風(fēng)電機組高強螺栓斷裂原因分析

（作者單位：趙海：華電電力科學(xué)研究院有限公司；胡冰：北方重工集團輸送設(shè)備分公司 ）

近年來，我國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，隨著大量風(fēng)電機組的投入運行，因風(fēng)電機組高強螺栓斷裂導(dǎo)致的事故時有發(fā)生，本文通過一起風(fēng)電機組倒塔事故，利用力學(xué)性能試驗、金相組織分析、掃描電鏡分析等試驗手段，分析高強螺栓在運行中失效的原因，并提出了避免發(fā)生此類事故的建議。

試驗與分析

圖1為某風(fēng)力發(fā)電場風(fēng)電機組倒塔事故的現(xiàn)場照片，倒塔是由風(fēng)電機組基礎(chǔ)與塔架連接螺栓斷裂造成的，試驗用的4根高強螺栓為本次事故中的斷裂螺栓，螺栓設(shè)計材質(zhì)為42CrMoA，規(guī)格M36，將這4根螺栓分別編號為1#－4#。試驗項目包括：宏觀形貌檢查、光譜成分分析、金相及夾雜物檢驗、斷口SEM分析及力學(xué)性能試驗。

一、宏觀形貌檢查

圖2為4根斷裂螺栓的斷口宏觀形貌照片，可見4根螺栓全部在螺紋部位斷裂。1#樣品斷口表面可見由螺紋根部向螺栓內(nèi)部擴展的疲勞輝紋，具有明顯的疲勞斷裂特征；2#－4#樣品斷口的宏觀形貌相似，均為在大的剪切應(yīng)力作用下發(fā)生的瞬時斷裂斷口特征。由于風(fēng)電機組特殊的工作環(huán)境，特別是在倒塔事故發(fā)生時正值陰雨天氣，斷口表面氧化比較嚴(yán)重。

二、光譜成分分析

采用德國Spectrolab-M11型直讀光譜儀對4根斷裂螺栓進行化學(xué)成分分析，其結(jié)果如表1所示。螺栓設(shè)計材質(zhì)為42CrMoA，根據(jù)試驗結(jié)果，除Mn含量略高于GB/T3077－2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》要求的成分上限外，主要合金元素Cr、Mo含量與設(shè)計材質(zhì)相符，S、P含量不超標(biāo)。

圖1 風(fēng)電機組倒塔現(xiàn)場照片

圖2 斷裂螺栓斷口宏觀形貌照片

表1 螺栓成分分析結(jié)果（mass%）

三、金相及夾雜物檢驗

采用Olympas GX71金相顯微鏡對試樣進行夾雜物測定及金相顯微組織分析，由圖3a可見，1#樣品中存在少量夾雜物，其尺寸不超過20μm，參照GB/T10561－2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》，夾雜物評級為C類0.5級。

螺栓基體金相組織為回火馬氏體（圖3b），在螺紋處存在由螺紋根部向螺栓內(nèi)部擴展的微裂紋（圖3c）。

圖3 1#樣品夾雜物及金相組織照片

圖4 2#－4#樣品夾雜物形態(tài)照片

圖4為2#－4#樣品母材基體內(nèi)夾雜物形態(tài)照片，可見3個樣品中均存在少量尺寸不超過5μm的夾雜物，參照GB/T10561－2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》，夾雜物評級為D類0.5級。

圖5為2#－4#樣品金相組織照片，3個樣品金相組織均為回火馬氏體，組織未見異常。

四、斷口SEM分析

采用JXA-8530F場發(fā)射電子探針對1#試樣進行斷口形貌觀察分析，圖6a、6b中黑色虛線區(qū)域內(nèi)可見明顯的疲勞裂紋擴展區(qū)，圖6c為中心撕裂區(qū)域照片，依據(jù)斷口的特征，1#樣品具有比較明顯的疲勞斷裂特征，裂紋由螺栓的螺紋根部向螺栓內(nèi)部擴展，導(dǎo)致螺栓斷裂。

圖5 2#－4#樣品金相組織照片

圖6 1#樣品斷口SEM形貌照片

圖7為1#樣品斷口表面夾雜物處及母材的能譜分析位置，圖8－圖10分別為圖7中3個位置的能譜分析結(jié)果，可見圖譜10位置Ti元素含量較高，為含Ti的夾雜物；其余2個位置主要元素均為Fe、O，為螺栓母材的氧化產(chǎn)物。

五、力學(xué)性能試驗

采用WDW3000萬能材料試驗機及JBW-500擺錘沖擊試驗機分別進行拉伸及沖擊試驗。拉伸試驗和沖擊試驗的試樣尺寸如圖11、圖12所示。試驗結(jié)果見表2。

圖7 能譜分析位置示意圖

圖8 譜圖10位置能譜分析結(jié)果

圖9 譜圖11位置能譜分析結(jié)果

圖10 譜圖12位置能譜分析結(jié)果

圖11 拉伸試樣圖形狀及尺寸

圖12 沖擊試樣圖形狀及尺寸

表2 螺栓力學(xué)性能試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果，1#、3#試樣屈服強度（Rp0.2）低于GB/T3077－2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》要求，2#、3#試樣抗拉強度（Rm）低于GB/T3077－2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》要求，其余拉伸試驗結(jié)果合格。

