風電機組葉片螺栓斷裂原因分析及處理

1、    風電機組葉片螺栓斷裂原因分析及處理    張英【摘  要】風電機組在運行過程中，開順槳、陣風、風切變等因素都可能導致葉片根部螺栓受到?jīng)_擊、振動，形成交變載荷，長時間運行后，極易出現(xiàn)葉片螺栓疲勞斷裂，根據(jù)前期對同類型問題的調(diào)查分析，造成葉片螺栓斷裂的可能原因有以下幾種?！娟P鍵詞】風電機組;葉片螺栓;斷裂原因;處理1風力發(fā)電機葉片簡介風力發(fā)電機葉片是一個纖維增強復合材料制成的薄殼結構。結構分為3個部分：第一部分為根部，一般由金屬制成;第二部分為外殼，一般為復合材料，通常是使用玻璃纖維增強材料與基體樹脂復合而成，一張葉片由兩個灌注成型的外殼構

2、件粘合而成;第三部分為支撐外殼的主梁，即加強筋或加強框，一般為玻璃纖維或碳纖維增強復合材料制成。風能帶動葉片旋轉將其轉化為動能，通過葉片根部將動能傳給風力機轉子，帶動發(fā)電機發(fā)電。葉片根部是重要的連接部位，在能量轉化中起著關鍵作用。葉片工作時，根部承受著復雜的剪切、擠壓、彎扭載荷組合作用，應力狀態(tài)復雜易產(chǎn)生結構失效，所以葉片根部連接必須具有足夠的強度、剛度、局部穩(wěn)定性、膠接強度和疲勞斷裂強度。如2mw的風力發(fā)電機，葉根彎矩達到7000至8000knm，離心力能夠達到1000kn，一旦葉根部位出現(xiàn)連接時效問題，葉片與風力機轉子輪轂分離，發(fā)電機無法正常工作，甚至導致災難性的質(zhì)量和安全事故，因此，葉根

3、連接部分受力性能的保證對葉片的安全運行起著決定性的作用。目前風力發(fā)電機組的葉片螺栓連接研究分析還比較少。一般情況下，螺栓的強度主要包括靜強度、疲勞強度和韌性強度。為了保證螺栓連接既不會在最不利載荷下發(fā)生高應力強度斷裂，也不會在循環(huán)載荷下發(fā)生底應力疲勞破壞和裂紋斷裂破壞，就必須對螺栓連接進行靜強度、疲勞強度和斷裂強度校核。2風電機組葉片螺栓斷裂原因分析2.1基本概況國內(nèi)某風力發(fā)電場多臺機組投運不到一年頻繁發(fā)生葉片螺栓斷裂問題，螺栓斷裂部位主要發(fā)生在變槳軸承側的螺紋部分（螺母與變槳軸承的接觸位置），部分螺栓斷裂部位在螺桿部分。該風電場機組使用的葉片螺栓規(guī)格為m30，材質(zhì)為42crmoa，強度等級為

4、10.9級。2.2理化檢測2.2.1宏觀檢測（1）斷口宏觀分析兩根螺栓均斷裂在螺桿約1/2處校直彎曲部位。斷口整體呈現(xiàn)脆性斷裂特征，斷口呈現(xiàn)由中心向四周的輻射狀條紋，斷口外層為光滑平整的脆性斷口，斷口表面未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的宏觀塑形變形及夾渣物。表明裂紋從心部起裂，向四周擴展，最終導致螺栓斷裂。（2）低倍檢驗在斷裂螺栓斷口以下20mm處沿橫向取樣，進行低倍檢驗，螺栓心部存在大量縮孔。檢驗結果為：一般疏松1級，中心疏松2級，一般斑點狀偏析<1級，未發(fā)現(xiàn)裂紋等其它宏觀缺陷。2.2.2化學成分分析在螺栓近斷裂位置約20mm處取樣進行化學成分分析。采用德國oblf生產(chǎn)的型號為qsn750直讀光譜儀，

5、應用光譜分析法，測試其材料化學成分符合gb/t30771999合金結構鋼對該材質(zhì)螺栓化學成分的要求。采用美國力可公司的onh-836型氧氮氫分析儀，對斷裂螺栓取試樣進行氧氮氫含量測定，結果為：0.0011%o，0.0090%n，0.0001%h，o、n、h含量均較低。2.3力學性能取同批次螺栓中的一根進行拉伸試驗，拉伸試樣直徑10mm，非螺栓實物。采用萬測集團的hut605a型微機控制電液伺服萬能試驗機，進行力學性能測。在斷裂螺栓金相試樣上進行硬度測試。螺栓表面和心部硬度沒有明顯差異，力學性能測試結果均符合gb/t3098.12010緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱的要求。2.4斷口形貌分析取斷

