風力發(fā)電機葉片連接用高強度螺栓斷裂原因

譚彥顯, 黃 珂, 羅書徑

(湖南省產(chǎn)商品質量監(jiān)督檢驗研究院, 長沙 410000)

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，螺栓、螺柱、螺母等標準件在車輛、船舶、橋梁、風力發(fā)電機等大型鋼結構中被廣泛應用。然而，起緊固連接作用的螺栓，尤其是高強度螺栓的受力比較復雜，在其服役過程中頻頻發(fā)生斷裂事故，使各種設備存在重大的安全隱患，造成人力、物力的巨大損失[1-6]。某風力發(fā)電場25臺XE112-2000型風力發(fā)電機組(以下簡稱風機)于2016年8月全部吊裝完成并發(fā)電，2017年3月出現(xiàn)第一臺風機葉片連接用高強度螺栓斷裂事故，隨后其他風機葉片連接用高強度螺栓也較頻繁地出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象，至今累計發(fā)現(xiàn)6臺風機共16根葉片連接用高強度螺栓斷裂。高強度螺栓的正常使用壽命應與產(chǎn)品的結構年限一致，一般為20 a(年)，其中一個斷裂螺栓僅使用1.5 a就發(fā)生了斷裂，屬于早期斷裂，該斷裂螺栓為10.9級φ36 mm×599 mm螺栓，材料為42CrMo鋼，在海拔約為800 m且霧氣較重的環(huán)境下工作，工作溫度為-10～50 ℃，其生產(chǎn)工藝為：下料→平頭倒角→打鋼印→調質處理→車加工→探傷→滾絲→表面處理。

為找到該風力發(fā)電機葉片連接用高強度螺栓的斷裂原因，筆者進行了一系列檢驗與分析，以期減少該類事故的頻繁發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對斷裂螺栓進行觀察，其宏觀形貌如圖1所示?？梢姅嗔盐挥谙尬婚_關及葉片零刻度附近，如圖1a)所示。對斷口進行超聲波清洗，然后進行觀察，可見斷口有大面積較明顯的海灘狀花紋，根據(jù)彎曲弧線的逆向，可找到裂紋源區(qū)，位于螺紋頂部；沿著裂紋擴展方向，可看到光亮細膩的裂紋擴展區(qū)，而粗糙的瞬斷區(qū)所占面積很小，說明最終導致螺栓斷裂的外力較小，斷口整體形貌如圖1b)所示。該螺栓斷口存在3個較明顯的特征區(qū)域，即裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)，表明該螺栓斷裂形式為疲勞斷裂。圖1c)為螺栓斷口處螺紋頂部開裂形貌，可見是沿螺紋牙頂中心位置開裂，且該位置與斷口裂紋源區(qū)重疊，進一步表明裂紋源位于螺紋頂部中心，判斷斷裂應與螺紋頂部內某些缺陷有關。

圖1 斷裂螺栓斷口宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fracture of fractured bolt:a) fracture position; b) morphology of overall fracture; c) morphology of the top of thread

1.2 掃面電鏡分析

采用TESCAN VEGA3型掃描電鏡(SEM)對斷口進行觀察，圖2a)為裂紋源區(qū)的SEM形貌，可見該區(qū)域存在明顯的貝殼狀條帶花紋；圖2b)為瞬斷區(qū)的SEM形貌，可見清晰的解理臺階和河流花樣，為典型的脆性斷裂特征。

圖2 斷裂螺栓斷口SEM形貌Fig.2 SEM morphology of fracture of fractured bolt:a) crack source area; b) transient fracture area

1.3 化學成分分析

用碳硫分析儀和Optima 8000型等離子發(fā)射光譜對斷裂螺栓的化學成分進行分析，結果如表1所示，可見化學成分符合GB/T 3077-2015《合金結構鋼》對42CrMo鋼的技術要求。

表1 斷裂螺栓的化學成分(質量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of fractured bolt (mass fraction) %

1.4 力學性能試驗

根據(jù)GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》的技術要求加工拉伸性能試樣，試樣直徑為φ5 mm。沖擊試驗的試樣尺寸為10 mm×10 mm×50 mm。采用HR-150型數(shù)顯洛氏硬度計、WAW-600型電液伺服材料試驗機及JBD-450W型全自動擺錘沖擊試驗機進行力學性能試驗,結果如表2所示，可見螺栓的各項力學性能均符合GB/T 3098.1-2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》對42CrMo鋼的技術要求。

