風(fēng)力發(fā)電機(jī)緊固螺栓斷裂失效分析

周漪，賀明強(qiáng)，梅華生，王長朋

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；

2.重慶市環(huán)境腐蝕與防護(hù)工程技術(shù)研究中心，重慶 400039）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)緊固螺栓斷裂失效分析

周漪1,2，賀明強(qiáng)1,2，梅華生1,2，王長朋1,2

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；

2.重慶市環(huán)境腐蝕與防護(hù)工程技術(shù)研究中心，重慶 400039）

目的 研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)緊固螺栓斷裂失效原因。方法 通過化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析、斷口掃描分析、顯微組織分析測試手段，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)緊固螺栓失效原因進(jìn)行分析。結(jié)果 斷裂螺栓螺紋根部表面存在原始折疊缺陷，為疲勞裂紋的萌生提供了有利條件；同時，螺栓頭部、緊固墊圈及法蘭盤之間存在裝配異常情況，外力作用下接觸位置應(yīng)力集中較大，有利于疲勞裂紋的萌生及進(jìn)一步擴(kuò)展。結(jié)論 通過嚴(yán)格控制入廠螺栓質(zhì)量，同時定期檢查在服役螺栓的使用狀態(tài)，及時更換存在安全隱患的螺栓，有效杜絕了緊固螺栓斷裂失效情況再次發(fā)生。

螺栓；失效分析；折疊；疲勞開裂

高強(qiáng)度緊固螺栓是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要部件，在使用過程中由于螺栓本身材質(zhì)、加工成形工藝、安裝及使用環(huán)境等因素，緊固螺栓在長期服役情況下，經(jīng)受外界較大循環(huán)載荷作用，會發(fā)生緩慢的、連續(xù)的塑性變形，從而使螺栓容易出現(xiàn)疲勞開裂[1—2]。高強(qiáng)度螺栓指的是強(qiáng)度達(dá)8.8級及以上的螺栓，在實(shí)際工作中，它們要承受拉力、壓力、剪切力、扭轉(zhuǎn)力及摩擦力等外力的綜合作用。螺栓連接零件的載荷不同，故應(yīng)力狀態(tài)不盡相同，因此制作緊固件的材料應(yīng)具有高的強(qiáng)度和韌性，同時要求耐磨性好[3—4]。對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，高強(qiáng)度螺栓作為機(jī)組轉(zhuǎn)動部件的連接部件和密封部件，在機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)揮了重要作用。

1　試驗(yàn)方法

螺栓材料為 35CrMo，型號為：M16 mm×60 mm，性能等級為 8.8級，工藝為：退火—酸洗—磷皂化—拉撥—冷鐓—搓絲—淬火—鍍達(dá)克羅。螺栓由甘肅敦煌某風(fēng)力發(fā)電廠提供，用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基座上，每個基座上安裝5顆。使用約4個月后發(fā)生批量斷裂，抽取2件斷口保存較完整的 1#，2#斷裂件和3#，4#，5#，6#未斷件進(jìn)行分析。

利用ICP分析儀按照GB/T 20125—2006 《低合金鋼 多元素含量的測定 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》對螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，采用WDW-5型拉伸試驗(yàn)機(jī)按照GB/T 228—2002 《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行力學(xué)性能測試，采用 JB-300B型沖擊試驗(yàn)機(jī)按照 GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行沖擊試驗(yàn)測試，采用 HR-150A型洛氏硬度計(jì)按照 GB/T 230.1—2004 《金屬洛氏硬度試驗(yàn) 第 1部分：試驗(yàn)方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標(biāo)尺）》進(jìn)行洛氏硬度分析，采用Quanta200環(huán)境掃描電鏡對斷口進(jìn)行形貌掃描分析，采用Observer.A1m 型倒置式金相顯微鏡按照 GB/T 13320—2007 《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評級圖及評定方法》進(jìn)行金相組織分析。

2　試驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀分析

螺栓所處環(huán)境氣候干燥少雨，6件螺栓樣品外表面無明顯腐蝕現(xiàn)象，斷裂位置附近表面達(dá)克羅涂層完整，2件斷裂件螺栓斷裂位置在距法蘭盤約35 mm處，裂紋都是起始于螺紋根部，斷口有典型的疲勞貝殼紋，最后斷裂區(qū)有明顯的剪切唇，都屬于疲勞斷裂[2]。螺栓與法蘭盤之間安裝緊固墊圈，在螺栓頭部表面存在較明顯壓痕，在法蘭盤表面部分區(qū)域也存在明顯擠壓凹痕，應(yīng)該是裝配安裝不當(dāng)導(dǎo)致墊圈與螺栓及法蘭盤之間存在異常擠壓摩擦所致。兩件斷裂螺栓及法蘭盤宏觀形貌如圖1所示。

圖1 斷裂螺栓及法蘭盤宏觀形貌Fig.1 Microscopic of fracture bolt and flange

2.2 化學(xué)成分分析

在 1#斷裂失效件上靠近斷口處截取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可知，樣品化學(xué)成分符合35CrMo材料的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 1#樣品化學(xué)成分測試結(jié)果Table 1 1# sample chemical component test results %

