風(fēng)機(jī)葉根螺栓斷裂失效分析

姚紅賓，姚景占，皇甫瑋，姚兵印，張 玉，孫維鵬

（1.華能河北清潔能源分公司，河北石家莊 050051；2.西安熱工研究院有限公司，陜西西安 710032；3.省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安 710048）

0 引言

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件，通過(guò)旋轉(zhuǎn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，葉片通過(guò)在一定預(yù)緊力和外部載荷作用下的葉片根部螺栓與風(fēng)力機(jī)連接，由于葉片根部在運(yùn)行過(guò)程中承受多種載荷的共同作用，載荷通過(guò)葉根螺栓連接傳遞給輪轂，葉根既是承受應(yīng)力復(fù)雜的部位，也是載荷最大的部位，因而葉根螺栓經(jīng)常發(fā)生疲勞斷裂[1-2]。風(fēng)機(jī)運(yùn)行在惡劣環(huán)境，葉片在交變載荷作用下連接螺栓的工作強(qiáng)度增加，螺栓振動(dòng)過(guò)大，導(dǎo)致螺栓松動(dòng)，增加了螺栓的疲勞載荷，螺栓失效從初始裂紋開(kāi)始，直到發(fā)生疲勞斷裂，從而縮短其使用壽命[3-4]。因此，風(fēng)電場(chǎng)做好葉片螺栓的維護(hù)工作，避免螺栓斷裂導(dǎo)致巨大的危險(xiǎn)隱患和經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[5-9]。

某風(fēng)電場(chǎng)多臺(tái)機(jī)組陸續(xù)出現(xiàn)葉片根部螺栓斷裂問(wèn)題（圖1）。風(fēng)電機(jī)組型號(hào)為WD107-2000，共涉及10臺(tái)機(jī)組，累計(jì)斷裂96顆螺栓。葉片根部螺栓斷裂原因復(fù)雜，原因分析時(shí)間長(zhǎng)，因此故障發(fā)生后立即采取臨時(shí)處理措施，按照斷一換三原則將斷裂螺栓更換為新螺栓，恢復(fù)風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。針對(duì)風(fēng)電機(jī)組該型號(hào)葉根螺栓斷裂原因進(jìn)行分析，確認(rèn)螺栓斷裂模式為疲勞斷裂，提出改進(jìn)措施，為風(fēng)電場(chǎng)的安全運(yùn)行提供依據(jù)。

圖1 風(fēng)機(jī)葉片根部螺栓斷裂

1 葉根螺栓斷裂檢查分析

螺栓作為最常見(jiàn)的裝配連接方式，廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片緊固連接，失效經(jīng)常發(fā)生在葉根螺栓而非葉片上。風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行在惡劣環(huán)境，承受動(dòng)態(tài)載荷和靜態(tài)載荷，隨著風(fēng)機(jī)葉片的運(yùn)行，葉根螺栓斷裂故障頻發(fā)，部分螺栓出現(xiàn)斷裂很容易造成其他螺栓接連斷裂，最終發(fā)生葉片從輪轂脫落到地面的危險(xiǎn)，嚴(yán)重影響風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。為減少葉根螺栓斷裂故障，避免后續(xù)嚴(yán)重故障發(fā)生，對(duì)葉片進(jìn)行全面的檢查分析并及時(shí)采取相應(yīng)措施。

1.1 螺栓性能分析

（1）螺栓質(zhì)量分析。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)的葉片螺栓進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能、磁粉探傷和扭矩系數(shù)等項(xiàng)目檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果符合技術(shù)要求，可以排除螺栓質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致葉片根部螺栓斷裂。

（2）螺栓強(qiáng)度分析。對(duì)該風(fēng)電場(chǎng)葉片根部螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核，分析極限強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度：極限強(qiáng)度安全系數(shù)1.046（要求＞1），疲勞損傷因子0.6567（要求＜1）。葉根螺栓強(qiáng)度校核結(jié)果表明該風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組螺栓符合設(shè)計(jì)要求，確定葉根螺栓斷裂非螺栓強(qiáng)度問(wèn)題。