表2 斷裂螺栓的力學性能試驗結果Tab.2 Test results of mechanical properties of fractured bolt

1.5 金相檢驗

用線切割方法在斷裂螺栓的斷口裂紋源附近及遠離斷口的基體上取縱向金相試樣，試樣經(jīng)打磨、拋光后用體積分數(shù)為4%硝酸酒精溶液浸蝕，然后在GX51F型光學相顯微鏡下進行觀察。

1.5.1 顯微組織觀察

斷裂螺栓遠離斷口的基體顯微組織形貌如圖3所示，可見其顯微組織均勻、晶粒細小，為回火索氏體，是良好的調質態(tài)組織，符合GB/T 3098.1-2010對10.9級42CrMo鋼螺栓的要求。

圖3 斷裂螺栓遠離斷口處心部顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of the center far awayfrom fracture of fractured bolt

1.5.2 表面脫碳層檢驗

根據(jù)GB/T 3098.1-2010的技術要求，對遠離斷口處進行脫碳層檢驗，結果如圖4所示，未發(fā)現(xiàn)有全脫碳或半脫碳現(xiàn)象，符合標準的要求；且螺紋表層組織呈纖維狀，符合冷塑性加工變形(滾壓成形)的特點。

圖4 斷裂螺栓遠離斷口處的螺紋中徑表層形貌Fig.4 Surface morphology of thread pitch diameter far awayfrom fracture of fractured bolt

1.5.3 螺紋根部及頂部微裂紋檢驗

螺紋根部顯微組織形貌如圖5所示，可見表層組織亦呈纖維狀，是冷塑性加工變形(滾壓成形)后的痕跡，螺紋根部表面光滑，無脫碳、裂紋。斷口處螺紋頂部存在許多細小裂紋，裂紋附近的顯微組織與螺栓心部的一致，為回火索氏體，裂紋呈樹枝狀，有主裂紋和若干條分叉裂紋，形貌如圖6a)所示。斷口處螺紋上的裂紋位于螺紋頂部的中間位置，其走向與金屬變形的流線相關。除斷口處的螺紋存在微裂紋外，遠離斷口的螺紋均有該種裂紋，如圖6b)所示。此外，在個別螺紋的腰部也存在類似的微裂紋，如圖6c)所示。

圖5 斷裂螺栓螺紋根部顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of thread root of fractured bolt

圖6 斷裂螺栓不同位置螺紋的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of treads at differentpositions of fractured bolt:a) top of thread at fracture; b) top of thread away from fracture;c) waist of thread away from fracture

2 分析與討論

2.1 斷裂原因分析

由圖2的斷口SEM形貌可知，在斷裂螺栓的裂紋源區(qū)存在疲勞斷裂形成的貝殼狀條帶花紋，瞬斷區(qū)呈脆性斷裂特征，屬于典型的疲勞斷裂。疲勞斷裂分為裂紋源的萌生、裂紋緩慢擴展和瞬斷3個階段，疲勞壽命即為這3階段之和。裂紋源的萌生和擴展決定了疲勞壽命的長短，尤其是第一階段在構件的疲勞總壽命中常常占有很大比例[7]。疲勞裂紋源的萌生與很多因素有關，如表面粗糙度、表面應力狀態(tài)、循環(huán)載荷的大小及零件原材料自身的某些缺陷等。如果零件原材料已具備可直接擴展的裂紋源，則無裂紋源的萌生階段，使零件的疲勞壽命大大降低，造成零件的早期疲勞斷裂。該斷裂螺栓的疲勞裂紋源位于螺紋處，如圖1b)所示，而在圖1c)中可清楚地看到螺紋沿頂部中間開裂，說明螺紋中間(頂部)為疲勞裂紋源。由金相檢驗結果可知，不管是斷口處螺紋或遠離斷口其他位置螺紋的頂部都存在樹枝狀的微裂紋，且位置與圖1c)裂紋的一致，為螺紋頂部偏中心處，證明螺紋頂部為疲勞裂紋源。因此判斷早期疲勞斷裂的原因是螺紋頂部存在微裂紋源。

