風(fēng)電機(jī)組葉片螺栓一種斷裂形式的原因分析

風(fēng)電機(jī)組葉片螺栓一種斷裂形式的原因分析2.河北省滄州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河北滄州，061000摘要：采用宏觀分析、力學(xué)性能檢測(cè)、化學(xué)成分分析、SEM、金相分析、受力環(huán)境分析等分析方法，對(duì)10.9級(jí)風(fēng)電機(jī)組定制螺栓的斷裂原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明：螺栓質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求；螺栓的預(yù)緊力不足使被連接件松動(dòng)、被連接位置與螺栓干涉磨損、螺栓疲勞損傷加劇，進(jìn)而導(dǎo)致斷裂。關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；螺栓；預(yù)緊力；斷裂0引言螺栓作為重要的設(shè)備連接方式，在風(fēng)電機(jī)組的塔筒、機(jī)架、輪轂、葉片等部件連接方面也有廣泛的應(yīng)用。隨著風(fēng)機(jī)運(yùn)行，螺栓斷裂故障也時(shí)有發(fā)生，其中葉片螺栓斷裂發(fā)生的概率明顯高于其他部位螺栓。某風(fēng)場(chǎng)葉片螺栓在風(fēng)機(jī)運(yùn)行11個(gè)月后發(fā)生斷裂，螺栓材料為42CrMo,螺栓等級(jí)為10.9級(jí)，規(guī)格為M30X***mm（縮頸①27mm）。筆者對(duì)其斷裂原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析。1故障概況螺栓表面為“達(dá)克羅”處理，表面處理質(zhì)量良好。故障螺栓斷口附近存在銹蝕痕跡，如圖1所示；未斷裂螺栓相同位置存在類似銹蝕痕跡，如圖2所示。通過(guò)對(duì)磨損位置分析，發(fā)現(xiàn)螺栓磨損位置為葉片根部法蘭與輪轂（變槳軸承）連接結(jié)合面位置。圖1螺栓斷口附近銹蝕圖2未斷裂螺栓相同位置銹蝕Fig.lCorrosionneartheboltfractureFig.2Corrosionofunbrokenboltsatthesameposition2斷口分析2.1宏觀分析圖3為螺栓斷口，為典型的疲勞斷口[i],由疲勞源區(qū)、疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和快速斷裂區(qū)（瞬時(shí)斷裂區(qū)）三部分組成，A區(qū)域?yàn)榱鸭y源區(qū)，發(fā)生于螺栓表面磨損位置，可見(jiàn)銹蝕痕跡，由于源區(qū)為最早生成的斷口，裂紋擴(kuò)展速率緩慢，裂紋反復(fù)張開(kāi)閉合引起斷口表面的摩擦，因此比較光滑，并且發(fā)生腐蝕；B區(qū)域?yàn)榱鸭y穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)域，可以觀察到多條基本平行的疲勞弧線，與裂紋擴(kuò)展方向垂直,是疲勞裂紋瞬時(shí)前沿線的宏觀塑性變形的痕跡；C區(qū)域?yàn)樗矓鄥^(qū)，疲勞裂紋達(dá)到臨界尺寸，螺栓發(fā)生瞬時(shí)斷裂⑵。圖3螺栓斷口附近銹蝕Fig.3Corrosionneartheboltfracture2.2微觀分析使用SEM掃描電鏡（蔡司/EV018）對(duì)故障螺栓斷口處外表面以及斷口表面進(jìn)行觀察，圖4、5為斷口附近外表面掃描照片，其中平行周向條紋為螺栓加工刀痕，斷口處區(qū)域內(nèi)加工刀痕經(jīng)磨損后已完全消失，圖5中可見(jiàn)磨損痕跡。圖6為疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的疲勞弧線（貝紋線）形貌。

圖4斷口附近表面狀態(tài)17x圖5斷口附近表面狀態(tài)68xFig.4Surfacestatenearthefracture17xFig.5Surfacestatenearthefracture68xm圖6m圖6貝紋線Fig.6Shellline化學(xué)成分分析對(duì)故障螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1，由分析結(jié)果可知，該試樣的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》［3］與GB/T3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》［4］的要求。表1試樣化學(xué)成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Tab.1Samplechemicalcompositionanalysis(massfraction/%)

試樣編號(hào)CSiMnCrMoP標(biāo)準(zhǔn)要求0.90.1<0值8?0.457?0.370?0.800?1205?0.25.00.0測(cè)試值0.410.84819SB標(biāo)準(zhǔn)要求W0W0值.025.0030.00.0試樣04004金相組織分析按照GB/T13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》⑸對(duì)故障螺栓的橫截面與縱剖面分別金相組織分析，螺栓金相組織均為回火索氏體，組織未見(jiàn)明顯異常圖7為螺栓橫截面金相組織照片，圖8、9為縱剖面金相組織照片，從圖中可以發(fā)現(xiàn)螺栓存在帶狀偏析現(xiàn)象。

