風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)螺栓斷裂原因

王甲安, 石 巖, 喬立捷

(華電電力科學(xué)研究院有限公司, 杭州 310030)

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的不斷增加，螺栓斷裂事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了風(fēng)機(jī)和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。高強(qiáng)螺栓是風(fēng)電機(jī)組重要的金屬部件，其用量很大[3-4]，在基礎(chǔ)與塔筒、機(jī)架與塔筒、塔筒各段法蘭、葉片與輪轂、輪轂與主軸等之間起到連接、定位和密封等作用。

在某臺(tái)2 MW機(jī)組定期檢修中,發(fā)現(xiàn)其塔筒基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)螺栓斷裂，斷裂螺栓材料為35CrMo鋼，尺寸(直徑×長(zhǎng)度)為42 mm×230 mm，性能等級(jí)為10.9級(jí)。該機(jī)組于2013年6月投產(chǎn)運(yùn)行，目前已累計(jì)運(yùn)行8 a。為了研究螺栓斷裂的原因，筆者對(duì)該斷裂螺栓進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)，并提出預(yù)防措施。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

斷裂螺栓宏觀形貌如圖1所示，由圖1可知：螺栓斷裂于螺紋牙根部，斷口整體呈暗灰色，裂紋起始于螺紋邊沿，初始裂紋源、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)[5]特征清晰可辨；除裂紋源區(qū)，斷面整體較為平齊，基本與螺栓長(zhǎng)度方向垂直，未見(jiàn)明顯的塑性變形；斷口附近及螺栓整體未見(jiàn)明顯機(jī)械損傷的痕跡。

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂螺栓表面和心部進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：螺栓表面碳含量?jī)H為0.009%，遠(yuǎn)低于GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》的要求；螺栓心部的其他元素含量均符合該標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

從螺栓斷口縱截面位置處截取試樣，在DMI5000M型光學(xué)顯微鏡下觀察，其顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可知，螺栓斷口的顯微組織為回火索氏體，并伴有少量塊狀鐵素體。對(duì)螺栓螺紋脫碳層進(jìn)行觀察，其顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可知:螺紋表面存在明顯的脫碳現(xiàn)象，其深度較為均勻，平均脫碳層深度約為23.5 μm，高于GB/T 3098.1—2010 《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》要求的脫碳層深度最大值15 μm。

表1 斷裂螺栓的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

利用光學(xué)顯微鏡對(duì)拋光態(tài)試樣進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其顯微組織中含有兩種形態(tài)夾雜物，分別為條狀和球狀(見(jiàn)圖4)。依據(jù)GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，條狀?yuàn)A雜物為B類(lèi)，球狀?yuàn)A雜物為D類(lèi)，B類(lèi)夾雜物主要呈直線分布，部分夾雜物聚集長(zhǎng)大且相互交叉排列，D類(lèi)夾雜物呈不規(guī)則狀分布。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，B類(lèi)夾雜物單視場(chǎng)下總長(zhǎng)度約為471 μm，D類(lèi)夾雜物總數(shù)量為35個(gè)，B類(lèi)夾雜物評(píng)級(jí)為2.5級(jí)，D類(lèi)夾雜物評(píng)級(jí)為3級(jí)。

1.4 斷口分析

用超聲波清洗螺栓斷口試樣，在TESCAN VEGA3 LM型掃描電鏡(SEM)下觀察。螺栓斷口的SEM形貌如圖5所示。由圖5可知：斷口呈典型的脆性斷裂特征，斷面分為裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)3個(gè)典型區(qū)域。圖5b)為裂紋源區(qū)A附近的微觀形貌，裂紋形成于螺紋牙根處，有多源開(kāi)裂特征；圖5c)為擴(kuò)展區(qū)B附近的微觀形貌，擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)大量的孔洞以及裂紋擴(kuò)展臺(tái)階，這些擴(kuò)展臺(tái)階呈不同方向的同心圓弧分布；圖5d)為瞬斷區(qū)C附近的微觀形貌，斷面形貌比較粗糙，存在撕裂棱以及二次裂紋。為進(jìn)一步分析螺栓斷裂原因，從斷口裂紋源區(qū)至瞬斷區(qū)方向縱向截取試樣，并對(duì)其進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖6所示，在裂紋源區(qū)可見(jiàn)沿著螺紋牙根向內(nèi)部擴(kuò)展的微裂紋。

