风电机组叶片螺栓断裂原因分析及处理

（中国水电顾问集团风电隆回有限公司，湖南邵阳 422200）

0 引言

虽然风电机组面临着设备大型化带来的工作负担和恶劣工作环境带来的负面影响，但是叶片螺栓的断裂并不能将全部原因归结到以上两点，在面对叶片螺栓断裂的情况发生时，在传统机械故障诊断方法之外，也需要换一种思维，用非线性相关故障诊断方法去综合判断断裂发生的原因，并进行多次模拟和测试，最终得出具有可靠性和合理性的结果和判断。

1 风力发电机叶片简述

一般来说在现代工艺下，风力发电机的叶片采用的是纤维加强的复合型材料，在面对恶劣的气候环境下也能保持较高的工作效率，风力发电机的叶片可以分为三个部分，第一个为玻璃纤维加强材料和基体树脂复合而成的外壳，这种复合外壳一般由两个灌注成型的构架通过粘合方式形成，玻璃纤维加强材料是汽车领域常见的材料之一，具有耐高温、高强度、不能点燃等特点，在与基体树脂进行复合使用之后，更有轻质、耐腐蚀、绝缘等特点，因此这种材料应用于风力发电之中，一方面风力发电的轻量化可以提升发电的质量和效率，另一方面稳定的物理和化学性能使得风力发电工作的稳定性大大提升，第二个部分为对外壳起到支撑作用的主梁，主梁使用的材料一般和外壳使用的材料相一致，第三个部分为根部，是风力发电中叶片与发电机连接的重要部位，在风力发电机工作的过程中，由于叶片在风力的作用下不断转动，叶片根部承受着剪切、挤压、弯扭载荷等多种的组合作用，这种复杂的应力状态对于根部的金属性能提出了极高的要求，一旦叶片根部因为长期作业而导致疲劳断裂，风电机组的叶片便会和发电机失去联系，发电机在不能正常工作的状态下不仅会导致发电效率的降低，在极端的天气情况下更有可能导致灾难性安全事故的发生，而螺栓则是保证风力发电机叶片稳定工作的重要零件，在一般情况下叶片螺栓的断裂可以分为在不利载荷下出现的高应力而导致的断裂和在长期作业的循环发生的疲劳断裂，因此，在出现叶片螺栓断裂的事故后，对叶片螺栓的静强度、疲劳强度和断裂强度的校核就成为了断裂原因分析的重点所在[1]。

2 叶片螺栓常见的断裂原因概述

2.1 叶片螺栓本身的质量问题

内部缺陷和外部损伤是叶片螺栓常见的质量问题，保证载荷是叶片螺栓能够正常投入使用的基础条件，尤其是对于风力发电这类高强度的工作而言，如果在螺栓的生产检测过程中叶片螺栓在规定的拉力载荷下不能抵抗塑性变形，便是不合格产品，这种不合格的零部件一旦投入正式作业，由于预紧力和工作载荷的长期作用，叶片螺栓便会产生塑性变形，预紧力也会随之降低，叶片螺栓的松脱也就在所难免，此时一旦因为环境原因或人为原因产生了较大的冲击载荷，叶片螺栓的断裂可能性就会大大增加。

2.2 叶片螺栓的过程控制不到位

叶片螺栓在生产完毕进入施工场地时，需要现场工作人员对叶片螺栓质量进行检测和记录，然而工作人员工作上的不细心便有可能导致对叶片螺栓已存缺陷的忽视，一旦在叶片安装前没有查出缺陷，对于后期叶片螺栓的断裂故障便很难进行细致的排查和分析。此外，叶片螺栓在安装过程中也存在着相应的问题，润滑剂是其中最常见的原因之一，按照正常的施工规范，叶片螺栓需要润滑剂的均匀涂抹，而有些工作人员疏忽大意，忘记涂抹润滑剂或者对叶片螺栓的涂抹不均匀，便会对叶片螺栓的预紧力产生负面影响，在正式投入使用后断裂的可能性就会大大增加[2]。

2.3 维护标识不规范

风电机组在正式投入使用之后，后期的保养和维护工作也同样重要，尤其是在风力发电机的力矩维护之中，按照规范工作人员需要在螺杆、螺母和垫片上将力矩用不同颜色的线标识出来，方便下一次的力矩维护工作，而有些工作人员不按规范操作，会导致力矩标识线混乱，一旦螺栓在正式工作中逐渐松脱或是有断裂迹象，在下一次的力矩维护中因为标识线的混乱而无法对螺栓的工作状态进行准确确认，便会埋下极大的安全隐患。

3 螺栓断裂原因的科学分析

除了叶片螺栓本身的质量问题之外，在风电机组正式的工作中导致其断裂的主要原因为疲劳破坏和极限破坏两种，在叶片螺栓的端口进行宏观观察可以发现，若螺栓断口十分整齐，表面与轴向呈垂直状态，断口从上到下可以明显看出磨光区和疲劳弧线和剪切唇，便可以判断断口具有疲劳破坏的特征，要想具体确定叶片螺栓是否为疲劳断裂，还需要判断疲劳辉纹的存在。

4 风电机组叶片螺栓断裂的处理措施

一旦发现风电机组叶片螺栓断裂的状况，及时更换螺栓是第一要务，值得注意的是，在对叶片螺栓进行更换时，还需要对现场的状况进行判断选择，更换策略，一般来说，在大部分螺栓断裂状况中，可以就地将损坏的螺栓和相邻3～5根螺栓一起取出再进行更换，这种方法可用来快速处理突发事件，同时对其他风力发电机的影响较小，但是在更换之后还需要派专人定期对更换螺栓进行观察，防止断裂的状况再次发生，因此这种处理方法并不能一次性完美解决断裂问题，第二种方法则是将整个叶片用吊车调下，将根部上的螺栓全部更换之后再重新装上叶片，这种方法虽然较为麻烦，但是可以一次性解决断裂问题，因此在面对实际的叶片螺栓断裂情况，需要根据现场判断断裂的严重程度，再选取合适的方法。此外，为了预防叶片螺栓断裂事故的发生，除了加强对前期安装的监管之外，还需要定期对螺栓力矩进行检查，从而降低事故发生的可能性。

5 结语

综上所述，不管叶片螺栓是在制造、安装、作业还是后期养护工作中发生了断裂，都需要工作人员在第一时间找到断裂的具体位置，并对叶片螺栓进行更换，然而现场状况的不同会对更换螺栓的方法产生较大的影响，因此工作人员在更换时必须要仔细考虑更换方式，在事后也需要对叶片螺栓断裂的原因进行细致排查，才能从根本上减少此类危险情况出现的可能性，本文就风电机组叶片螺栓断裂原因及处理方式进行了分析，希望能给相关从业人员一些参考。