2.3 力學(xué)性能分析

取同批 3#，4#螺栓螺桿部分，加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸樣品進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測試結(jié)果見表 2。根據(jù)該GB/T 5782—2000《六角頭螺栓》，螺栓的等級為8.8級，螺栓的力學(xué)性能應(yīng)該按照 GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》要求。由表2可知，3#，4#樣品力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 力學(xué)性能測試結(jié)果Table 2 Mechanical performance testing results

同樣取同批次的 5#，6#螺栓在桿身部分加工成標(biāo)準(zhǔn) V形缺口的沖擊試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，沖斷后對平整樣品進(jìn)行洛氏硬度分析。由表3可知，5#，6#樣品低溫沖擊功和洛氏硬度符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》要求。

表3 低溫沖擊及硬度測試結(jié)果Table 3 Low-temperature impact and hardness test results

2.4 斷口分析

1#，2#螺栓斷口特征基本一致，現(xiàn)對 1#樣品進(jìn)行斷口微觀分析。1#樣品裂紋在螺紋根部多個位置萌生，裂紋源有裂紋擴(kuò)展相遇形成的臺階紋，斷口主要為撕裂，未發(fā)現(xiàn)有原始裂紋、非金屬夾雜、折疊等原始缺陷，如圖2所示。1#樣品擴(kuò)展區(qū)約占整個斷口面積的70%，斷口為準(zhǔn)解理斷裂，細(xì)疲勞紋間有疲勞臺階紋，如圖3所示。1#樣品瞬間斷裂區(qū)斷口為韌窩的韌性斷裂，如圖4所示。樣品承受的名義應(yīng)力影響疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的面積比例，名義應(yīng)力越大，瞬間斷裂區(qū)面積越大[3]，1#樣品瞬間斷裂區(qū)約占20%，說明承受的名義應(yīng)力并不大。

圖2 1#樣品裂紋源微觀形貌Fig.2 Crack sauce microtopography of sample 1#

圖3 1#樣品疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口微觀形貌Fig.3 Fracture micro topography of fatigue crack expansion area of sample 1#

圖4 1#樣品瞬間斷裂區(qū)斷口微觀形貌Fig.4 Fracture micro topography of instantaneous fracture area of sample 1#

2.5 金相分析

垂直于斷口縱向剖開 1#螺栓進(jìn)行非金屬夾雜物評定、金相組織分析。在兩件樣品鑲嵌后拋光態(tài)下觀察其非金屬夾雜物級別，根據(jù)GB/T 10561—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(yàn)法》進(jìn)行評級，結(jié)果見表4。

表4 非金屬夾雜物評定結(jié)果Table 4 Non-metallic inclusion results

1#螺栓裂紋源處于螺紋根部，螺紋根部及螺紋節(jié)圓處表面存在明顯折疊缺陷，如圖5所示。斷口附近金相組織為回火索氏體+彌散分布的細(xì)小碳化物，調(diào)質(zhì)組織級別為1級，如圖6所示。

3　分析與討論

圖5 1#樣品表面形態(tài)Fig.5 1# metallographic structure

圖6 1#樣品金相組織（500×）Fig.6 1# metallographic structure core (500×)

經(jīng)化學(xué)成分分析，樣品化學(xué)成分材料符合35CrMo要求；抽檢的兩件斷裂螺栓金相組織未發(fā)現(xiàn)異常；3#，4#螺栓拉伸性能和 5#，6#螺栓沖擊吸收能量及硬度符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》要求。1#，2#裂紋在螺紋根部多處萌生，擴(kuò)展區(qū)約占整個斷口面積的80%，細(xì)疲勞紋間有疲勞臺階紋。疲勞臺階紋是螺栓使用時應(yīng)力幅發(fā)生了變化，受到循環(huán)沖擊應(yīng)力在斷口上留下的痕跡[5—6]。螺栓疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)二次裂紋和撕裂棱不明顯，斷口疲勞貝殼紋較密集，屬于低周疲勞[7—8]。

疲勞斷裂出現(xiàn)在承受波動應(yīng)變或交變載荷構(gòu)件中，所受最大應(yīng)力未達(dá)到材料抗拉強(qiáng)度，甚至低于材料屈服點(diǎn)，斷裂位置一般無明顯塑性變形，屬于低應(yīng)力斷裂。疲勞斷裂過程研究表明，疲勞壽命往往決定于疲勞裂紋的增大和擴(kuò)展時間，并非決定于疲勞裂紋的產(chǎn)生，但是疲勞裂紋的產(chǎn)生為裂紋的擴(kuò)展提供了條件[9—13]。疲勞裂紋起始于零部件表面，零件的表面狀態(tài)對疲勞強(qiáng)度會有較大影響，如表面粗糙度、表面機(jī)加刀痕、表面劃傷、表面切削裂紋等。大量試驗(yàn)研究表明，表面粗糙度對零件疲勞強(qiáng)度至關(guān)重要，零件成形后，由于成形工藝、操作不當(dāng)?shù)仍?，?dǎo)致零件表面存在折疊、凹痕等缺陷。表面缺陷極易引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，尤其對高強(qiáng)度材料，表面稍有缺陷，往往成為較危險(xiǎn)的尖銳缺口，外界循環(huán)載荷作用下成為疲勞源[14—15]。

