風(fēng)電機(jī)組變槳軸承螺栓失效形式分析與處理措施

徐玉龍，李必偉，龔海泓，夏振偉，沙凱，李冠陽(yáng)

（1.大唐安徽發(fā)電有限公司新能源分公司；2.大唐安徽發(fā)電有限公司；3.大唐來(lái)安新能源有限公司，安徽 合肥 230071）

近年來(lái)，我國(guó)的風(fēng)電事業(yè)發(fā)展迅猛，陸續(xù)出現(xiàn)了更多、更大規(guī)模的風(fēng)電項(xiàng)目，風(fēng)電機(jī)組承擔(dān)著重要的生產(chǎn)任務(wù)，其機(jī)組龐大且構(gòu)成復(fù)雜，由于運(yùn)行環(huán)境的特殊性、流程的復(fù)雜性，機(jī)組容易出現(xiàn)各種故障，如零部件磨損、軸承螺栓失效等，增大機(jī)組的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。雖然在近年來(lái)我國(guó)的風(fēng)電技術(shù)日漸進(jìn)步，但風(fēng)電機(jī)組中的故障排查與診斷成為關(guān)鍵性任務(wù)，特別是對(duì)于變槳軸承螺栓失效這類故障，風(fēng)電企業(yè)在實(shí)際的工作中需根據(jù)失效形式、原因等制定科學(xué)的處理措施，提升機(jī)組的整體可靠性。

1 葉片螺栓失效原因分析及研究

1.1 葉片法蘭面平面度不合格導(dǎo)致螺栓加速疲勞

風(fēng)電機(jī)組處于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行狀態(tài)下，葉片螺栓的疲勞斷裂無(wú)法避免，但對(duì)于任何零部件而言，其疲勞斷裂都有特定的服役時(shí)間，并非即刻發(fā)生，一般為一個(gè)循序漸進(jìn)、逐步累積的過(guò)程，受到長(zhǎng)時(shí)間、反復(fù)性的應(yīng)力作用后，疲勞斷裂加劇。疲勞斷裂現(xiàn)象在凹槽部位、截面突變等應(yīng)力集中部位較為常見。以某風(fēng)電機(jī)組為例，機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生了螺栓斷裂問(wèn)題，有關(guān)人員經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)斷裂位置在螺紋凹槽處，當(dāng)螺栓工作中產(chǎn)生了應(yīng)力峰值后，該部位將突破晶間結(jié)合力，沿結(jié)晶界面生長(zhǎng)，產(chǎn)生疲勞源。后續(xù)運(yùn)行過(guò)程中由于疲勞源遭遇持續(xù)性的交變應(yīng)力，將在這些作用力下發(fā)生局部細(xì)小裂紋，也就是初始裂紋，這些裂紋繼續(xù)受交變應(yīng)力作用將擴(kuò)展成更大的裂紋，呈階梯狀分布延伸，產(chǎn)生多條貝殼紋；裂紋繼續(xù)擴(kuò)展后受力截面積大大降低，如應(yīng)力超過(guò)材料的應(yīng)力極限，就會(huì)發(fā)生斷裂現(xiàn)象。有關(guān)人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)展開一系列調(diào)查與分析，并核查了安裝維護(hù)資料和實(shí)際情況后，發(fā)現(xiàn)在安裝與維護(hù)方面并無(wú)任何問(wèn)題，但當(dāng)?shù)跸麓巳~片全部螺栓重新吊裝時(shí)，發(fā)現(xiàn)葉片根部有問(wèn)題，葉片法蘭與輪轂法蘭結(jié)合面存在透光情況。某些風(fēng)電場(chǎng)中也常見葉片根部法蘭平面度不符合要求、螺栓斷裂的情況，根據(jù)這一現(xiàn)象分析，其原因主要為：葉片加工生產(chǎn)的質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，法蘭平面度與設(shè)計(jì)要求不一致，在非平面接觸狀態(tài)下，法蘭間的摩擦力偏小，葉片穩(wěn)定性較差，葉片螺栓變形拉伸頻繁且明顯，螺栓也會(huì)發(fā)生疲勞斷裂現(xiàn)象。

