风力发电机浆叶连接螺栓断裂原因

赵 勇, 蒋 涛, 张炳奇, 孙 越, 杨 兵

(1.大唐东北电力试验研究院有限公司, 长春 130102； 2.武汉大学, 武汉 430072)

高强螺栓是风力发电机组的重要连接部件，受风速方向和大小的影响，在运行中承受循环载荷的作用，易产生松弛现象甚至发生疲劳断裂，给企业带来很大的安全风险和经济损失，因此检修规程要求每年对风力发电机的浆叶等关键部位的连接螺栓进行一次100%力矩紧固维护[1]。

某风力发电场13号风力发电机为1.5 MW型变速恒频、变桨距控制风力发电机，浆叶根部呈环形，均匀分布安装有54根双头紧固螺栓。螺柱规格为M36 mm×4 mm×657 mm，材料为42CrMoA钢，强度等级为10.9级，螺母材料为35CrMo钢，性能为10级，垫圈材料为45钢，该13号风力发电机的参数见表1。该风力发电机自2012年投运后，每年进行一次力矩紧固维护。2019年10月，1号叶片第11号连接螺栓在力矩紧固维护时发生断裂，断裂

螺栓位于浆叶轮毂连接螺栓孔180°位置，如图1所示。断裂部位位于连接螺母下表面第1个螺纹根部，如图2所示，在螺栓断裂时已累计运行41 694 h。

图1 断裂螺栓位置示意图Fig.1 Diagram of the fractured bolt location

图2 断裂螺栓宏观形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured bolt

为找出连接螺栓的断裂原因，笔者对断裂的连接螺栓进行了一系列检验和分析，以期类似事故不再发生。

1 理化检验

1.1 宏观分析

图3 断裂螺栓的断口宏观形貌Fig.3 Macro morphology of fracture of the fractured bolt

通过体视显微镜观察断裂螺栓的断口宏观形貌，如图3所示,可见断口具有典型的疲劳断口特征。断口分为3个区：裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区。断口呈多疲劳源断裂形态，有两个裂纹源，两个裂纹源扩展连接形成了一个台阶；疲劳扩展区呈灰白色，整个区域较为平坦，疲劳辉纹清晰可见，根据疲劳辉纹走向，裂纹瞬断于1/5螺栓截面；瞬断区颜色发暗，比较粗糙，并且面积较小，说明螺栓断裂时，此螺栓剩余横截面积已经很小。

1.2 金相检验

采用Axio Observer A1m型金相显微镜对断裂螺栓非金属夹杂物及螺纹根部的显微组织进行检验，可知螺栓内部存在较多硫化物和环状氧化物类非金属夹杂物，如图4所示。与标准图片进行对比和分析后，硫化物评为细A 2.0级，环状氧化物评为D 1.5级。

图4 断裂螺栓非金属夹杂物形貌Fig.4 Morphology of nonmetallic inclusions in the fractured bolt

螺纹根部近表面部位存在较大尺寸的非金属夹杂物，如图5 a)所示，部分螺纹根部表面存在楔形缺口，如图5 b)所示。断裂螺栓的显微组织正常，如图6所示，为回火索氏体，表明螺栓的热处理工艺正常。

图5 断裂螺栓螺纹根部微观形貌Fig.5 Micro morphology of thread root of the fractured bolt: a) near surface inclusions at the thread root; b) notch of thread root

图6 断裂螺栓显微组织形貌Fig.6 Microstructure morphology of the fractured bolt

1.3 化学成分分析

利用SPECTROMAX型台式光谱分析仪对断裂螺栓进行化学成分分析，结果见表2,可见其化学成分符合GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》对42CrMoA钢的成分要求。

表2 断裂螺栓的化学成分(质量分数)Tab.2 Chemical compositions of the fractured bolt (mass fraction) %