2.2 螺紋頂部微裂紋形成原因分析

由圖6可知，螺紋頂部偏中心位置均存在樹枝狀微裂紋。有文獻[8-9]指出，應力腐蝕裂紋常常產(chǎn)生大量分叉，并在大致垂直于影響其產(chǎn)生及擴展的應力方向上連續(xù)擴展；且在檢驗過中，將金相試樣放置2～3 d后觀察，裂紋更加清晰，具有延滯開裂的特點，與應力腐蝕開裂的特點吻合[10]。應力腐蝕開裂通常是在很低的拉應力及腐蝕介質聯(lián)合作用下，沿某些冶金、焊接或結構缺陷(包括尖角、內應力集中處)優(yōu)先腐蝕形成裂紋源。由螺栓成形工藝可知，該螺栓先調質處理后滾壓成形，使得螺紋根部、頂部及側面顯微組織具有纖維狀的流線變形形態(tài)如圖4所示，這種加工成形方式雖然避免了調質時的高溫氧化脫碳現(xiàn)象，使材料易于滿足GB 3098.1-2010不脫碳的要求。但材料在調質處理后強度高，滾壓成形后形成的殘余內應力較大，容易突破應力腐蝕開裂門檻值，為應力腐蝕開裂提供了條件，其次應力腐蝕開裂對其環(huán)境的要求并不十分荷刻，如潮濕的空氣、海洋氣氛、工業(yè)環(huán)境、農村環(huán)境都有可能引發(fā)零件的應力腐蝕開裂。

通常認為，螺紋的滾壓成形工藝在表面會形成壓應力，有助于疲勞壽命的提高，因而滾壓成形工藝在螺紋的加工中被廣泛采用[11]。但實際上滾壓成形的螺紋由于外側表面受到擠壓，螺紋頂部的中心會產(chǎn)生反作用力，使該處實為拉應力狀態(tài)。由圖5可知螺紋根部無微裂紋，也證明了螺紋頂部中心位置為拉應力狀態(tài)，滿足了應力腐蝕開裂為拉應力狀態(tài)的條件。螺紋在滾壓成形過程中，由于加工硬化導致材料的塑性變形抗力增大，硬度和強度提高，而塑性和韌性下降，也極大地增加了在螺紋頂部產(chǎn)生微裂紋和折疊等缺陷的可能[12]，雖然在GB/T 5779.1-2000《緊固件表面缺陷 螺栓、螺釘和螺柱 一般要求》、GB/T 5779.2-2000《緊固件表面缺陷 螺母》中允許螺栓內部存在不影響使用的裂紋，但如圖1c)所見，螺栓會沿這一缺陷位置開裂，降低力學性能。筆者認為,經(jīng)先調質后滾壓成形的螺紋，因受到加工硬化的影響，其材料變形抗力增大，增加了螺紋的表面缺陷，導致螺紋頂部偏中心處極易出現(xiàn)應力腐蝕裂紋，對此螺栓的生產(chǎn)企業(yè)和使用單位應予以重視。

由于GB 3098.1-2010中對螺紋的脫碳層深度有嚴格要求，為了避免脫碳，生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)高強度螺栓時往往采用先調質后滾壓成形的機械加工成形方法，但該方法很難避免螺紋缺陷的產(chǎn)生，引起腐蝕疲勞斷裂。

3 結論及建議

XE112-2000型風力發(fā)電機葉片連接用高強度螺栓的斷裂形式為腐蝕疲勞斷裂。主要原因是螺栓的螺紋成形工藝為先調質后滾壓成形，滾壓成形的螺紋由于外側表面受到擠壓使頂部實為拉應力狀態(tài)，又因為螺栓受到加工硬化的影響，其材料變形抗力增大，增加了螺紋產(chǎn)生微裂紋和表面缺陷的可能，導致螺紋頂部偏中心處產(chǎn)生應力腐蝕裂紋，在之后的服役過程中，由于疲勞作用，裂紋處產(chǎn)生應力集中，導致裂紋快速擴展，最終發(fā)生腐蝕疲勞斷裂。

為減少螺紋缺陷，避免腐蝕疲勞斷裂，材料應在具有較高的塑性和韌性時進行加工，使?jié)L壓產(chǎn)生的殘余應力小于應力腐蝕開裂門檻值。為減少表面缺陷，建議在調質處理后，采用熱滾壓的方法，加工前先退火以降低變形抗力，再進行滾壓成形，最后進行調質處理來提高材料的強度，且調質處理應在還原性氣氛爐內進行，以避免螺紋的氧化脫碳。同時，為確保螺紋表面為壓應力，在表面處理前增加一道噴丸處理工序。