風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓的失效形式分析

劉永超，郭德瑞，李 帥，劉 楊

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司火力發(fā)電技術(shù)研究院，北京100040)

0 引言

隨著我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，綠色低碳型能源產(chǎn)業(yè)得到了大力推廣。風(fēng)電作為清潔電力，截至2019年底我國風(fēng)電累計并網(wǎng)裝機(jī)容量已超到2億kW，全國風(fēng)電平均利用率達(dá)到96%。因此，風(fēng)電機(jī)組的持續(xù)安全運(yùn)行，為能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型提供了堅實的保障。

近年來，風(fēng)電機(jī)組發(fā)生多起倒塔事故，對事故原因進(jìn)行分析總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，多數(shù)倒塔事故是由風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓斷裂所導(dǎo)致的。風(fēng)電機(jī)組屬于大型裝備，高強(qiáng)度螺栓是其重要的連接件，會直接影響風(fēng)電機(jī)組的承載能力、使用壽命及安全性能[1]。因此，針對風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行全面的失效形式分析，對預(yù)防風(fēng)電機(jī)組倒塔事故具有重要意義。

1 風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓的受力狀況

大型風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的螺栓，如塔筒地腳螺栓、塔筒法蘭螺栓、偏航系統(tǒng)用螺栓、主軸螺栓，以及葉片螺栓，均采用高強(qiáng)度螺栓；而關(guān)鍵部件之間的連接又均是采用圓形法蘭上均布高強(qiáng)度螺栓的方式，且法蘭上的螺栓布置地很密集，數(shù)量常接近甚至超過100個；此外，關(guān)鍵部件連接結(jié)合面之間一般無受力止口、剪切銷等徑向承載結(jié)構(gòu)[2]。與此同時，風(fēng)電機(jī)組還承受了復(fù)雜的荷載作用，如風(fēng)荷載、覆冰荷載、地震荷載、溫度應(yīng)變荷載等。因此，根據(jù)使用環(huán)境不同，對上述關(guān)鍵部件的高強(qiáng)度螺栓分別進(jìn)行受力分析，有利于了解螺栓的失效機(jī)理，提前預(yù)防螺栓斷裂事件的發(fā)生。

1.1 塔筒地腳螺栓

塔筒地腳螺栓主要是指塔筒與基礎(chǔ)連接處的高強(qiáng)度螺栓，塔筒與基礎(chǔ)的連接形式如圖1所示。塔筒地腳螺栓的受力特點取決于塔式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)的受力狀況，而塔式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)的受力特點取決于其上部結(jié)構(gòu)的受力特點[3]。塔式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)起到將塔筒上部結(jié)構(gòu)所承受的全部荷載和作用安全可靠地傳遞到地基中，并保持結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的作用。

圖1 塔筒與基礎(chǔ)的連接形式Fig. 1 Connection form of tower and foundation

塔筒上部結(jié)構(gòu)承受多種荷載的作用，但傳遞到塔筒地腳螺栓的荷載主要是橫向風(fēng)荷載。

塔筒筒底底面的受力簡圖如圖2所示。其中，N為塔筒上部結(jié)構(gòu)傳至筒底底面的軸向應(yīng)力；M為塔筒上部結(jié)構(gòu)傳至筒底底面的總彎矩；A為塔筒筒底底面的面積；I為塔筒筒底底面的慣性矩；r1為塔筒筒底法蘭的最邊緣圓半徑；r2為塔筒外側(cè)筒壁圓半徑；r3為塔筒內(nèi)側(cè)筒壁圓半徑；r4為塔筒筒底法蘭最內(nèi)緣圓半徑；h為塔筒筒底法蘭的高度；d為受力截面距塔筒筒底底面的距離；H為受力截面水平應(yīng)力。

圖2 塔筒筒底底面的受力簡圖Fig. 2 Force diagram of tower bottom

通過對塔筒筒底進(jìn)行靜力受力分析發(fā)現(xiàn)，塔筒承受的重力、水平風(fēng)力及其力矩會傳至塔筒筒底，均布荷載Ps可表示為：

塔筒與基礎(chǔ)之間的高強(qiáng)度螺栓使塔筒與基礎(chǔ)始終保持?jǐn)D壓貼合的狀態(tài)，所以此部位的高強(qiáng)度螺栓在無風(fēng)力作用的情況下呈現(xiàn)恒定拉應(yīng)力，且所有高強(qiáng)度螺栓承受的拉應(yīng)力P相同。當(dāng)塔筒承受風(fēng)荷載時，結(jié)合上述塔筒筒底底面的受力情況可知，迎風(fēng)側(cè)高強(qiáng)度螺栓承受額外風(fēng)荷載傳遞的拉應(yīng)力Nt，背風(fēng)側(cè)高強(qiáng)度螺栓則承受與迎風(fēng)側(cè)拉應(yīng)力相同的壓應(yīng)力Nt′，具體如圖3所示。其中，C為無風(fēng)時塔筒法蘭承受的壓應(yīng)力；Cf為存在風(fēng)荷載時塔筒法蘭承受的壓應(yīng)力；Pf為存在風(fēng)荷載時高強(qiáng)度螺栓承受的拉應(yīng)力。