（3）螺栓力矩分析。液壓扳手設(shè)定輸出扭矩，保證每顆螺栓的預(yù)緊力和扭矩一致，增強(qiáng)螺栓的緊固性和使用壽命，法蘭面載荷均勻，有利于風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。使用液壓扳手既能在省力的同時(shí)提高效率，又能使定期緊固維護(hù)檢查工作的準(zhǔn)確性得到保證，因此檢查螺栓力矩的液壓扳手在風(fēng)電場(chǎng)中格外重要[10]。該風(fēng)電場(chǎng)液壓扳手每年都經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)，檢測(cè)顯示相關(guān)指標(biāo)符合技術(shù)要求，液壓扳手校準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)表1，故葉根螺栓斷裂不是螺栓力矩的問(wèn)題。液壓扳手檢測(cè)正常，保證了葉根螺栓輸出和設(shè)定扭矩的準(zhǔn)確性，避免了葉根螺栓緊固時(shí)預(yù)緊力不一致，排除葉根螺栓因受力不均而導(dǎo)致的螺栓斷裂情況。

表1 液壓扳手校準(zhǔn)結(jié)果

（4）螺栓平面度分析。預(yù)埋螺栓套在外力作用下被壓實(shí)，玻璃鋼脫模后螺栓套可能不在一個(gè)平面，與法蘭裝配，螺栓套平面度差，導(dǎo)致螺栓斷裂。針對(duì)葉根螺栓斷裂進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢査，發(fā)現(xiàn)法蘭和螺栓套之間存在明顯間隙，通過(guò)塞尺測(cè)量?jī)烧唛g隙，從側(cè)面反映螺栓套平面度。間隙測(cè)量結(jié)果分析表明，螺栓套端面平面度無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的0.5 mm，在前后緣合?？p附近間隙較大，往兩邊依次遞減。上下兩模具合模時(shí)存在原始夾角，法蘭與螺栓套的間隙是未經(jīng)有效平面度調(diào)整產(chǎn)生的，間隙導(dǎo)致螺栓連接體剛度降低，造成葉片根部螺栓疲勞斷裂[11]。

1.2 葉片分析

（1）葉片質(zhì)量分析。為了分析葉片根部螺栓疲勞斷裂是否由葉片質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致，對(duì)該風(fēng)電場(chǎng)未安裝的葉片進(jìn)行質(zhì)量檢查分析，結(jié)果顯示存在以下葉片質(zhì)量問(wèn)題：部分法蘭孔與螺栓套嚴(yán)重錯(cuò)位，部分法蘭與螺栓套之間有玻璃鋼，部分葉片沒(méi)有調(diào)整墊片，葉片螺栓套與法蘭存在較大間隙（圖2～圖5）。

圖2 法蘭孔與螺栓套錯(cuò)位

圖3 葉片螺栓套與法蘭的間隙

圖4 葉片沒(méi)有調(diào)整墊片

圖5 法蘭與螺栓套間有玻璃鋼

（2）安裝質(zhì)量分析。葉片根部螺栓的疲勞斷裂一般是由于螺栓的預(yù)緊力過(guò)小，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)螺栓松動(dòng)的現(xiàn)象，葉片在運(yùn)行中振動(dòng)加劇，導(dǎo)致葉片根部的螺栓斷裂。檢查安裝工藝，發(fā)現(xiàn)螺栓螺紋處部分二硫化鉬涂抹不規(guī)范，部分變槳軸承孔與槳葉法蘭孔有錯(cuò)位（圖6、圖7）。

圖6 螺栓螺紋處二硫化鉬涂抹不規(guī)范

圖7 變槳軸承孔與槳葉法蘭孔錯(cuò)位

（3）葉根法蘭的分析。葉根法蘭平面度差，法蘭之間的微小間隙將會(huì)使葉根螺栓應(yīng)力急劇增大，影響螺栓疲勞壽命，導(dǎo)致葉根螺栓斷裂[12]。因此，為驗(yàn)證法蘭平面度是否對(duì)螺栓斷裂產(chǎn)生影響，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)尚未安裝的葉片法蘭進(jìn)行平面度測(cè)試，技術(shù)要求法蘭平面度不超過(guò)0.5 mm，測(cè)試發(fā)現(xiàn)部分法蘭平面度不滿(mǎn)足技術(shù)要求，部分槳葉平面度較差。

1.3 失效分析

由于葉根螺栓斷裂不是螺栓質(zhì)量和強(qiáng)度問(wèn)題導(dǎo)致，因此針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)葉片根部螺栓斷裂問(wèn)題，通過(guò)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)分別對(duì)葉根螺栓斷裂進(jìn)行了失效分析，經(jīng)檢測(cè)確定該風(fēng)電場(chǎng)螺栓斷裂模式為疲勞斷裂，螺栓裂紋萌生于螺母緊固面處螺紋牙底，該部位為螺栓應(yīng)力集中區(qū)域。同時(shí)，螺紋與安裝孔壁存在嚴(yán)重干涉現(xiàn)象，加劇了該部位的應(yīng)力集中。