1.2 葉片法蘭和輪轂法蘭錯(cuò)位導(dǎo)致疲勞加速

（1）葉片法蘭徑向變形導(dǎo)致安裝錯(cuò)位。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中的螺栓失效問(wèn)題，很多為疲勞加速所導(dǎo)致，而葉片法蘭與輪轂法蘭錯(cuò)位引發(fā)的疲勞加劇現(xiàn)象十分常見，特別是葉片法蘭徑向變形時(shí)的安裝錯(cuò)位情況。風(fēng)電機(jī)組中螺栓孔不同方向徑向錯(cuò)位實(shí)際上就是葉片法蘭出現(xiàn)了橢圓，難以正常發(fā)揮其作用?，F(xiàn)階段工藝條件下，廠家生產(chǎn)螺栓孔時(shí)，往往會(huì)配置落地式數(shù)控設(shè)備或者專用鉆模來(lái)輔助生產(chǎn)，不論在生產(chǎn)中采用何種方式，都需要在生產(chǎn)加工中嚴(yán)格控制精度，以提高加工質(zhì)量，避免加工精度不足導(dǎo)致葉片法蘭發(fā)生橢圓。某風(fēng)電場(chǎng)的葉片法蘭與葉片根部形狀、尺寸同步變形，且變形方向大致一致，變形程度較大，根據(jù)分析，這一現(xiàn)象主要為生產(chǎn)加工后膠體凝固時(shí)間過(guò)短，再加上自重、工裝設(shè)計(jì)等方面的問(wèn)題所引起。

（2）葉片安裝產(chǎn)生的軸向旋轉(zhuǎn)錯(cuò)位。部分風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)葉片螺栓孔與變槳軸承螺栓孔單方向錯(cuò)位偏移的現(xiàn)象，發(fā)生這一現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋喝~片螺栓為B類高強(qiáng)螺栓，這是一類相對(duì)特殊的螺栓，螺紋兩端較粗，螺栓中間桿部偏細(xì)。如葉片螺栓M30'3．5"416，輪轂螺栓孔直徑是33ram，螺桿中間部分直徑27ram，實(shí)際的工作中將葉片螺栓插入輪轂螺栓孔以后，在螺栓桿與輪轂螺栓孔之間的間隙較大，該間隙值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了正常標(biāo)準(zhǔn)。葉片與輪轂拼接作業(yè)中，為保障葉片螺栓能按照規(guī)定進(jìn)入輪轂螺栓孔內(nèi)，操作人員往往會(huì)左右變槳晃動(dòng)葉片，以保障其與輪轂法蘭面接觸，而這一操作下可能導(dǎo)致葉片螺栓向一側(cè)存在較大的偏移，使螺桿緊貼輪轂螺栓孔壁。在實(shí)際的工作中可能沒(méi)有配備葉片法蘭相對(duì)輪轂法蘭的定位與調(diào)整裝置，錯(cuò)位難以避免。具體工作中，如輪轂法蘭螺栓孔中的螺桿直徑完全相同，整條螺栓外表面（弧面）應(yīng)緊貼在輪轂螺栓孔內(nèi)壁，此種情況下的抵抗徑向剪切面呈半圓面。但是，B 類高強(qiáng)螺栓的兩端粗、螺桿中間細(xì)，錯(cuò)位時(shí)，輪轂法蘭孔內(nèi)左端螺紋部分A 往往緊貼于輪轂法蘭孔壁，使螺栓出現(xiàn)明顯的傾斜現(xiàn)象。與此同時(shí)，螺栓直徑與輪轂孔徑不一致，螺栓抵抗軸向剪切僅為局部弧面或者點(diǎn)，再加上左端螺母鎖緊作用，驅(qū)使螺栓強(qiáng)行找正，導(dǎo)致螺母與螺栓結(jié)合部位同步接受軸向力、徑向力，易引發(fā)疲勞損傷。當(dāng)發(fā)生較為嚴(yán)重的錯(cuò)位現(xiàn)象時(shí)，螺栓在中間細(xì)桿部位出現(xiàn)剪切，表面防腐難以發(fā)揮作用，且會(huì)同步擠壓螺栓桿部，一旦載荷超出規(guī)定值，剪切部位與T 型螺母和六角螺母方向?qū)a(chǎn)生兩個(gè)作用力，這兩個(gè)作用力的方向完全相反，與杠桿原理相類似，剪切力位置為其中的一個(gè)支點(diǎn)，如葉片長(zhǎng)時(shí)間處于疲勞狀態(tài)，必將產(chǎn)生或大或小的裂紋，嚴(yán)重時(shí)將引起斷裂。以某風(fēng)電項(xiàng)目為例，其葉片與變槳軸承連接螺栓的拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1 所示。從受力角度分析，葉片與變槳軸承連接螺栓在風(fēng)機(jī)運(yùn)行的全過(guò)程中受力較為復(fù)雜，不僅承受拉伸、剪切與彎曲等靜態(tài)應(yīng)力，還同步承受風(fēng)載荷沖擊、葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的交變載荷，在惡劣情況下，應(yīng)力集中部位出現(xiàn)疲勞斷裂的現(xiàn)象無(wú)法避免。