圖3 不同情況下塔筒與基礎(chǔ)之間的高強(qiáng)度螺栓的受力示意圖Fig. 3 Force diagram of high-strength bolt between tower tube and foundation under different conditions

承受荷載最大的高強(qiáng)度螺栓的最大工作荷載分布線密度Pm可表示為[2]：

式中，F(xiàn)m為高強(qiáng)度螺栓承受的最大工作荷載；D為高強(qiáng)度螺栓分布時形成的圓的直徑；n為高強(qiáng)度螺栓的數(shù)量。

由于風(fēng)電機(jī)組主要運(yùn)行在沿海、河道及比較空曠的區(qū)域，這些區(qū)域全年多為大風(fēng)天氣，而且風(fēng)速變化幅度較大，最低風(fēng)速為20 m/s，而最高風(fēng)速可達(dá)28 m/s。風(fēng)力的變化導(dǎo)致塔筒地腳螺栓內(nèi)部的拉應(yīng)力不斷變化，綜合其他受力因素后發(fā)現(xiàn)，塔筒地腳螺栓主要承受風(fēng)力帶來的交變拉應(yīng)力。

1.2 塔筒法蘭螺栓

風(fēng)電機(jī)組塔筒法蘭螺栓是連接風(fēng)電機(jī)組筒節(jié)與筒節(jié)的重要高強(qiáng)度螺栓，筒節(jié)與筒節(jié)連接處的法蘭螺栓示意圖如圖4所示。風(fēng)電機(jī)組整體塔筒結(jié)構(gòu)的可靠性主要取決于塔筒法蘭螺栓的可靠性。結(jié)合上述塔筒地腳螺栓的受力特征可知，塔筒法蘭螺栓也承受與其類似的荷載。因此，筒節(jié)與筒節(jié)連接處的法蘭螺栓的受力特點主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力荷載，隨著風(fēng)力的變化受力表現(xiàn)為交變拉應(yīng)力。

圖4 筒節(jié)與筒節(jié)連接處的法蘭螺栓示意圖Fig. 4 Schematic diagram of connecting flange bolts between cylinder sections

進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的受力分析時，通常將筒節(jié)與筒節(jié)之間的法蘭螺栓的受力分析簡化為單根高強(qiáng)度螺栓的受力分析，而受力最不利的法蘭螺栓組合件所受拉應(yīng)力Z可表示為[4]：

式中，Mxy為塔筒截面彎矩；Wxy為塔筒截面抵抗矩；d1為塔筒筒壁的外徑；t為塔筒筒壁的厚度；Fz為塔筒截面軸向力。

結(jié)合工程實際應(yīng)用，可得Z與Mxy的關(guān)系曲線如圖5所示。由關(guān)系曲線可知，Z隨Mxy的波動而變化。

圖5 Z-Mxy關(guān)系曲線Fig. 5 Z-Mxy curve

1.3 偏航系統(tǒng)用螺栓

風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)連接及功能實現(xiàn)均依靠高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行緊固和傳力，因此偏航系統(tǒng)用螺栓在偏航系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。圖6為偏航系統(tǒng)與塔頂法蘭的連接方式示意圖。

圖6 偏航系統(tǒng)與塔頂法蘭的連接方式示意圖Fig. 6 Schematic diagram of connection mode between yaw system and tower top flange

偏航系統(tǒng)用螺栓連接的可靠性決定著塔筒與偏航齒圈之間連接的可靠性。而偏航系統(tǒng)振動過程中的軸向荷載、轉(zhuǎn)矩及傾覆力矩將直接影響高強(qiáng)度螺栓連接的可靠性及大型風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全性[5]。偏航系統(tǒng)用螺栓中，偏航軸承連接用螺栓同時承受拉應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)力矩，其中軸承轉(zhuǎn)動時引起的扭轉(zhuǎn)力矩起主要作用。因此，偏航軸承連接用螺栓的損傷形式以扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力引起的切應(yīng)變或斷裂為主。