2 葉根螺栓斷裂的原因分析

2.1 螺栓平面度不符合要求

葉片采用預(yù)埋螺栓套方式，由于玻璃鋼收縮特性、模具精度等原因，脫模后螺栓套端面不在同一平面上，螺栓套端面平面度差，必須處理后才能與法蘭裝配。該風(fēng)電場(chǎng)部分葉片未采用目前螺栓套端面主流的處理方式保證平面度，既采用自動(dòng)打磨機(jī)整體打磨螺栓套端面，然后采用高精度激光測(cè)平儀檢測(cè)，保證螺栓套端面平面度達(dá)到要求。而是采用三維照相技術(shù)測(cè)岀平面度后，用不同厚度的墊片粘接在螺栓套端面上，達(dá)到調(diào)整螺栓套端面平面度的效果（圖8）。該方法精度較低、工作量大，易受人為操作影響。

圖8 調(diào)整墊片

2.2 葉根法蘭不符合要求

風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)勘査發(fā)現(xiàn)某年度生產(chǎn)的未吊裝的部分葉片，螺栓套與法蘭之間均沒(méi)有安裝調(diào)整墊片，且螺栓套和法蘭之間存在大小不一的間隙，甚至有的螺栓套和法蘭之間還存在玻璃鋼（圖3）。證明葉片制造過(guò)程中，未按工藝要求對(duì)螺栓套端面用墊片調(diào)整平面度，導(dǎo)致螺栓套端面平面度嚴(yán)重超標(biāo)。

2.3 螺栓疲勞強(qiáng)度不符合要求

葉根螺栓連接結(jié)構(gòu)如圖9所示。當(dāng)螺栓套端面與變槳槳葉法蘭緊貼無(wú)間隙，平面度好，螺栓緊固后，被連接體是變槳軸承、法蘭與螺栓套三者組成的剛性體。當(dāng)螺栓套端面與變槳法蘭不緊貼，存在毫米級(jí)別間隙、平面度差，緊固螺栓時(shí)，由于玻璃鋼彈性模量為鋼的1/10左右，容易變形。故螺栓會(huì)拉動(dòng)螺栓套移動(dòng)，使玻璃鋼產(chǎn)生變形，最終與法蘭貼緊，間隙消除，此時(shí)被連接體變成變槳軸承、法蘭、玻璃鋼和螺栓套4者組成的剛性體。由于該風(fēng)電場(chǎng)參與連接的玻璃鋼彈性模量相對(duì)較小，導(dǎo)致整個(gè)被連接體剛度減小，當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)承受外載時(shí)，螺栓的應(yīng)力幅會(huì)增大，疲勞壽命降低。

圖9 葉根螺栓連接結(jié)構(gòu)

2.4 潤(rùn)滑劑涂抹不規(guī)范

二硫化鉬涂抹不規(guī)范會(huì)導(dǎo)致螺栓連接幅的扭矩系數(shù)出現(xiàn)偏差，使螺栓預(yù)緊力減小，影響螺栓的疲勞壽命，最終造成葉片螺栓斷裂。后期現(xiàn)場(chǎng)二硫化鉬規(guī)范涂抹后，螺栓依然發(fā)生斷裂，故二硫化鉬涂抹不規(guī)范不是本次葉片螺栓斷裂的主要原因[13]。

3 改進(jìn)措施

（1）葉片下塔打磨葉根螺栓套端面平面度，采用高精度激光測(cè)平儀檢測(cè)，使螺栓平面度達(dá)到要求的≤0.5 mm。

（2）更換葉根法蘭，調(diào)整法蘭孔與葉根螺栓套同心度，使法蘭孔與螺栓套孔無(wú)錯(cuò)位現(xiàn)象。

（3）采用細(xì)桿加高套螺栓替換原螺栓，增加螺栓疲勞強(qiáng)度，避免螺栓與變槳軸承產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過(guò)以上分析，確定了該風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組長(zhǎng)期發(fā)生葉片葉根螺栓斷裂的原因是，葉片制造過(guò)程中未按工藝要求操作，沒(méi)有使用墊片調(diào)整螺栓套端面平面度，造成螺栓套端面平面度嚴(yán)重超標(biāo)，使連接剛度減小，導(dǎo)致運(yùn)行中的螺栓應(yīng)力幅增大，在螺栓與變槳軸承干涉的應(yīng)力集中區(qū)域，萌生初始裂紋，最終發(fā)生疲勞斷裂。