1.4 力学性能试验

对断裂螺栓进行维氏硬度检测和-20 ℃下低温冲击试验，结果见表3，螺栓维氏硬度和-20 ℃下冲击吸收能量均符合GB/T 3098.1—2010的技术要求。

表3 断裂螺栓的力学性能试验结果Tab.3 Mechanical properties test results of the fractured bolt

2 分析与讨论

通过以上理化检验结果可知，断裂螺栓的化学成分、显微组织、维氏硬度、-20 ℃下冲击吸收能量等均满足标准要求。螺栓材料中硫元素的含量虽然符合要求，但在微观上，由于硫的固溶度有限，易与锰形成MnS夹杂[2]。图4表明断裂螺栓存在数量较多的断续硫化物夹杂，这些非金属夹杂物破坏了金属基体的均匀性和连续性，对螺栓性能影响很大[3]。该风力发电机连接螺栓长期在复杂应力环境下工作，夹杂物周围易形成应力集中，引起夹杂物本身开裂或基体与夹杂物界面开裂，形成微裂纹。如果夹杂物位于螺纹表面，在螺栓酸洗、电镀等加工制造过程中就会产生表面缺口，形成裂纹源[4]。

2.1 叶根螺栓受力分析

为了测量螺栓轴向受力情况，在风力发电机浆叶轮毂0°和180°位置的螺母下方加装垫片式压力传感器，实时监测螺栓的轴向载荷变化情况。当风速3 m·s-1时，浆叶连接螺栓轴力每分钟变化9个波形，此时风力发电机主轴转速为9.61 r·min-1；当风速力9 m·s-1时，浆叶连接螺栓轴力每分钟变化16个波形，此时风力发电机主轴转速为15.67 r·min-1，浆叶连接螺栓的轴向力变化呈正弦周期性变化，如图7所示，其变化频率与风力发电机主轴转速相一致，说明螺栓在运行过程中承受周期性的交变应力作用[6-7]。由于连接螺栓安装预紧力过低、未采取适当的防松措施或装配方法不当都会引起螺栓松动，从而降低连接螺栓的抗疲劳性能，风力发电机浆叶运行过程中产生的周期性振动及高低载荷变化，将促使连接螺栓裂纹源扩展，导致连接螺栓断裂。

图7 螺栓轴向力周期性变化曲线Fig.7 Periodic variation curve of bolt axial force

2.2 有限元分析

利用有限元分析软件对叶根和浆叶连接螺栓组的受力情况进行有限元分析，运行中叶根因受到中心弯矩的作用，使得叶根处一端受拉另一端受压，这种受载方式使叶根出现受拉、压两端处的应力值较大，中间处应力值较小[7-9]，如图8所示。浆叶螺栓组中受力最大的连接螺栓出现的位置与叶根受力最大处位置相一致，即180°区域，这是因为在未施加弯矩和轴向力之前，连接螺栓组在预紧力作用下，叶根与变桨轴承紧密贴合，而叶根在施加了集中轴向力与中心弯矩以后，叶根受拉一侧(180°)发生拉伸形变，而此处的连接螺栓也跟着被拉伸，应力值增大，受压一侧(0°)的叶根被压缩，连接螺栓被放松，此处的应力值相对受拉一侧减小。双头螺柱受力最大位置出现在180°区域的螺柱头与螺杆交界处的第一螺纹处[9-11]，如图9所示。仿真结果显示的连接螺栓受力最大位置与11号连接螺栓实际断裂位置相吻合。

图8 叶根应力云图Fig.8 Stress nephogram of blade root

图9 双头螺柱应力云图Fig.9 Stress nephogram of double head stud

3 结论及建议

该连接螺栓的冶金质量较差，存在较多的非金属夹杂物并形成裂纹源，在周期性交变载荷作用下裂纹源不断扩展而未被发现，使螺栓剩余工作截面变小，最终在力矩紧固维护时于螺栓与螺母咬合部位第1螺纹根部处发生断裂。

建议适当减小螺栓直径来增加螺栓的柔度，提升螺栓的抗疲劳性能，定期对风力发电机浆叶螺栓进行无损检测，发现螺栓有裂纹，应进行更换；开展螺栓在线应力监测，防止预紧力松弛导致螺栓疲劳断裂。