂原因進行了分析，結(jié)果表明，螺栓的疲勞斷裂主要與基體中存在的大量氧化硅夾雜物及不當(dāng)?shù)臒崽幚砉に噷?dǎo)致的晶粒粗大有關(guān)。文獻[14]的研究結(jié)果表明，某風(fēng)力發(fā)電機槳葉連接螺栓的斷裂原因主要為螺栓的冶金質(zhì)量較差，使得基體中形成了過量的非金屬夾雜物，這些夾雜物的出現(xiàn)除了導(dǎo)致螺栓在運行過程中的力學(xué)性能下降外，還會作為裂紋源誘發(fā)疲勞斷裂。

從葉片連接螺栓的整體受力狀態(tài)分析，在風(fēng)機運行過程中，葉片連接螺栓將承受來自徑向和軸向等多個方向的復(fù)合激振力。風(fēng)機運行過程中葉片受力狀態(tài)如圖4 所示。從圖4 可以看出，在葉片整體的受力狀態(tài)中，x方向與葉輪軸線平行，為葉片揮舞方向；y方向與x方向垂直，為葉輪的旋轉(zhuǎn)方向，也稱作葉片擺振方向；z方向與葉片變槳軸重合，為葉片的扭轉(zhuǎn)方向。根據(jù)風(fēng)機在運行過程中葉片的整體受力狀態(tài)分析，葉片通過交流變頻電動機驅(qū)動，使得齒圈和軸承不斷圍繞z 方向旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致葉片緊固螺栓承受x、y 方向的彎曲應(yīng)力以及z 方向的拉應(yīng)力等多個方向的復(fù)合激振力[15-16]。在交變應(yīng)力的作用下，裂紋很容易于應(yīng)力集中程度較高的葉片法蘭與變槳軸承結(jié)合面的螺紋牙底形成，并且應(yīng)力集中在一定程度上還會加速疲勞裂紋的形成及擴展，最終引發(fā)螺栓的疲勞斷裂。

圖4 風(fēng)機葉片受力狀態(tài)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the stress state of fan blade

3 結(jié)論及建議

（1）葉片連接螺栓的斷裂主要與復(fù)雜應(yīng)力共同作用下引發(fā)的疲勞工況有關(guān)。

（2）在風(fēng)機運行過程中，徑向和軸向等多方向剪切力的共同作用使得葉片法蘭與變槳軸承結(jié)合面的螺紋牙底處逐漸形成疲勞裂紋源，裂紋在應(yīng)力集中的作用下加速擴展，并引發(fā)了螺栓的疲勞斷裂失效。

（3）建議定期開展在役葉片高強連接螺栓的無損檢測工作，發(fā)現(xiàn)存在缺陷的螺栓應(yīng)及時更換，并且在更換新螺栓時，須對同一部位的所有螺栓作整體更換；按照廠家維護手冊定期對螺栓進行力矩校驗和力矩維護。