風電機組葉片螺栓一種斷裂形式的原因分析

風電機組葉片螺栓一種斷裂形式的原因分析2.河北省滄州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，河北滄州，061000摘要：采用宏觀分析、力學性能檢測、化學成分分析、SEM、金相分析、受力環(huán)境分析等分析方法，對10.9級風電機組定制螺栓的斷裂原因進行分析。結(jié)果表明：螺栓質(zhì)量符合標準要求；螺栓的預緊力不足使被連接件松動、被連接位置與螺栓干涉磨損、螺栓疲勞損傷加劇，進而導致斷裂。關(guān)鍵詞：風電機組；螺栓；預緊力；斷裂0引言螺栓作為重要的設(shè)備連接方式，在風電機組的塔筒、機架、輪轂、葉片等部件連接方面也有廣泛的應用。隨著風機運行，螺栓斷裂故障也時有發(fā)生，其中葉片螺栓斷裂發(fā)生的概率明顯高于其他部位螺栓。某風場葉片螺栓在風機運行11個月后發(fā)生斷裂，螺栓材料為42CrMo,螺栓等級為10.9級，規(guī)格為M30X***mm（縮頸①27mm）。筆者對其斷裂原因進行了系統(tǒng)分析。1故障概況螺栓表面為“達克羅”處理，表面處理質(zhì)量良好。故障螺栓斷口附近存在銹蝕痕跡，如圖1所示；未斷裂螺栓相同位置存在類似銹蝕痕跡，如圖2所示。通過對磨損位置分析，發(fā)現(xiàn)螺栓磨損位置為葉片根部法蘭與輪轂（變槳軸承）連接結(jié)合面位置。圖1螺栓斷口附近銹蝕圖2未斷裂螺栓相同位置銹蝕Fig.lCorrosionneartheboltfractureFig.2Corrosionofunbrokenboltsatthesameposition2斷口分析2.1宏觀分析圖3為螺栓斷口，為典型的疲勞斷口[i],由疲勞源區(qū)、疲勞裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)和快速斷裂區(qū)（瞬時斷裂區(qū)）三部分組成，A區(qū)域為裂紋源區(qū)，發(fā)生于螺栓表面磨損位置，可見銹蝕痕跡，由于源區(qū)為最早生成的斷口，裂紋擴展速率緩慢，裂紋反復張開閉合引起斷口表面的摩擦，因此比較光滑，并且發(fā)生腐蝕；B區(qū)域為裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)域，可以觀察到多條基本平行的疲勞弧線，與裂紋擴展方向垂直,是疲勞裂紋瞬時前沿線的宏觀塑性變形的痕跡；C區(qū)域為瞬斷區(qū)，疲勞裂紋達到臨界尺寸，螺栓發(fā)生瞬時斷裂⑵。圖3螺栓斷口附近銹蝕Fig.3Corrosionneartheboltfracture2.2微觀分析使用SEM掃描電鏡（蔡司/EV018）對故障螺栓斷口處外表面以及斷口表面進行觀察，圖4、5為斷口附近外表面掃描照片，其中平行周向條紋為螺栓加工刀痕，斷口處區(qū)域內(nèi)加工刀痕經(jīng)磨損后已完全消失，圖5中可見磨損痕跡。圖6為疲勞裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)的疲勞弧線（貝紋線）形貌。

圖4斷口附近表面狀態(tài)17x圖5斷口附近表面狀態(tài)68xFig.4Surfacestatenearthefracture17xFig.5Surfacestatenearthefracture68xm圖6m圖6貝紋線Fig.6Shellline化學成分分析對故障螺栓進行化學成分分析，分析結(jié)果見表1，由分析結(jié)果可知，該試樣的化學成分符合標準GB/T3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》［3］與GB/T3098.1-2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》［4］的要求。表1試樣化學成分分析（質(zhì)量分數(shù)/%）Tab.1Samplechemicalcompositionanalysis(massfraction/%)

試樣編號CSiMnCrMoP標準要求0.90.1<0值8?0.457?0.370?0.800?1205?0.25.00.0測試值0.410.84819SB標準要求W0W0值.025.0030.00.0試樣04004金相組織分析按照GB/T13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》⑸對故障螺栓的橫截面與縱剖面分別金相組織分析，螺栓金相組織均為回火索氏體，組織未見明顯異常圖7為螺栓橫截面金相組織照片，圖8、9為縱剖面金相組織照片，從圖中可以發(fā)現(xiàn)螺栓存在帶狀偏析現(xiàn)象。