6、口試樣經(jīng)超聲波清洗，采用it300掃面電鏡進行斷口形貌分析。在斷口表面輻射狀區(qū)域進行sem形貌觀察，斷口呈現(xiàn)明顯解理斷口特征，局部位置存在二次裂紋和少量孔洞。2.5結果分析由理化檢驗結果可見：失效螺栓的化學成分、室溫拉伸性能均符合gb/t 3098.6-2014技術要求;螺栓顯微組織為奧氏體+少量鐵素體，組織中存在較多的非金屬夾雜物，尤其是硅酸鹽類夾雜物含量較高，且部分夾雜物超尺寸。硅酸鹽類夾雜物為脆性夾雜物，與鋼基體之間在物理性能及變形能力等方面均存在較大差異，且破壞了鋼基體的均勻連續(xù)性，降低了鋼材的力學性能，尤其是降低了鋼材的塑性、韌性和疲勞極限。螺栓頭部在鐓制成型時，頭部與光桿連接部位的

7、組織和夾雜物隨頭部鐓粗而趨于橫向分布，降低了該處的綜合力學性能，且由于夾雜物變形能力較差，在鋼與夾雜物界面處形成了顯微裂紋，螺栓受力時，這些顯微裂紋成為疲勞破壞的啟裂源。若密集的夾雜物暴露于螺栓表面，將加速疲勞裂紋的形成和擴展。斷口附近腐蝕產(chǎn)物能譜分析結果顯示未見有腐蝕性元素存在，表明腐蝕不是引起螺栓斷裂的主要原因。螺栓斷口分析結果表明，螺栓斷裂形式為多源雙向疲勞斷裂。結合現(xiàn)場檢修情況可知，該設備大部分螺栓已松動，設備轉動時，鼓形濾網(wǎng)輻條上下滑移，對螺栓產(chǎn)生了較大的剪切應力，循環(huán)往復，最終導致螺栓雙向疲勞斷裂。導致螺栓松動的可能原因較多，設備運行過程中的振動、高低載荷變化、沖擊、安裝時預緊力過

8、低、未采取適當?shù)姆浪纱胧?、裝配方法不得當?shù)龋加锌赡芤鹇菟ㄋ蓜印?螺栓安裝與維護螺栓在安裝、維護過程中，緊固力矩過大或者過小將影響螺栓的使用壽命。預緊力過大，可能造成螺栓拉伸應力超過螺栓材料屈服強度極限，而產(chǎn)生塑性變形，甚至斷裂。預緊力過小，將增加螺栓疲勞載荷循環(huán)幅值（連接件在工作載荷作用下產(chǎn)生分離，降低連接體的剛度），降低螺栓與連接件之間的摩擦力，使得螺栓連接副達不到設計要求的鎖緊功能，在工作載荷作用下，螺栓連接件之間產(chǎn)生相對運動，使螺栓承受額外彎矩、拉伸和剪切等復雜的交變載荷，加劇螺栓的失效。螺栓松動也會增加螺栓的疲勞載荷，降低螺栓使用壽命。葉片在運行過程中，變槳、陣風、風切變等因素將使

9、葉片螺栓受到?jīng)_擊、振動等交變載荷，因此葉片在運行一段時間后，不可避免出現(xiàn)連接螺栓松動，也會增加螺栓的疲勞載荷，降低使用壽命。經(jīng)檢查確認，該風電場葉片螺栓均按照設計和工藝要求進行安裝，并按照半年一次的頻率進行維護，緊固力矩、安裝工藝、維護方案均符合技術要求，可以排除安裝及維護原因?qū)е氯~片螺栓斷裂。4處理措施及后期維護建議4.1處理措施出現(xiàn)葉片螺栓斷裂后，應及時更換斷裂螺栓，以避免其他螺栓繼續(xù)斷裂，處理方法主要有2種，一是就地在風機上將損壞螺栓取出，將斷裂螺栓及與其鄰近35根螺栓均更換為新螺栓;二是使用吊車將整個葉片吊下，重新進行葉片安裝，并更換所有根部螺栓。目前現(xiàn)場多采用第1種方法處理葉片螺栓斷

10、裂問題，但采用第1種方法后，需進行持續(xù)觀察，如仍多次出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，則需采用第2種方法。針對本次螺栓斷裂，采取了第1種方法進行處理，對損壞的螺栓及其相鄰的3根螺栓進行了更換。更換后截至目前，風電機組運行正常，再未出現(xiàn)螺栓斷裂情況。4.2維護建議為避免出現(xiàn)葉片螺栓斷裂事故，除對前期運輸、安裝過程加強監(jiān)管外，在后期維護中還需做到以下幾點：首先，定期對全風電場葉片螺栓力矩進行檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理;其次，每年對螺栓力矩定期檢查時，應嚴格按照廠家力矩值要求進行;再次，定檢工具要按時進行力矩校驗，特別是力矩扳手和液壓站;最后，嚴格按照廠家維護手冊規(guī)定周期進行力矩維護。5結束語通過理論分析，確定了該風電場機組投運短期內(nèi)頻繁發(fā)生葉片螺栓斷裂的原因是由于葉根端面與葉片法蘭間存在間隙，導致螺