該案例中，螺栓頭部和法蘭盤之間的緊固墊圈裝配不佳，導(dǎo)致與墊圈接觸的螺栓頭部和法蘭盤表面均存在異常擠壓痕跡。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)在機(jī)組運(yùn)行過程中會不可避免地引起上擋風(fēng)板的振動，緊固螺栓和法蘭盤裝配不牢固的情況下，會造成連接螺栓出現(xiàn)松動，螺栓上的螺紋實(shí)際上就同缺口一樣，應(yīng)力集中系數(shù)較高。當(dāng)與法蘭盤發(fā)生異常配合時，在異常接觸位置應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)一步提高，長期在此環(huán)境中服役容易導(dǎo)致疲勞斷裂。另一方面，在斷口形貌中可見，裂紋起始于螺紋根部。在金相組織分析中可見，在螺紋根部表面存在原始折疊缺陷，增大了螺紋表面的粗糙度。同時在螺紋根部應(yīng)力集中較大，在較大的外界循環(huán)載荷作用下，表面折疊缺陷為疲勞裂紋的萌生提供了有利條件，裂紋在螺紋根部萌生并擴(kuò)展。螺紋根部折疊的存在與滾齒成形控制有關(guān)，可能是由于滾輪使用次數(shù)過多或是超期服役，使得滾齒加工能力下降，可能造成螺紋折疊缺陷，此類缺陷樣品可通過入廠檢驗(yàn)進(jìn)行排查。

螺栓的材料化學(xué)成分和力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在斷裂螺栓螺紋根部表面存在原始折疊缺陷，為疲勞裂紋的萌生提供了有利條件。同時，螺栓頭部表面及法蘭盤表面均存在較深壓痕，說明兩者之間墊圈裝配異常，外力作用下接觸面應(yīng)力集中較大，有利于疲勞裂紋的萌生及進(jìn)一步擴(kuò)展。

4　結(jié)語

應(yīng)加強(qiáng)螺栓采購入廠質(zhì)量，提高螺栓入廠合格率，質(zhì)量監(jiān)督人員應(yīng)了解其生產(chǎn)過程及質(zhì)量保證體系，尤其對重要緊固螺栓進(jìn)行100%超聲探傷，排除缺陷樣件。定期檢查在用緊固螺栓是否出現(xiàn)異常松動，裝配過程中是否出現(xiàn)配合不良現(xiàn)象，并出具檢查報(bào)告，確認(rèn)在服役螺栓是否需要更換，提前排除安全隱患。

通過對入廠質(zhì)量的嚴(yán)格把控及對在服役螺栓的一一檢查，有效控制了不合格產(chǎn)品的流入使用，并及時排查更換了存在安全隱患的在服役螺栓，再未出現(xiàn)類似的失效事故。

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Fracture Failure Analysis of Fastening Bolt on Wind Driven Generator

ZHOU Yi1,2, HE Ming-qiang1,2, MEI Hua-sheng1,2, WANG Chang-peng1,2
(1.Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China; 2.Chongqing Engineering Research Center for Environmental Corrosion and Protection, Chongqing 400039, China)

Objective To study the fracture failure reasons of fastening bolt present in a military used wind driven generator. Methods The facture failure reasons of fastening bolt on a military used wind driven generator were analyzed by taking advantage of chemical composition analysis, mechanics property analysis, fracture scanning analysis as well as microstructure analysis and testing. Results The original folded defects at the bottom of fracture bolt thread provided a beneficial condition for the fatigue crack. Meanwhile, there were some abnormalities concerning assembly among the bolt head, fastening washer and flange plate. Hence the contacting area got higher centralized stress under the effect of the external force, making for generation and further expansion of fatigue facture. Conclusion Sstrict quality control of incoming bolts, regular check of bolt in service condition, and timely replacement of bolt with potential safety hazards contribute to preventing the fastening bolt from fracture failure again.

bolts; failure analysis; fold; fatigue fracture

2016-08-06；Revised：2016-08-14

WANG Changpeng（1985—）， Male， from Chongqing， Master， Engineer， Research focus: failure and analysis of materials.

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.028

TM315

A

1672-9242(2016)05-0170-06

2016-08-06；

2016-08-14

周漪（1983—），女，重慶人，高級工程師，主要研究方向?yàn)椴牧檄h(huán)境腐蝕與防護(hù)。

Biography：ZHOU Yi（1983—）， Female， from Chongqing， Senior engineer， bachelor， Research focus: corrosion and protection of materials.

王長朋（1985—），男，重慶人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)椴牧鲜c分析。