雖然4根試樣的常溫沖擊性能滿足GB/T3077－2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》要求，但發(fā)生疲勞斷裂的1#螺栓沖擊功明顯低于其他螺栓。

疲勞斷裂的影響因素分析

大型風(fēng)電機組是由一些相關(guān)部件通過一定的聯(lián)接方式組成的一臺整機。其中高強度螺栓是聯(lián)接這些主要零部件的重要元件之一，因此螺栓聯(lián)接是否可靠，將直接關(guān)系到風(fēng)電機組運行的安全。

通過對斷裂的高強螺栓進行試驗分析，可判斷本次風(fēng)電機組倒塔事故是由于風(fēng)電機組基礎(chǔ)與塔架連接螺栓的疲勞斷裂（1#螺栓）造成的。風(fēng)電機組基礎(chǔ)與塔架由若干螺栓進行聯(lián)接，當(dāng)個別螺栓產(chǎn)生疲勞裂紋并斷裂后，由于應(yīng)力分布的變化，使其他螺栓承受的應(yīng)力增大，進而在螺紋根部等應(yīng)力集中處形成裂紋，導(dǎo)致這一部分螺栓的相繼開裂。當(dāng)剩余未斷裂螺栓承載能力無法滿足風(fēng)電機組基礎(chǔ)與塔架聯(lián)接要求時，就會發(fā)生倒塔事故。本次試驗中2#－4#螺栓斷口形貌明顯為大載荷拉裂特征，就是在倒塔事故中被瞬時的巨大載荷拉斷所致。

1#螺栓的疲勞斷裂為本次倒塔事故的直接原因，螺栓產(chǎn)生疲勞裂紋與以下幾個因素有關(guān)：

（1）應(yīng)力集中

風(fēng)電機組的工作環(huán)境為常年風(fēng)力較大的區(qū)域，由于風(fēng)電機組塔體較高且風(fēng)力經(jīng)常變化，使基礎(chǔ)螺栓承受交變載荷。螺栓螺紋根部成為應(yīng)力集中最大的部位，如果在此部位存在損傷、夾雜物等缺陷，則極易成為裂紋源，裂紋在交變載荷的作用下逐漸擴展，最終導(dǎo)致螺栓的斷裂。在對1#樣品的試驗中發(fā)現(xiàn)的螺紋根部裂紋及C類夾雜物也證明了此推斷。

（2）交變載荷

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電場提供的數(shù)據(jù)，倒塔風(fēng)電機組位于沿海地區(qū)，全年大風(fēng)天氣多，且風(fēng)速變化大，在此風(fēng)電機組發(fā)生倒塔前的3個月，風(fēng)速最低20m/s，最高28m/s，可見風(fēng)電機組基礎(chǔ)螺栓常年處于交變應(yīng)力的作用之下，增大了產(chǎn)生疲勞裂紋的幾率。

（3）材料的力學(xué)性能

在對4根螺栓的力學(xué)性能試驗中發(fā)現(xiàn)1#、3#螺栓屈服強度（Rp0.2）低于GB/T3077－015《合金結(jié)構(gòu)鋼》要求，2#、3#螺栓抗拉強度（Rm）低于GB/T3077－2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》要求；雖然4根試樣的常溫沖擊性能滿足GB/T3077－2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》要求，但發(fā)生疲勞斷裂的1#螺栓沖擊功明顯低于其他螺栓。沖擊功是衡量材料韌性的重要指標(biāo)，是材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，沖擊功越低，材料表現(xiàn)出來的脆性越高，韌性越低。沖擊功偏低使螺栓在應(yīng)力作用下更易產(chǎn)生裂紋，產(chǎn)生裂紋后，裂紋的擴展速度更快。

（4）其他原因

風(fēng)電機組基礎(chǔ)與塔架連接螺栓為42CrMoA高強螺栓，化學(xué)成分檢驗中發(fā)現(xiàn)，4根螺栓Mn元素含量均高于產(chǎn)品合格證要求上限，在鋼中加入Mn可以提高鋼件強度，并在一定程度上提高可淬性。即在淬火時增加了淬硬滲入的強度，Mn還能改進表面質(zhì)量，但是太多的Mn對延展性不利，Mn含量超標(biāo)對螺栓裂紋的產(chǎn)生與擴展會有一定影響。

結(jié)論與建議

通過對斷裂螺栓宏觀形貌及各項試驗數(shù)據(jù)的分析，可以得出以下結(jié)論與建議：

螺栓的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，應(yīng)力集中及螺栓承受的交變載荷是螺栓斷裂的主要原因；螺栓力學(xué)性能超標(biāo)及Mn元素含量偏高，為螺栓斷裂的次要影響因素。

建議根據(jù)現(xiàn)場實際情況，制定檢驗計劃，定期利用超聲波探傷對現(xiàn)役螺栓進行檢驗，發(fā)現(xiàn)存在裂紋螺栓及時更換；在新螺栓安裝前必須進行100%超聲波探傷，并抽取一定比例螺栓進行化學(xué)成分、金相組織及力學(xué)性能試驗。