風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)用預(yù)應(yīng)力金屬連接桿件材料性能淺析

文 | 程峰，霍宏斌，李鵬，高建輝，華錫江

風(fēng)能是資源潛力大、技術(shù)基本成熟的可再生能源。目前風(fēng)電行業(yè)內(nèi)主要的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)形式為傳統(tǒng)獨(dú)立基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力重力式基礎(chǔ)、梁板式基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力筒型基礎(chǔ)、巖石錨桿基礎(chǔ)等。其中除了傳統(tǒng)重力式基礎(chǔ)使用預(yù)埋基礎(chǔ)環(huán)與塔筒進(jìn)行連接以外，其他基礎(chǔ)形式均以預(yù)應(yīng)力金屬連接桿件進(jìn)行基礎(chǔ)和風(fēng)電機(jī)組塔筒連接。預(yù)應(yīng)力金屬連接桿件根據(jù)其發(fā)展順序主要分為兩類：預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋（精軋螺紋鋼筋）和高合金鋼高強(qiáng)螺桿（高強(qiáng)螺桿）。風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)用預(yù)應(yīng)力金屬連接桿件如果出現(xiàn)材質(zhì)問題，將會(huì)帶來嚴(yán)重的安全隱患。因此，預(yù)應(yīng)力金屬連接桿件質(zhì)量對風(fēng)電基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)安全和促進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。本文擬對此兩種材料進(jìn)行材料力學(xué)性能對比，并淺析一些風(fēng)電項(xiàng)目所出現(xiàn)的精軋螺紋鋼筋斷裂原因。

預(yù)應(yīng)力混凝土用精軋螺紋鋼筋

一、精軋鋼筋材料力學(xué)性能

預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋（也稱精軋螺紋鋼筋）是在整根鋼筋上軋有外螺紋的大直徑、高強(qiáng)度、高尺寸精度的直條鋼筋。該鋼筋在任意截面處都擰上帶有內(nèi)螺紋的連接器進(jìn)行連接或擰上帶螺紋的螺帽進(jìn)行錨固。精軋螺紋鋼筋廣泛應(yīng)用于大型水利工程、工業(yè)和民用建筑中的連續(xù)梁和大型框架結(jié)構(gòu)，公路、鐵路大中跨橋梁、核電站及地錨等工程。預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋技術(shù)條件主要依據(jù)的規(guī)范為《預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋》GB-T20065-2006。它具有連接、錨固簡便，粘著力強(qiáng)，張拉錨固安全可靠，施工方便等優(yōu)點(diǎn)，而且節(jié)約鋼筋，減少構(gòu)件面積和重量。

表1 精軋螺紋鋼筋的公稱直徑、公稱面積及理論重量

表2 精軋螺紋鋼筋的力學(xué)性能

預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋外形采用螺紋狀無縱肋且鋼筋兩側(cè)螺紋為在同一螺旋線上的右旋螺紋，螺紋采用細(xì)牙。

精軋螺紋鋼筋的公稱直徑主要為32mm、40mm及50mm，其公稱面積與理論重量如表1所示。

精軋螺紋鋼筋在鋼的熔煉分析中，硫、磷含量不大于0.035%。鋼筋的力學(xué)性能應(yīng)符合如表2所示的規(guī)定。

供方在保證精軋螺紋鋼筋在1000h松弛性能合格的基礎(chǔ)上，可進(jìn)行10h松弛試驗(yàn)，初始應(yīng)力為公稱屈服強(qiáng)度的80%，松弛率不大于1.5%。

預(yù)應(yīng)力混凝土用精軋螺紋鋼筋在橋梁隧道、護(hù)坡、高鐵等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。在風(fēng)電領(lǐng)域，2009年起在陜西、新疆等地的風(fēng)電場開始采用風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)用精軋螺紋鋼筋作為基礎(chǔ)和塔筒連接件，至今已逾8年時(shí)間。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行情況良好，精軋螺紋鋼筋未出現(xiàn)任何質(zhì)量問題。