表1 葉片與變槳軸承連接螺栓的拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

（3）葉片鋼制法蘭盤錯(cuò)位。對(duì)于風(fēng)電市場(chǎng)上的2MW風(fēng)機(jī)，為滿足其高效、穩(wěn)定運(yùn)行的需求，其葉片根部一般都安裝有鋼制法蘭盤，實(shí)際工作中，葉片螺栓斷裂事故中可能出現(xiàn)鋼制法蘭盤螺栓孔與葉片法蘭螺栓孔錯(cuò)位情況，這一情況主要由以下因素所導(dǎo)致；法蘭初始制造定位孔與實(shí)際存在偏差；葉片根部有橢圓度，螺栓孔無(wú)法完全對(duì)應(yīng)，如有關(guān)人員未及時(shí)處理這一問(wèn)題，螺栓難以正常使用。

1.3 強(qiáng)度不滿足要求

前期相關(guān)人員在設(shè)計(jì)機(jī)組的過(guò)程中需保障相關(guān)數(shù)值的計(jì)算準(zhǔn)確度，一旦存在計(jì)算偏差，也會(huì)引發(fā)軸承螺栓失效的問(wèn)題，如葉輪系統(tǒng)載荷計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的偏差較大，后續(xù)機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)下，葉輪旋轉(zhuǎn)將同步產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)力，該扭轉(zhuǎn)力一旦大于螺栓設(shè)計(jì)強(qiáng)度限值，就會(huì)造成螺栓斷裂。從實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，螺栓強(qiáng)度取決于多方面因素，如材料性能、結(jié)構(gòu)形式、尺寸大小、工藝、載荷分布、應(yīng)力幅度等，為保障螺栓強(qiáng)度符合實(shí)際要求，有關(guān)人員應(yīng)選擇高性能材料，并選定恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚕蕴岣卟牧蠌?qiáng)度，使塑性指數(shù)等有關(guān)參數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到葉片螺栓強(qiáng)度也受到載荷分布的影響，正常運(yùn)行狀態(tài)下，在葉根螺栓位置的受力最集中，當(dāng)葉片展開時(shí)在0°和180°位置處葉片螺栓受力最大，因此，螺栓斷裂多出現(xiàn)于0°位置。

1.4 過(guò)程控制不到位

（1）到貨檢查不到位。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中為降低螺栓失效風(fēng)險(xiǎn)，到貨環(huán)節(jié)需安排專人完成一系列檢查，如在機(jī)組吊裝作業(yè)前，應(yīng)留好葉片到貨、轉(zhuǎn)運(yùn)、吊裝等的驗(yàn)收記錄，其中應(yīng)包含螺栓質(zhì)量檢測(cè)、外觀檢查記錄，不僅要有文件資料還需有影像資料，使后續(xù)工作中可根據(jù)需求隨時(shí)調(diào)用。如當(dāng)后續(xù)機(jī)組運(yùn)行中出現(xiàn)了故障，相關(guān)人員在現(xiàn)場(chǎng)分析故障時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確判定該故障是安裝前問(wèn)題引起還是安裝后問(wèn)題引起，就需要調(diào)用前期的資料來(lái)確定故障原因。

（2）潤(rùn)滑劑涂抹控制不到位。一些風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行中，有關(guān)人員在檢查斷裂螺栓時(shí)發(fā)現(xiàn)螺栓與墊片無(wú)潤(rùn)滑劑、潤(rùn)滑劑涂抹的均勻度不夠等問(wèn)題（如圖1 所示），這也是引發(fā)螺栓斷裂的直接原因。針對(duì)這一方面的問(wèn)題，相關(guān)人員在給螺栓涂抹潤(rùn)滑劑時(shí)，必須嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的操作標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適類型的潤(rùn)滑劑，并按照規(guī)定在恰當(dāng)?shù)奈恢猛磕?，保障涂抹的均勻性，否則，一旦潤(rùn)滑劑涂抹不符合要求，將使螺栓扭矩系數(shù)偏差較大，預(yù)緊力不均勻，增大葉片螺栓風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 潤(rùn)滑劑涂抹不規(guī)范

