周云飛，許述偉，武 鑫，高 翔

(1.甘肅電力科學(xué)研究院技術(shù)中心有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.國(guó)投哈密風(fēng)電有限公司巴里坤分公司，新疆 哈密 839000)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)電力供應(yīng)體系中的占比越來(lái)越大，裝機(jī)容量也越來(lái)越大，其安全穩(wěn)定運(yùn)行備受社會(huì)的關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔身及槳葉系統(tǒng)由大量高強(qiáng)度螺栓連接，在長(zhǎng)期運(yùn)行情況下，面對(duì)嚴(yán)苛的環(huán)境考驗(yàn)，承受著周而復(fù)始的循環(huán)載荷，以及在設(shè)計(jì)、制造、選型、安裝、運(yùn)行等各個(gè)環(huán)節(jié)的綜合作用下，螺栓極易產(chǎn)生疲勞損傷，若持續(xù)帶傷運(yùn)行，將最終發(fā)生脆性斷裂，從而導(dǎo)致各種機(jī)械故障甚至安全事故的發(fā)生。

以西北地區(qū)某風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片螺栓反復(fù)斷裂問(wèn)題為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，實(shí)驗(yàn)室解剖、檢測(cè)、分析，全方位查找葉片螺栓反復(fù)斷裂的原因，為風(fēng)機(jī)葉片螺栓偶發(fā)性斷裂或者反復(fù)斷裂問(wèn)題的原因分析和后續(xù)整改決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 概述

某風(fēng)力發(fā)電機(jī)組于2013年投產(chǎn)運(yùn)行，服役期間葉片螺栓反復(fù)斷裂，經(jīng)三次下架更換所有葉片螺栓，情況依然得不到改善。螺栓規(guī)格為M30×383 mm(10.9級(jí))，材質(zhì)為42CrMo，熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理，表面防腐處理工藝為達(dá)克羅處理。

2 質(zhì)量檢查與分析

2.1 斷口宏觀檢查

將超聲波清洗后的斷口試樣置于體視顯微鏡下觀察(6.7倍率)，可明顯觀察到疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)疲勞輝紋以及最終斷裂區(qū)等宏觀特征，屬于典型的疲勞斷口形貌特征，裂紋源位于第一螺牙與第二螺牙之間的根部外表面，為應(yīng)力突變處。

2.2 斷口微觀檢查

將斷口置于掃描電子顯微鏡下，觀察微觀形貌：裂紋源有多源疲勞臺(tái)階特征，裂紋擴(kuò)展區(qū)具有疲勞條帶微觀形貌，最終斷裂區(qū)具有典型的韌窩特征。

2.3 能譜分析

對(duì)疲勞源區(qū)域進(jìn)行元素能譜分析(見(jiàn)表1)，其中C，Cr，Mo為自身所有，Al為防腐處理工藝引入；未見(jiàn)腐蝕性元素，但斷口由于長(zhǎng)期暴露在空氣中產(chǎn)生一些氧化物。

表1 裂紋源區(qū)元素含量表 單位：%

2.4 金相組織分析

對(duì)斷口試樣進(jìn)行縱剖，并對(duì)縱剖面進(jìn)行金相檢驗(yàn)?；w為回火索氏體組織，為調(diào)質(zhì)處理后正常金相組織。

2.5 硬度試驗(yàn)分析

對(duì)試樣端面找平并研磨，進(jìn)行硬度試驗(yàn)，其結(jié)果處于標(biāo)準(zhǔn)要求范圍之內(nèi)，如表2所示。

表2 硬度試驗(yàn)值 單位：HBW

3 螺栓連接剛性分析

3.1 連接理論

被連接葉片輪轂法蘭和葉片葉根均為彈性體，根據(jù)緊固螺栓連接的靜力平衡與變形協(xié)調(diào)條件：

式中：F'為初始預(yù)緊力；F為工作載荷；F"為工作狀態(tài)下剩余預(yù)緊力；F0為螺栓總拉力；C1為螺栓剛度；C2為被連接件剛度，包括墊圈、螺母、連接法蘭等。

由公式(3)可知，螺栓工作狀態(tài)下所受總拉力為預(yù)緊力與部分工作載荷之和。當(dāng)螺栓從某一位置運(yùn)行到另一位置時(shí)工作載荷由F1變?yōu)镕2，初始預(yù)緊力不變，則其所受拉力變化為：

當(dāng)螺栓、機(jī)組選定的情況下，C1與ΔF均為確定值，則由公式(4)可知，ΔF0與C2之間呈反比關(guān)系。

3.2 界面間隙

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘查中發(fā)現(xiàn)葉片法蘭墊片與葉片根部存在間隙。當(dāng)采用扭矩法對(duì)螺栓進(jìn)行緊固時(shí)，需克服法蘭墊片變形做功，導(dǎo)致接觸面擠壓力不足，預(yù)緊力減小，使得被連接件整體剛度降低，即C2降低。

4 原因分析

對(duì)斷裂螺栓本體進(jìn)行質(zhì)量檢查分析，未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。但通過(guò)對(duì)螺栓連接副整體剛性的研究發(fā)現(xiàn)，由于被連接面之間存在間隙，導(dǎo)致被連接件整體剛度C2降低，而C2與螺栓所受拉力變化值ΔF0之間呈反比關(guān)系，當(dāng)C2降低時(shí)，會(huì)使得ΔF0升高。結(jié)合疲勞曲線S-N可知，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力幅值過(guò)大，即ΔF0過(guò)大時(shí)，會(huì)在較低循環(huán)周次下發(fā)生疲勞斷裂，導(dǎo)致螺栓過(guò)早失效。

5 結(jié)論

當(dāng)葉片法蘭墊片與輪轂之間存在間隙時(shí)，導(dǎo)致被連件整體剛度過(guò)低，使得該部位螺栓在運(yùn)行中受到的交變應(yīng)力幅值過(guò)大，在第一螺牙與第二螺牙之間的根部外表面處，即應(yīng)力突變處產(chǎn)生疲勞微裂紋，促使其過(guò)早發(fā)生疲勞斷裂。當(dāng)只對(duì)斷裂螺栓或者整個(gè)葉片螺栓進(jìn)行更換，卻未對(duì)該間隙進(jìn)行修復(fù)時(shí)，問(wèn)題依舊存在，故導(dǎo)致新更換螺栓反復(fù)斷裂。

通過(guò)上述檢測(cè)與分析，從螺栓本身質(zhì)量、安裝環(huán)境等多方面查找出葉片螺栓反復(fù)斷裂的原因，為后續(xù)的整改措施提供科學(xué)依據(jù)，也為類似螺栓斷裂事件的處理提供參考。