圖7故障螺栓橫截面金相組織200XFig.7Metallographicstructureofthefaultboltcrosssection200X圖8螺栓縱剖面金相組織200X圖9螺栓縱剖面金相組織500XFig.8Metallurgicalstructureofboltlongitudinalsection200XFig.9Metallurgicalstructureofboltlongitudinalsection500X顯微維氏硬度分析對故障螺栓螺桿中部橫截面進行進行顯微維氏硬度試驗，檢驗位置如圖10所示，檢驗結(jié)果見表2,圖11為壓痕c-1識別結(jié)果。圖10螺栓螺桿中部橫截面顯微硬度測試位置示意圖Fig.10Schematicdiagramofthelocationofthemicrohardnesstestofthemiddlecrosssectionoftheboltandscrew表2顯微維氏硬度測試結(jié)果Tab.2MicroVickershardnesstestresults測試位置1234測試結(jié)果HV)338345332328圖11螺栓顯微硬度壓痕識別Fig.11Identificationofmicro-hardnessindentationofbolts根據(jù)GB/T3098.1-2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》［4中對強度等級10.9的螺栓的要求，維氏硬度值范圍應在320~380之間，測試結(jié)果符合標準要求。力學性能分析根據(jù)DINISO10045V分別對故障螺栓進行低溫沖擊試驗，試驗溫度參照該風機葉片螺栓設(shè)計要求的實驗溫度-45°C，測試結(jié)果見表3：表3沖擊試驗測試值(-45C,KV2)JTab.3Testvalueofimpacttest(-45C,KV2)J測試值編1 2 3 平均號1#282726271#28272627參考GB/T3098.1-2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》⑷中對強度等級10.9的螺栓吸收能量（-20°C）的要求，測試結(jié)果符合要求。對被替換的螺栓（故障同批次螺栓）進行常溫拉伸試驗，試驗結(jié)果列于表4中。表4拉伸試驗測試值Tab.4Tensiletesttestvalues編號 抗拉強度Rm（MPa）下屈服強度Rel（MPa）延伸率（A）編號 抗拉強度Rm（MPa）下屈服強度Rel（MPa）延伸率（A）2#106495715.5根據(jù)GB/T3098.1-2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》⑷中對強度等級10.9的螺栓的要求，測試結(jié)果符合標準要求。原因分析與討論通過對螺栓的化學成分及性能的分析，未發(fā)現(xiàn)明顯異常；根據(jù)斷口信息可確認螺栓的表面損傷位置為本次螺栓斷裂的裂紋源；螺栓是在高周疲勞載荷反復作用下，逐漸使裂紋擴展進而導致斷裂發(fā)生的。通過螺栓磨損位置分析，發(fā)現(xiàn)：發(fā)生磨損的位置出現(xiàn)在被連接的結(jié)合面位置，系結(jié)合面錯位移動與螺栓產(chǎn)生周期性干涉導致；而產(chǎn)生被連接結(jié)合面錯位移動的原因住主要為螺栓預緊力不足。結(jié)語本次葉片螺栓斷裂原因主要為螺栓預緊力不足：預緊力不足使被連接件松動、被連接位置與螺栓干涉磨損、螺栓疲勞損傷加劇，進而導致斷裂。[參考文獻]1.錢錕，韓波，黃嘉樂.10.9級高強螺栓頭部斷裂原因分析[J]施工技術(shù)，2018年8月（47卷增刊）：389-393.2.桂立豐.機械工程材料測試手冊（物理金相卷）[M].沈陽：遼寧科學技術(shù)出版社，1999.3.大冶特殊鋼股份有限公司?合全結(jié)構(gòu)鋼：GB/T3077-2015[S].北京：中國標準出版社，2016.4.機械部機械標準化所緊固件機械性能蜉栓、蜉釘和蜉柱：GB/T3098.12010[S].北京：中國標準出版社，2010.5.冶金部鋼鐵研究色院?金屬顯微組織檢驗方法：GB/T13298-1991[S].北京:中囯標準出版社，1991.CauseAnalysisofaFractureFormofwindturbinebladeconnecting

boltGuanyu.Lu1，Haijie.Zhang1通信作者：張海杰（1974-），男，北京人，大學本科，高級工程師，質(zhì)量管理部經(jīng)理，從事二十余年設(shè)備制造質(zhì)量管理工作，Email:****************************.cn。通信作者：張海杰（1974-），男，北京人，大學本科，高級工程師，質(zhì)量管理部經(jīng)理，從事二十余年設(shè)備制造質(zhì)量管理工作，Email:****************************.cn。（1.GuodianUnitedPowerTechnologyCo.,Ltd.,Beijing，1000392;2.

HebeiCangzhouEcologicalEnvironmentMonitoringCenter,Cangzhou,

Hebei,061000）Abstract：Macroscopicanalysis,mechanicalpropertytesting,chemicalcompositionanalysis,SEM,metallographicanalysis,stressenvironmentanalysisandotheranalyticalmethodswereusedtoanalyzethefracturereasonsofcustomizedboltsof10.9-gradewindturbine.Theresultsshowthattheboltqualitymeetsthestandardrequirements.Insufficientfasteningforceofboltsmakestheconnectedpartsloose,theinterferencebetweentheconnectedposi