圖7故障螺栓橫截面金相組織200XFig.7Metallographicstructureofthefaultboltcrosssection200X圖8螺栓縱剖面金相組織200X圖9螺栓縱剖面金相組織500XFig.8Metallurgicalstructureofboltlongitudinalsection200XFig.9Metallurgicalstructureofboltlongitudinalsection500X顯微維氏硬度分析對(duì)故障螺栓螺桿中部橫截面進(jìn)行進(jìn)行顯微維氏硬度試驗(yàn)，檢驗(yàn)位置如圖10所示，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2,圖11為壓痕c-1識(shí)別結(jié)果。圖10螺栓螺桿中部橫截面顯微硬度測(cè)試位置示意圖Fig.10Schematicdiagramofthelocationofthemicrohardnesstestofthemiddlecrosssectionoftheboltandscrew表2顯微維氏硬度測(cè)試結(jié)果Tab.2MicroVickershardnesstestresults測(cè)試位置1234測(cè)試結(jié)果HV)338345332328圖11螺栓顯微硬度壓痕識(shí)別Fig.11Identificationofmicro-hardnessindentationofbolts根據(jù)GB/T3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》［4中對(duì)強(qiáng)度等級(jí)10.9的螺栓的要求，維氏硬度值范圍應(yīng)在320~380之間，測(cè)試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。力學(xué)性能分析根據(jù)DINISO10045V分別對(duì)故障螺栓進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度參照該風(fēng)機(jī)葉片螺栓設(shè)計(jì)要求的實(shí)驗(yàn)溫度-45°C，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3：表3沖擊試驗(yàn)測(cè)試值(-45C,KV2)JTab.3Testvalueofimpacttest(-45C,KV2)J測(cè)試值編1 2 3 平均號(hào)1#282726271#28272627參考GB/T3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》⑷中對(duì)強(qiáng)度等級(jí)10.9的螺栓吸收能量（-20°C）的要求，測(cè)試結(jié)果符合要求。對(duì)被替換的螺栓（故障同批次螺栓）進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表4中。表4拉伸試驗(yàn)測(cè)試值Tab.4Tensiletesttestvalues編號(hào) 抗拉強(qiáng)度Rm（MPa）下屈服強(qiáng)度Rel（MPa）延伸率（A）編號(hào) 抗拉強(qiáng)度Rm（MPa）下屈服強(qiáng)度Rel（MPa）延伸率（A）2#106495715.5根據(jù)GB/T3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》⑷中對(duì)強(qiáng)度等級(jí)10.9的螺栓的要求，測(cè)試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。原因分析與討論通過(guò)對(duì)螺栓的化學(xué)成分及性能的分析，未發(fā)現(xiàn)明顯異常；根據(jù)斷口信息可確認(rèn)螺栓的表面損傷位置為本次螺栓斷裂的裂紋源；螺栓是在高周疲勞載荷反復(fù)作用下，逐漸使裂紋擴(kuò)展進(jìn)而導(dǎo)致斷裂發(fā)生的。通過(guò)螺栓磨損位置分析，發(fā)現(xiàn)：發(fā)生磨損的位置出現(xiàn)在被連接的結(jié)合面位置，系結(jié)合面錯(cuò)位移動(dòng)與螺栓產(chǎn)生周期性干涉導(dǎo)致；而產(chǎn)生被連接結(jié)合面錯(cuò)位移動(dòng)的原因住主要為螺栓預(yù)緊力不足。結(jié)語(yǔ)本次葉片螺栓斷裂原因主要為螺栓預(yù)緊力不足：預(yù)緊力不足使被連接件松動(dòng)、被連接位置與螺栓干涉磨損、螺栓疲勞損傷加劇，進(jìn)而導(dǎo)致斷裂。[參考文獻(xiàn)]1.錢錕，韓波，黃嘉樂(lè).10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓頭部斷裂原因分析[J]施工技術(shù)，2018年8月（47卷增刊）：389-393.2.桂立豐.機(jī)械工程材料測(cè)試手冊(cè)（物理金相卷）[M].沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999.3.大冶特殊鋼股份有限公司?合全結(jié)構(gòu)鋼：GB/T3077-2015[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.4.機(jī)械部機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化所緊固件機(jī)械性能蜉栓、蜉釘和蜉柱：GB/T3098.12010[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.5.冶金部鋼鐵研究色院?金屬顯微組織檢驗(yàn)方法：GB/T13298-1991[S].北京:中囯標(biāo)準(zhǔn)出版社，1991.CauseAnalysisofaFractureFormofwindturbinebladeconnecting

boltGuanyu.Lu1，Haijie.Zhang1通信作者：張海杰（1974-），男，北京人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，質(zhì)量管理部經(jīng)理，從事二十余年設(shè)備制造質(zhì)量管理工作，Email:****************************.cn。通信作者：張海杰（1974-），男，北京人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，質(zhì)量管理部經(jīng)理，從事二十余年設(shè)備制造質(zhì)量管理工作，Email:****************************.cn。（1.GuodianUnitedPowerTechnologyCo.,Ltd.,Beijing，1000392;2.

HebeiCangzhouEcologicalEnvironmentMonitoringCenter,Cangzhou,

Hebei,061000）Abstract：Macroscopicanalysis,mechanicalpropertytesting,chemicalcompositionanalysis,SEM,metallographicanalysis,stressenvironmentanalysisandotheranalyticalmethodswereusedtoanalyzethefracturereasonsofcustomizedboltsof10.9-gradewindturbine.Theresultsshowthattheboltqualitymeetsthestandardrequirements.Insufficientfasteningforceofboltsmakestheconnectedpartsloose,theinterferencebetweentheconnectedposi