鄭建軍，王 劭，云 峰

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）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(diǎn)，是我國(guó)電能可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要選擇之一[1]。近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)因其巨大的綠色環(huán)保優(yōu)勢(shì)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(jī)組主要由葉片、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)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(guò)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(qiáng)度和彎扭剛度，才能確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2022 年2 月，某新能源公司運(yùn)維人員在對(duì)一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該機(jī)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(zhǎng)427 mm，材質(zhì)為42CrMo，性能等級(jí)為10.9級(jí)。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(cè)試等方法對(duì)葉片連接螺栓的斷裂機(jī)理及原因進(jìn)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(yàn)結(jié)果與分析

1.1 化學(xué)成分檢測(cè)

按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)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(tái)式直讀光譜儀，對(duì)斷裂的葉片連接螺栓取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)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?jǐn)?shù)檢測(cè)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(hào)螺栓和2 號(hào)螺栓），均為10.9 級(jí)六角頭高強(qiáng)連接螺栓。通過(guò)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(jiàn)明顯塑性變形及磨損等機(jī)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(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)等三個(gè)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(kuò)展區(qū)占斷口的大部分面積，內(nèi)部可見(jiàn)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(jiàn)明顯的撕裂狀形貌，且面積很小，說(shuō)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(cè)

采用Axio Observer.Alm 型金相顯微鏡對(duì)斷裂的葉片連接螺栓進(jìn)行顯微組織檢測(cè)。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(wú)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(xì)小回火索氏體，未見(jiàn)嚴(yán)重夾雜物等缺陷，見(jiàn)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(cè)

利用S-3700N 型掃描電子顯微鏡綜合測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)葉片連接螺栓的斷口進(jìn)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(jiàn)明顯氫脆損傷、冶金、鍛造等異常缺陷；擴(kuò)展區(qū)的表面較為粗糙，內(nèi)部可見(jiàn)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(kuò)展方向與宏觀觀察結(jié)果相吻合，進(jìn)一步表明葉片連接螺栓的失效機(jī)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(cè)

采用電火花線切割機(jī)對(duì)斷裂的葉片緊固螺栓取樣，隨后分別利用Tukon2500-6 全自動(dòng)維氏硬度測(cè)試儀、CMT5305 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)及ZBC-300B型數(shù)字式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行硬度試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)和低溫（-45 ℃）沖擊試驗(yàn)，測(cè)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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、-45 ℃的沖擊功及維氏硬度等各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)NB/T 31082—2016《風(fēng)電機(jī)組塔架用高強(qiáng)度螺栓連接副》[9]對(duì)10.9 級(jí)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(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of the mechanical properties for blade connecting bolts

2 斷裂機(jī)理及原因分析

兩根葉片連接螺栓的化學(xué)成分及各項(xiàng)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(jiàn)明顯頸縮；螺栓的斷面均由啟裂區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)組成，且擴(kuò)展區(qū)內(nèi)可見(jiàn)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(kuò)展區(qū)均約占整個(gè)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(guò)載使用的運(yùn)行工況[12]。文獻(xiàn)[13]對(duì)多臺(tái)3 MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用葉片連接螺栓的斷裂原因進(jìn)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(xiàn)[14]的研究結(jié)果表明，某風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(guò)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(yùn)行過(guò)程中的力學(xué)性能下降外，還會(huì)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(jī)運(yùn)行過(guò)程中，葉片連接螺栓將承受來(lái)自徑向和軸向等多個(gè)方向的復(fù)合激振力。風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)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(jī)在運(yùn)行過(guò)程中葉片的整體受力狀態(tài)分析，葉片通過(guò)交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(gè)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(huì)加速疲勞裂紋的形成及擴(kuò)展，最終引發(fā)螺栓的疲勞斷裂。

圖4 風(fēng)機(jī)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(jī)運(yùn)行過(guò)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(kuò)展，并引發(fā)了螺栓的疲勞斷裂失效。

（3）建議定期開(kāi)展在役葉片高強(qiáng)連接螺栓的無(wú)損檢測(cè)工作，發(fā)現(xiàn)存在缺陷的螺栓應(yīng)及時(shí)更換，并且在更換新螺栓時(shí)，須對(duì)同一部位的所有螺栓作整體更換；按照廠家維護(hù)手冊(cè)定期對(duì)螺栓進(jìn)行力矩校驗(yàn)和力矩維護(hù)。