二、部分項(xiàng)目精軋螺紋鋼筋斷裂淺析

自2012年起，在廣東、山東等地的風(fēng)電場出現(xiàn)精軋鋼筋斷裂現(xiàn)象，從而引起業(yè)內(nèi)對此種連接金屬構(gòu)件質(zhì)量問題的高度重視?，F(xiàn)以廣東某風(fēng)電場為例進(jìn)行斷裂原因分析。該項(xiàng)目風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)是采用一種后張法無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力基礎(chǔ)（P&H無張力灌注筒型基礎(chǔ)），通過施加預(yù)應(yīng)力，對基礎(chǔ)混凝土產(chǎn)生壓力。在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中預(yù)應(yīng)力金屬構(gòu)件（精軋螺紋鋼筋）內(nèi)部始終具有預(yù)應(yīng)拉力儲(chǔ)備，因此大大降低了風(fēng)電機(jī)組動(dòng)荷載產(chǎn)生的疲勞效應(yīng)；與此同時(shí)，基礎(chǔ)混凝土一直保持受壓無張力狀態(tài)，從而保證混凝土內(nèi)部不出現(xiàn)拉裂縫，降低混凝土疲勞受損。該項(xiàng)目采用國產(chǎn)2MW風(fēng)電機(jī)組，單圈分布112個(gè)孔位。根據(jù)《GB/T20065-2006預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋》相關(guān)材料性能規(guī)定，本項(xiàng)目采用的PSB1080級精軋鋼筋，屈服強(qiáng)度為1080MPa，抗拉強(qiáng)度為1230MPa，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的比值（屈強(qiáng)比）等于0.878，斷后伸長率不小于6%。屈強(qiáng)比和斷后伸長率是判斷鋼材塑性力學(xué)性能最重要的兩個(gè)指標(biāo)。

引起預(yù)應(yīng)力損失的因素主要有以下幾個(gè)原因：1.張拉端錨具變形和精軋鋼筋內(nèi)縮；2.精軋鋼筋的摩擦；3.混凝土加熱養(yǎng)護(hù)時(shí)，精軋鋼筋與承受拉力的設(shè)備之間的溫差；4.精軋鋼筋的應(yīng)力松弛；5.混凝土的收縮和徐變?？紤]到這些因素引起預(yù)應(yīng)力損失，精軋螺紋鋼筋的最終張拉力為490±10MPa。精軋鋼筋屈服強(qiáng)度為1080Mpa, 抗拉強(qiáng)度為1230Mpa，張拉力值為490Mpa（即615.74kN），實(shí)際施加預(yù)應(yīng)力是其屈服強(qiáng)度的45%（國內(nèi)外規(guī)范建議實(shí)際施加預(yù)應(yīng)力上限不應(yīng)超過鋼材屈服強(qiáng)度的70%－80%）。即施加預(yù)應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼材屈服強(qiáng)度，但是根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況，有部分精軋鋼筋斷裂。在拔力未達(dá)到材料屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生斷裂，說明此材料屈服強(qiáng)度未達(dá)到規(guī)范要求。經(jīng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)和專家認(rèn)定，這個(gè)批次的材料非金屬夾雜物超標(biāo)，從而導(dǎo)致材料脆性斷裂，該批次精軋鋼筋強(qiáng)度過高，導(dǎo)致塑性差，斷裂原因是這批次材料不合格。

國家金屬制品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心對斷裂精軋鋼筋進(jìn)行產(chǎn)品檢驗(yàn)，主要檢測的內(nèi)容包含化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相分析檢測，檢測方法根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋》GBT20065-2006中相關(guān)引用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測。化學(xué)成分使用德國Foundry Master臺(tái)式真空火花發(fā)射光譜儀進(jìn)行檢測，其原理是根據(jù)量子學(xué)理論：當(dāng)金屬被能量激發(fā)時(shí)，原子的殼層電子會(huì)被激發(fā)到較高能量級的外層軌道上處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在一定條件下它從較高能級躍遷到較低能級就會(huì)以光的形式釋放出多余的能量，即得到發(fā)射光譜。各種元素都有不同的特征譜線，這些譜線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分光色散，成為按波長排序的一系列連續(xù)光譜，再經(jīng)過電轉(zhuǎn)化元件把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最后計(jì)算機(jī)測量系統(tǒng)就可以通過計(jì)算某元素特征譜線的強(qiáng)度來確定元素的百分含量。力學(xué)性能采用拉力試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)：WAW-2000），主要通過外部施加拉力測得精軋鋼筋的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率等。金相分析通過金相顯微鏡分析系統(tǒng)（型號(hào)：4XC）對精軋鋼筋檢查金屬組織、壓延、鍛造及熱處理等加工處理導(dǎo)致金相組織的變化。《預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋》GB-T20065-2006中規(guī)定精軋鋼筋的硫、磷含量不大于0.035%，化學(xué)成分分析允許偏差符合GB/T222的規(guī)定。斷裂精軋鋼筋的表面硬度較低，而心部硬度較高。斷裂源位于表面粗糙的凹坑區(qū)域，并與斷口內(nèi)部粗糙區(qū)域交匯。該區(qū)域內(nèi)的夾雜、凹坑、疏松、空隙、裂紋等缺陷較多且聚集，組織呈沿晶+解理脆性斷裂；瞬斷區(qū)組織疏松，疏松的孔內(nèi)存在雜質(zhì)，有的雜質(zhì)已經(jīng)脫落變?yōu)榘伎樱辉诖蟀伎雍蛫A雜處已經(jīng)明顯有裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展，組織呈解理+沿晶脆性斷裂。斷裂源與瞬斷區(qū)均有較多雜質(zhì)、空隙，但斷裂源處的疏松情況較瞬斷區(qū)嚴(yán)重，夾雜也較為集中。非斷口處的顯微組織較均勻，局部有少量偏析；非斷口處均有脫碳，這是鋼筋表面維氏硬度偏低的原因。部分?jǐn)嗔言磪^(qū)如圖1所示。