（3）工器具管理不到位。葉片吊裝作業(yè)中往往需要使用專業(yè)化工具，并保障操作的規(guī)范性，在操作中保留工器具的完整、準(zhǔn)確信息。但根據(jù)實(shí)際的工作情況，一些風(fēng)電場(chǎng)有關(guān)人員在工作中并未做好工器具的管理工作，如沒(méi)有保留詳細(xì)的信息，也沒(méi)有按照相關(guān)規(guī)定來(lái)操作。

（4）維護(hù)標(biāo)識(shí)異常。通常情況下，當(dāng)相關(guān)人員按照有關(guān)規(guī)定完成力矩維護(hù)后，需標(biāo)識(shí)出力矩標(biāo)識(shí)線，此標(biāo)識(shí)線必須覆蓋螺桿、螺母、墊片，以指導(dǎo)相應(yīng)的工作。但根據(jù)實(shí)際的工作情況，機(jī)組維護(hù)操作的過(guò)程中崗位人員往往沒(méi)有按照有關(guān)規(guī)定來(lái)標(biāo)注力矩標(biāo)識(shí)線，導(dǎo)致工作中未及時(shí)識(shí)別到異常情況并展開處理。

2 整改措施

2.1 出廠

螺栓失效問(wèn)題有時(shí)候是由自身質(zhì)量缺陷所引起，針對(duì)這一方面的情況，相關(guān)人員需做好出廠工作，如在葉片出廠安裝階段企業(yè)需安排專人負(fù)責(zé)驗(yàn)收工作，從根本上保障產(chǎn)品質(zhì)量，確保螺栓及隨車螺母為同廠家、同批次產(chǎn)品，檢查葉片法蘭螺栓孔與葉片根部是否有錯(cuò)位現(xiàn)象，并檢查葉片根部是否有凹凸點(diǎn)和不平整情況，如存在這些問(wèn)題，需及時(shí)與廠家聯(lián)系，由廠家提供新產(chǎn)品。

2.2 運(yùn)輸

個(gè)別葉片生產(chǎn)廠家所采用的葉片螺栓從出廠到風(fēng)機(jī)吊裝環(huán)節(jié)為同一套螺栓，由于一些工程現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件相對(duì)特殊，這些螺栓可能會(huì)經(jīng)過(guò)炮車來(lái)二次倒運(yùn)，一些風(fēng)電場(chǎng)因?yàn)橐紤]作業(yè)進(jìn)度，葉片長(zhǎng)時(shí)間放置在地面，也會(huì)或多或少地?fù)p傷葉片螺栓。對(duì)于以上這些問(wèn)題，技術(shù)人員、管理人員與施工人員之間應(yīng)緊密配合，相互討論相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)增加螺栓種類，如增加工裝螺栓與轉(zhuǎn)運(yùn)螺栓，前一種螺栓用于固定前支架在葉根上的螺栓，后一種為葉片需炮車轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)所需螺栓。

2.3 安裝

安裝葉片是風(fēng)電機(jī)組安裝中的關(guān)鍵步驟，具體安裝工作中，必須嚴(yán)格執(zhí)行安裝操作標(biāo)準(zhǔn)，如安裝人員需遵循廠家的工藝和技術(shù)指導(dǎo)，保障每顆螺栓的二硫化鉬規(guī)范涂抹。結(jié)合葉片螺栓故障和維修經(jīng)驗(yàn)，如斷裂螺栓葉片上無(wú)葉片法蘭與變槳軸承錯(cuò)位現(xiàn)象，可直接在塔上更換，以降低維修難度與費(fèi)用；如存在錯(cuò)位現(xiàn)象，需利用吊車輔助處理，通過(guò)吊車將葉片吊至地面更換其中的全部螺栓，最后再吊裝回原位，這一方式下的操作難度大且時(shí)間消耗長(zhǎng)。因此，風(fēng)電機(jī)組的操作中，為避免不規(guī)范安裝所引起葉片螺栓失效問(wèn)題，企業(yè)必須確保參與安裝作業(yè)中的人員都為專業(yè)化人才，并確保他們?cè)诎惭b中嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)規(guī)范。

3 結(jié)語(yǔ)

變槳軸承螺栓失效是風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中的常見故障，為減小這一故障對(duì)機(jī)組運(yùn)行的負(fù)面影響，有關(guān)部門在工作中應(yīng)分析螺栓失效的形式、原因，制定預(yù)防與控制措施，以保障軸承螺栓的作用，維持風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行。