偏航軸承連接用螺栓的等效應(yīng)力σr可表示為：

式中，σz為偏航軸承連接用螺栓的軸向拉應(yīng)力；τ為偏航軸承連接用螺栓的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力；kτ為減縮系數(shù)。

其中，τ可表示為[6]：

式中，MG為偏航軸承連接用螺栓中螺紋處的扭轉(zhuǎn)力矩；Wp為抗扭系數(shù)；FM為預(yù)緊力；d2為中徑；P′為螺距；d0為應(yīng)力截面積處的等效直徑；μG為螺紋處的摩擦因數(shù)。

1.4 主軸螺栓

主軸螺栓是連接輪轂和主軸的重要高強(qiáng)度連接件，其連接方式如圖7所示。

圖7 輪轂與主軸的連接示意圖Fig. 7 Schematic diagram of connection between hub and spindle

由于主軸螺栓的受力方向及類別較多，因此在分析輪轂與主軸連接處的高強(qiáng)度螺栓的受力情況之前，首先應(yīng)建立如圖8所示的輪轂計算坐標(biāo)系。其中，MYN、MZN分別為YN、ZN方向的扭矩；FXN、FYN、FZN分別為XN、YN、ZN方向的水平力。

圖8 輪轂計算坐標(biāo)系Fig. 8 Calculation coordinate system for wheel hub

通過對輪轂與主軸連接處的高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行受力分析后發(fā)現(xiàn)，輪轂中心YN、ZN方向的扭矩及XN方向的水平力對螺栓應(yīng)力的影響較小，對螺栓疲勞貢獻(xiàn)不大，可不考慮；而風(fēng)輪中心扭矩MXN，以及FYN、FZN是影響螺栓的剪切應(yīng)力，且MXN是造成螺栓被破壞的主要因素[7]。

風(fēng)輪中心扭矩傳遞到輪轂與主軸連接的高強(qiáng)度處螺栓后表現(xiàn)為剪切應(yīng)力，可表示為[8]：

式中，F(xiàn)s為輪轂與主軸連接處的高強(qiáng)度螺栓受到的剪切應(yīng)力。

1.5 葉片螺栓

葉片螺栓是用于連接風(fēng)輪葉片與輪轂的高強(qiáng)度螺栓。由于風(fēng)輪葉片的工作環(huán)境最為惡劣，既承受風(fēng)力變化帶來的交變荷載，又承受環(huán)境的氧化腐蝕，而且風(fēng)電機(jī)組要求風(fēng)輪葉片能夠承受較大的過載，以應(yīng)對超強(qiáng)風(fēng)力的破壞，因此葉片螺栓易發(fā)生疲勞斷裂、松動、蠕變及脆斷等現(xiàn)象。而葉片螺栓的損傷將直接導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組停止工作，嚴(yán)重情況下還會造成葉片掉落，發(fā)生安全事故。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中風(fēng)輪葉片與輪轂承受的各類荷載表現(xiàn)在葉片螺栓上為拉應(yīng)力和切應(yīng)力。葉片螺栓的等效拉應(yīng)力PL可表示為[7]：

式中，PZ為風(fēng)輪葉片的等效軸向拉應(yīng)力；PM為傾覆力矩；FZ為螺栓受到的拉應(yīng)力；Mmax為風(fēng)輪葉片傳遞給葉片螺栓的最大扭矩。

在式(7)中，當(dāng)風(fēng)輪葉片的等效軸向拉應(yīng)力使結(jié)合面壓緊時，PM取負(fù)號；當(dāng)風(fēng)輪葉片的等效軸向拉應(yīng)力使結(jié)合面分開時，PM取正號。

而對于葉片螺栓上的切應(yīng)力計算而言，葉片螺栓的等效切應(yīng)力FQ可表示為：

式中，F(xiàn)XY為葉片螺栓受到的切應(yīng)力；MZ為葉片螺栓受到的扭矩。

1.6 小結(jié)

通過上文對風(fēng)電機(jī)組各關(guān)鍵部件高強(qiáng)度螺栓的受力分析可以發(fā)現(xiàn)：

1)塔筒地腳螺栓主要承受由風(fēng)荷載變化帶來的交變拉應(yīng)力；

2)塔筒法蘭螺栓的受力情況和地腳螺栓相似，主要承受交變拉應(yīng)力；

3)偏航系統(tǒng)用螺栓主要承受由扭轉(zhuǎn)動作帶來的切應(yīng)力；

4)主軸螺栓主要承受風(fēng)輪轉(zhuǎn)動所帶來的扭矩，表現(xiàn)為剪切應(yīng)力，由于風(fēng)力變化會導(dǎo)致葉輪轉(zhuǎn)速提高或降低，因此剪切應(yīng)力也會隨著風(fēng)荷載的變化而變化；