圖1 部分?jǐn)嗔言磪^(qū)內(nèi)夾雜、斷裂等

金相實(shí)驗(yàn)可檢查金屬組織、壓延、鍛造及熱處理等加工處理導(dǎo)致金相組織的變化，金相組織的變化包括晶粒大小、非金屬夾雜物等組織的分布情況及材料的破壞原因判斷等內(nèi)容，從而可分析金屬材料的物理性能和機(jī)械性能。在金相實(shí)驗(yàn)前需取精軋鋼筋斷口處橫截面與縱截面的金相試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕然后使用金相顯微鏡進(jìn)行觀察。通過觀察，發(fā)現(xiàn)在斷口的裂紋邊緣、裂紋間、斷面局部存在較多的帶條狀、大塊狀、點(diǎn)狀?yuàn)A雜和枝晶偏析。在偏析區(qū)域中發(fā)暗處組織為正?；鼗鹎象w；發(fā)亮處組織異常，為淬火馬氏體+回火馬氏體+屈氏體，并有夾雜物存在。馬氏體是一種硬而脆的組織，在使用中受拉伸等交變應(yīng)力作用時(shí)，該組織處易萌生裂紋并擴(kuò)展，甚至斷裂。

由于生產(chǎn)廠家在冶煉時(shí)卷入了氧化皮或除渣不凈，使得鋼筋的表面和內(nèi)部局部存在過多的氧化物夾雜，造成局部區(qū)域內(nèi)組織疏散、夾雜聚集和元素偏析，阻斷了金屬的連續(xù)性。鋼筋熱處理時(shí)，不但沒有改善其組織性能，反而使偏析處產(chǎn)生不良的脆性組織，降低了鋼筋的塑性和韌性，增大了鋼筋的組織能力。鋼筋的外表面脫碳也降低了鋼筋表面的耐磨性，使其綜合性能下降。

高強(qiáng)度合金鋼螺桿

一、高強(qiáng)螺桿力學(xué)性能

高強(qiáng)度合金鋼材料42CrMo是高強(qiáng)螺桿的主要選擇材料，42CrMo鋼具有高強(qiáng)度和韌性，淬透性也較好，無明顯的回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好。該鋼適宜制造要求一定強(qiáng)度和韌性的大、中型塑料模具。其緊固件產(chǎn)品為直徑范圍M30－M64螺桿，兩端各有螺紋。其性能參數(shù)如表3所示。

二、高強(qiáng)螺桿在風(fēng)電基礎(chǔ)領(lǐng)域應(yīng)用情況

自精軋鋼筋出現(xiàn)斷裂問題后，目前國內(nèi)幾乎所有風(fēng)電基礎(chǔ)連接件都已采用高強(qiáng)螺桿。截至目前，P&H無張力灌注樁筒形基礎(chǔ)和巖石錨桿基礎(chǔ)未出現(xiàn)任何高強(qiáng)螺桿斷裂事故。

精軋鋼筋和高強(qiáng)螺桿對比

一、原材料牌號(hào)及化學(xué)成分對比

根據(jù)GB/T 20065-2006精軋螺紋鋼筋生產(chǎn)廠應(yīng)進(jìn)行化學(xué)成分和合金元素的選擇以保證經(jīng)過不同方法加工的成品鋼筋能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力學(xué)性能要求，其中P、S含量不大于0.035%，其主要成分為20MnSi。

高強(qiáng)螺桿原材料主要選擇42CrMo，也會(huì)根據(jù)客戶要求及產(chǎn)品特殊要求選用35CrMo及B7，具體化學(xué)成分如表4所示。

