风电机组叶片螺栓断裂原因分析

左天强

(东方电气风电有限公司，四川618000)

国内某风力发电场多台机组投运不到一年频繁发生叶片螺栓断裂问题，螺栓断裂部位主要发生在变桨轴承侧的螺纹部分(螺母与变桨轴承的接触位置)，部分螺栓断裂部位在螺杆部分。

该风电场机组使用的叶片螺栓规格为M30，材质为42CrMoA，强度等级为10.9级。

1 叶片螺栓的设计与质量分析

1.1 叶片螺栓设计分析

该风电场使用的叶片按照GL标准设计，通过了第三方静力试验和疲劳试验认证，在叶片静力试验和疲劳试验中，未发生过叶片螺栓断裂或其它损伤，表明叶片螺栓的静强度和疲劳强度满足设计要求，该叶片螺栓设计安全校核见表1。

表1 叶片螺栓设计安全校核(单位：MPa)Table 1 Safety check of blade bolt design (Unit: MPa)

经排查，其它使用同型叶片的风电场(最长运行时间超过3年)未发生过叶片螺栓断裂问题。通过上述分析和排查，该风电场机组叶片螺栓断裂非叶片设计问题。

1.2 叶片螺栓质量分析

为了分析是否由于叶片螺栓质量问题导致叶片螺栓断裂，我们现场取了两颗断裂螺栓，其中1颗断裂位置位于螺纹部位，如图1所示；另1颗断裂位置位于螺杆部位，如图2所示。分别对两根螺栓进行化学成分、力学性能、金相组织、断口形貌等检查。

图1 1#螺栓断裂位置位于螺纹部位Figure 1 The fracture position of 1# bolt is located in the thread

图2 2#螺栓断裂位置位于螺杆部位
Figure 2 The fracture position of 2# bolt is located in the screw

2 螺栓断口组织与性能分析

2.1 断口形貌检查

1#、2#螺栓断裂形式均为疲劳断裂，断口形貌如图3所示，1#螺栓疲劳源位于牙根部位，2#螺栓疲劳源位于螺杆表面。

2.2 化学成分分析

(a)1#螺栓(b)2#螺栓

图3 螺栓宏观断口形貌Figure 3 Macroscopic fracture morphology of bolts

表3 螺栓力学性能检测结果Table 3 Test result of mechanical properties of bolt

(a)1#螺栓裂纹源区(b)1#螺栓芯部

图4 1#螺栓显微组织(500×)
Figure 4 Microstructure of 1# bolt (500×)

对断裂螺栓取样，进行化学成分分析，分析结果见表2，化学成分符合GB/T3077—2015的要求。

2.3 力学性能检查

断裂螺栓取样进行力学性能试验，试验结果见表3，其抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率、冲击性能、布氏硬度均符合GB/T3098.1—2010要求。

2.4 金相组织检查

取样螺栓的金相组织均为正常的回火索氏体，显微组织如图4、图5所示。

通过上述检查，可以排除叶片螺栓质量问题导致叶片螺栓断裂。

3 螺栓安装与维护

螺栓在安装、维护过程中，紧固力矩过大或者过小将影响螺栓的使用寿命。预紧力过大，可能造成螺栓拉伸应力超过螺栓材料屈服强度极限，而产生塑性变形，甚至断裂。预紧力过小，将增加螺栓疲劳载荷循环幅值(连接件在工作载荷作用下产生分离，降低连接体的刚度)，降低螺栓与连接件之间的摩擦力，使得螺栓连接副达不到设计要求的锁紧功能，在工作载荷作用下，螺栓连接件之间产生相对运动，使螺栓承受额外弯矩、拉伸和剪切等复杂的交变载荷，加剧螺栓的失效。螺栓松动也会增加螺栓的疲劳载荷，降低螺栓使用寿命。

(a)2#螺栓裂纹源区(b)2#螺栓芯部

图5 2#螺栓显微组织(500×)Figure 5 Microstructure of 2#bolt (500×)

图6 叶根端面与法兰结合面间隙
Figure 6 Gap between the surface of blade root and the flange joint surface

叶片在运行过程中，变桨、阵风、风切变等因素将使叶片螺栓受到冲击、振动等交变载荷，因此叶片在运行一段时间后，不可避免出现连接螺栓松动，也会增加螺栓的疲劳载荷，降低使用寿命。

经检查确认，该风电场叶片螺栓均按照设计和工艺要求进行安装，并按照半年一次的频率进行维护，紧固力矩、安装工艺、维护方案均符合技术要求，可以排除安装及维护原因导致叶片螺栓断裂。

4 螺栓连接体刚度

经现场检查，发生断裂的叶片螺栓，其叶根端面与法兰结合面间均存在约0.5～1 mm的间隙，如图6所示。

4.1 理论分析

依据VDI 2230高强度连接螺栓连接系统计算准则，螺栓连接件刚度降低，使螺栓疲劳载荷(对叶片螺栓是变化幅值)增加。疲劳载荷幅值ΔQb为：

ΔQb=Qe·Kb/(Kb+Kc)

式中，Qe为工作载荷；Kb为螺栓刚度；Kc为连接体刚度。

依据S-N疲劳曲线，疲劳寿命随疲劳载荷幅值增大而减少。根据计算，螺栓的疲劳寿命与疲劳载荷循环幅值的3～5次方成比例。

4.2 试验验证

根据相关文献，当叶片螺栓连接结合面间隙值大于0.4 mm时，叶片螺栓受到的载荷将迅速 增加，当间隙值为0.8～1 mm时，螺栓受到的载

荷将趋于平稳，叶片螺栓连接结合面间隙值与螺栓受力关系见图7。

为验证叶根端面间隙对叶片螺栓受力载荷幅的影响，叶片受载时，我们对叶根端面与叶片法兰不同间隙情况进行了对比试验，试验结果见表4。

试验方法：在叶根端面及法兰间设置不同间隙，然后通过转换器将叶片安装到试验台上，对叶片进行加载，通过螺栓上粘贴的应变片对螺栓应变进行监测。

图7 叶片螺栓连接结合面间隙值与螺栓受力关系Figure 7 Force relationship between the bolt joint surface clearance value and the bolt stress of blade

测试项目无间隙约0.5mm间隙约1mm间隙受拉螺栓应力变化(平均值)受压螺栓应力变化(平均值)50-43152-69238-242

试验用叶片法兰为6 mm；试验用螺栓规格为M30，螺栓材质为42CrMoA，强度等级为10.9级。试验叶片在受载情况下叶根弯矩约为1800 kN·m。

根据测试结果，叶片在受载情况下，叶根端面产生间隙与叶根端面无间隙相比，螺栓的应力载荷幅值显著增加。叶根端面与叶片法兰间隙约为0.5 mm时，受拉螺栓应变约增加3倍，受压螺栓应变约增加1.6倍。叶根端面与叶片法兰间隙约为1 mm时，受拉螺栓应变约增加4.8倍，受压螺栓应变约增加5.6倍。

5 结论

通过理论分析与试验验证，确定了该风电场机组投运短期内频繁发生叶片螺栓断裂的原因是由于叶根端面与叶片法兰间存在间隙，导致螺栓连接体刚度降低，造成叶片螺栓疲劳断裂。

[1] 顾富斌，付长江. 风电机组轮毂与延长节连接螺栓断裂原因分析探讨[J]. 风能产业,2015(5).