5)葉片螺栓主要承受風(fēng)力引起的交變拉應(yīng)力與切應(yīng)力。

由此可見，風(fēng)電機(jī)組各關(guān)鍵部件用高強(qiáng)度螺栓的受力情況主要與風(fēng)荷載的變化有關(guān)，風(fēng)荷載的變化會導(dǎo)致塔筒與基礎(chǔ)、筒節(jié)與筒節(jié)、偏航系統(tǒng)與塔頂連接處螺栓的內(nèi)部應(yīng)力不斷發(fā)生變化，這種應(yīng)力表現(xiàn)為交變應(yīng)力。

此外，風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中除會受到空氣動力荷載、重力荷載、慣性力荷載、尾流荷載等基本荷載外，還會受到覆冰、波浪、地震的影響；而各關(guān)鍵部件連接處的高強(qiáng)度螺栓除承受上述基本荷載外，還需要承受各種波動性的額外作用力[2]。比如，根據(jù)某風(fēng)電場提供的數(shù)據(jù)，該風(fēng)電場全年大風(fēng)天氣多，且風(fēng)速變化大，最低風(fēng)速為20 m/s，最高風(fēng)速為28 m/s[8]。因此，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境導(dǎo)致各關(guān)鍵部件的高強(qiáng)度螺栓易發(fā)生疲勞損傷。而高強(qiáng)度螺栓在安裝時若預(yù)緊力施加過大，也會造成其發(fā)生過載斷裂。

2 風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓的常見失效形式及預(yù)防措施

根據(jù)各類風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓斷裂事故和受力分析情況，風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓的主要失效形式可歸納為疲勞斷裂、脆性斷裂、變形脫扣等。

2.1 疲勞斷裂

高強(qiáng)度螺栓在承受彎曲拉應(yīng)力多次循環(huán)作用后，首先會產(chǎn)生微觀尺度上的裂紋，隨后裂紋擴(kuò)至臨界尺寸后，高強(qiáng)度螺栓發(fā)生斷裂。高強(qiáng)度螺栓發(fā)生斷裂的本質(zhì)是其結(jié)構(gòu)的有效承載面積及有效抗彎剛度逐步缺失。疲勞破壞起源于高應(yīng)力的局部，對于螺桿而言，其危險區(qū)域位于自身的外表面[9]。

高強(qiáng)度螺栓產(chǎn)生疲勞斷裂的因素包括：

1)應(yīng)力集中。風(fēng)電機(jī)組位于風(fēng)力較大的區(qū)域，為了防止高強(qiáng)度螺栓松動，安裝時會加載一定量的預(yù)緊力，但會使螺栓根部出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

2)交變應(yīng)力。風(fēng)電機(jī)組所在區(qū)域的風(fēng)力變化幅度較大，會出現(xiàn)風(fēng)速最小時為20 m/s、最大時為28 m/s的交變，且風(fēng)電機(jī)組需要常年在這種交變應(yīng)力下工作。

3)由于安裝與維護(hù)時高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力不足，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中的振動加劇。

4)若高強(qiáng)度螺栓的材料性能、機(jī)械加工存在缺陷，當(dāng)螺栓出現(xiàn)微裂紋時會造成裂紋處應(yīng)力急劇集中，加快裂紋擴(kuò)展速率，最終導(dǎo)致高強(qiáng)度螺栓失效斷裂。

5)若高強(qiáng)度螺栓存在腐蝕情況，且當(dāng)腐蝕達(dá)到一定深度時，會導(dǎo)致高強(qiáng)度螺栓的剛度下降，加劇疲勞損傷速度。

針對上述疲勞斷裂因素，提出以下預(yù)防措施：

1)現(xiàn)場操作時嚴(yán)格控制施加的預(yù)緊力，規(guī)范操作方法，定期標(biāo)定扭矩扳手，以減少誤差值，確保扭矩扳手的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；

2)加強(qiáng)高強(qiáng)度螺栓材料的熱處理綜合力學(xué)性能，追求高強(qiáng)度和高硬度的同時，保證高強(qiáng)度螺栓具有相應(yīng)的塑性和斷裂韌性[10]；

3)做好高強(qiáng)度螺栓的防腐蝕措施，避免其的防銹漆脫落。

2.2 脆性斷裂

高強(qiáng)度螺栓的脆性斷裂產(chǎn)生機(jī)理主要是與腐蝕環(huán)境和高強(qiáng)度螺栓內(nèi)應(yīng)力有關(guān)。而對于常年工作在具有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組而言，在腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力協(xié)同影響下，高強(qiáng)度螺栓會發(fā)生應(yīng)力腐蝕，隨著腐蝕的不斷加重，最終導(dǎo)致螺栓脆性斷裂。