二、生產(chǎn)制造工藝對比

精軋鋼筋生產(chǎn)工藝主要為：熱軋、余熱處理。

高強(qiáng)螺桿生產(chǎn)工藝主要為：

熱軋圓鋼—退火—粗拋—校直—拉拔—下料—淬火—回火—精?！菇恰獫L絲—精拋—達(dá)克羅(可選)。

高強(qiáng)螺桿圓鋼熱軋狀態(tài)交貨后，經(jīng)退火處理，能降低硬度，易于后續(xù)機(jī)加工處理，同時(shí)能細(xì)化晶粒、調(diào)整組織，消除組織缺陷，使成品性能更加穩(wěn)定。高強(qiáng)螺桿進(jìn)行拉拔及達(dá)克羅之前均采用拋丸處理，無任何酸洗工序，能有效避免發(fā)生氫脆現(xiàn)象。熱處理工序?qū)τ诋a(chǎn)品性能的影響至關(guān)重要。

中頻淬火爐摒棄了傳統(tǒng)廂式爐和井式爐加熱不均和對錨栓長度的生產(chǎn)局限性等弊端，加熱均勻、對產(chǎn)品長度加工范圍較大，且能控制產(chǎn)品表面氧化皮厚度，進(jìn)而避免產(chǎn)品表面發(fā)生脫碳現(xiàn)象。螺紋采用滾制而成，同時(shí)選擇熱處理后進(jìn)行滾絲，此種工序安排有以下三點(diǎn)優(yōu)勢：

表3 高強(qiáng)螺桿力學(xué)性能

表4 高強(qiáng)螺桿合金含量

表5 高強(qiáng)螺桿力學(xué)性能

A. 提高螺紋精度，先熱處理后滾絲又避免了螺紋加工后受熱處理變形的影響；

B. 減少螺紋發(fā)生磕碰，熱處理后硬度提高，碰傷減少；

C. 熱處理后滾絲可使螺紋表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，大大提高高強(qiáng)螺桿的疲勞強(qiáng)度。

三、機(jī)械性能參數(shù)對比

精軋螺紋鋼筋性能主要參照GB/T20065-2006，而8.8、10.9級高強(qiáng)螺桿機(jī)械性能主要參照GB/T3098.1（ISO898-1），具體性能參數(shù)如表5所示。

高強(qiáng)螺桿（8.8、10.9級）-40℃低溫沖擊功最小值為27J，因此在低溫環(huán)境中，特別是針對北方地區(qū)的風(fēng)電場，高強(qiáng)度合金鋼可以進(jìn)行更加廣泛的應(yīng)用。

結(jié)論

確保連接塔筒與基礎(chǔ)的金屬構(gòu)件質(zhì)量合格是非常重要的，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，將造成無法挽回的損失。通過預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋和高強(qiáng)螺桿化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相分析的對比，高強(qiáng)螺桿相應(yīng)的規(guī)范要求更加全面和嚴(yán)格，精軋鋼筋相應(yīng)規(guī)范要求較低，容易出現(xiàn)質(zhì)量不合格的情況。經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

1.精軋螺紋鋼筋在風(fēng)電行業(yè)應(yīng)用出現(xiàn)斷裂原因?yàn)榕涡跃堜摻畈牧喜缓细瘢?012年后）。早期（2009年－2011年）采用精軋螺紋鋼筋的項(xiàng)目至今未出現(xiàn)任何問題。

2.高強(qiáng)螺桿屬于高強(qiáng)度合金鋼，相比精軋螺紋鋼筋的材料要求更加嚴(yán)格，增加了對合金的含量、沖擊功的要求等具體要求，從而提高了高強(qiáng)螺桿的韌性。高強(qiáng)螺桿在塑性性能上優(yōu)于精軋螺紋鋼筋（屈強(qiáng)比和斷后伸長率指標(biāo)）。

3.目前風(fēng)電基礎(chǔ)行業(yè)基本取消使用精軋螺紋鋼筋，主要原因是精軋螺紋鋼筋在生產(chǎn)加工過程中存在產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的因素。而高強(qiáng)螺桿在出廠前進(jìn)行兩次探傷和預(yù)張拉，大大提高了產(chǎn)品的合格率。

4.從風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)-塔筒金屬連接構(gòu)件材料發(fā)展來看，應(yīng)在安全的基礎(chǔ)上繼續(xù)研發(fā)新的替代材料，如鋼絞線、碳纖維材料等。

攝影：戴美莉