1.5 顯微硬度測(cè)試

利用402MVD型硬度計(jì)在螺栓截面外表面及其心部位置進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，各測(cè)試5點(diǎn)硬度再取平均值，結(jié)果如表2所示。由表2可知:螺栓表面顯微硬度平均值為133 HV，螺栓心部顯微硬度平均值為368 HV，螺栓表面硬度明顯低于心部硬度。根據(jù)GB/T 3098.1—2010要求，10.9級(jí)螺栓顯微硬度為320～380 HV，斷裂螺栓表面顯微硬度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 螺栓截面試樣顯微硬度測(cè)試結(jié)果 HV

2 綜合分析

化學(xué)成分分析結(jié)果表明：斷裂螺栓心部位置各元素含量均符合GB/T 3077—2015的要求，但是螺栓表面碳含量?jī)H為0.009%，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。螺栓心部截面顯微組織為回火索氏體，伴有少量塊狀鐵素體。螺紋表面存在明顯的脫碳層組織，這與化學(xué)成分分析結(jié)果一致，其平均脫碳層深度約為23.5 μm，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求。顯微硬度測(cè)試結(jié)果顯示，螺栓截面心部顯微硬度約為368 HV，而螺栓表面顯微硬度約為133 HV，進(jìn)一步證明了螺栓表面發(fā)生了嚴(yán)重的脫碳，螺栓表面顯微硬度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。表面脫碳層的形成會(huì)降低螺紋表面材料的性能，尤其在螺紋牙根處，脫碳層組織與基體組織之間膨脹系數(shù)的不同會(huì)在螺紋根部引起較大的應(yīng)力集中，使螺紋表面形成微裂紋[6-7]。

為了改善螺栓顯微組織，得到理想的回火索氏體組織，在機(jī)械加工完成后要對(duì)螺栓進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以提高螺栓的強(qiáng)度和抗疲勞性能[8-9]。斷裂螺栓顯微組織中含有過(guò)多線性分布的條狀?yuàn)A雜物和無(wú)規(guī)則分布的球狀?yuàn)A雜物。有研究[10-11]表明：夾雜物與基體的彈塑性存在較大差異，夾雜物的存在破壞了金屬基體的均勻性和連續(xù)性；另外，夾雜物周?chē)仔纬蓱?yīng)力集中，從而引起夾雜物本身開(kāi)裂或使基體與夾雜物界面處開(kāi)裂[12]，使夾雜物發(fā)生破碎、脫落而形成微小孔洞，螺栓承載面積減小，其服役性能降低。斷口上的擴(kuò)展區(qū)占據(jù)大部分面積，擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)明顯大量的微小孔洞以及裂紋擴(kuò)展臺(tái)階，直至瞬斷區(qū)。經(jīng)過(guò)分析可知，螺栓的斷裂是服役8 a以來(lái)內(nèi)部損傷不斷積累引起的，而非瞬時(shí)過(guò)載斷裂。

一般情況下，螺栓受力較復(fù)雜，特別是基礎(chǔ)環(huán)與第一節(jié)塔筒連接的高強(qiáng)螺栓，其不僅要承受風(fēng)力變化時(shí)產(chǎn)生的軸向應(yīng)力和彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，還要承受扭轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，當(dāng)螺栓安裝擰緊力不均勻時(shí)，受力較大的螺栓在三向應(yīng)力作用下受到循環(huán)沖擊載荷，在螺紋根部脫碳層的晶界弱化區(qū)產(chǎn)生微裂紋，并逐漸擴(kuò)展直至最后發(fā)生疲勞斷裂[13-15]。

3 結(jié)論與建議

(1) 螺紋牙根表面脫碳嚴(yán)重，導(dǎo)致螺栓表面硬度和抗拉強(qiáng)度降低，并在螺紋根部引起較大的應(yīng)力集中，在循環(huán)沖擊載荷作用下，應(yīng)力集中位置的螺紋牙根部脫碳層的晶界弱化區(qū)萌生微裂紋，內(nèi)部夾雜物含量過(guò)高促進(jìn)了裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致螺栓疲勞斷裂。

(2) 建議加強(qiáng)高強(qiáng)螺栓材料性能和制造質(zhì)量的檢驗(yàn)，嚴(yán)把入廠質(zhì)量關(guān)，防止螺栓存在表面脫碳層深度過(guò)大等問(wèn)題。