高強(qiáng)度螺栓產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的影響因素包括：

1)殘余應(yīng)力。高強(qiáng)度螺栓機(jī)械加工或熱處理時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，一般指拉應(yīng)力。

2)腐蝕介質(zhì)。若高強(qiáng)度螺栓長期接觸的環(huán)境存在其敏感的腐蝕介質(zhì)，如大氣環(huán)境中Cl元素含量較高時，易造成腐蝕。

3)高強(qiáng)度螺栓的防腐措施不足。

因高強(qiáng)度螺栓脆性斷裂而引起的失效事故不多，這與高強(qiáng)度螺栓具有一定的抗腐蝕性密切相關(guān)。但由于海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境的腐蝕情況難以改變，因此對于預(yù)防高強(qiáng)度螺栓脆性斷裂的方法只有加強(qiáng)高強(qiáng)度螺栓的防腐措施。比如：1)進(jìn)行防銹處理，將高強(qiáng)度螺栓表層的腐蝕銹層清理干凈，刷涂防銹漆，并定時檢測螺栓的腐蝕情況，隨時補(bǔ)刷防銹漆；2)對于腐蝕嚴(yán)重的高強(qiáng)度螺栓，應(yīng)予以更換，更換的螺栓需要進(jìn)行達(dá)克羅處理[11]。

2.3 變形脫扣

高強(qiáng)度螺栓的失效形式還包括變形脫扣，其主要表現(xiàn)形式為螺栓整體被拉長或螺母脫扣，失去緊固效果。變形脫扣的原因包括：

1)材料本身屈服強(qiáng)度低或熱處理工藝不合理，易于產(chǎn)生塑性；

2)螺紋機(jī)械加工存在缺陷，造成螺紋受力后脫落；

3)安裝與維護(hù)時高強(qiáng)度螺栓的預(yù)緊力不均勻，造成個別螺栓預(yù)緊力遠(yuǎn)大于其他螺栓的。

因此，在選用和更換高強(qiáng)度螺栓時，要嚴(yán)格按照設(shè)計文件的規(guī)定，禁止使用低于設(shè)計強(qiáng)度的螺栓。另外，施加預(yù)緊力時要應(yīng)用力矩扳手，防止預(yù)緊力加載過大。

3 金屬監(jiān)督建議

針對高強(qiáng)度螺栓的疲勞斷裂的影響因素，本文總結(jié)了幾點金屬監(jiān)督建議以供參考：

1)采購螺栓時，需要對新螺栓進(jìn)行金屬檢測，如進(jìn)行硬度、金相檢測，以驗證螺栓組織及強(qiáng)度情況，并進(jìn)行超聲、磁粉檢測，以確保螺栓表面及其內(nèi)部無原始缺陷。

2)螺栓服役時，需根據(jù)螺栓運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行定期檢測，利用超聲檢測、聲振檢測等方法對疲勞裂紋進(jìn)行檢測，若發(fā)現(xiàn)裂紋應(yīng)及時進(jìn)行更換，防止裂紋擴(kuò)展，造成螺栓斷裂。

3)螺栓服役時，需定期檢測螺栓的預(yù)緊力，保持各螺栓預(yù)緊力符合設(shè)計要求，防止由于各螺栓預(yù)緊力不均勻而造成的額外疲勞損傷。檢測方式可采用超聲測距、聲振檢測等方法。

4 結(jié)論

本文對風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件高強(qiáng)度螺栓的受力情況和其存在的失效形式進(jìn)行了梳理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然各部件的高強(qiáng)度螺栓的受力狀態(tài)各不相同，但其失效形式基本類似，主要有疲勞斷裂、脆性斷裂和變形脫扣等，其中，疲勞斷裂是最為常見的高強(qiáng)度螺栓失效形式，也是造成各類倒塔事故發(fā)生的主要影響因素。因此，風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓金屬監(jiān)督的主要任務(wù)是關(guān)注螺栓的疲勞斷裂。

采用本文針對不同高強(qiáng)度螺栓失效形式提供的防范措施，及時進(jìn)行相應(yīng)處理或更換不符合要求的螺栓，一方面可保障風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行，另一方面可以避免高強(qiáng)度螺栓過度更換而造成的高維修成本。因此，針對風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓失效機(jī)理進(jìn)行討論并采取預(yù)防措施，對風(fēng)電機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。