风力发电机叶片连接用高强度螺栓断裂原因

谭彦显, 黄 珂, 罗书径

(湖南省产商品质量监督检验研究院, 长沙 410000)

近年来，随着我国国民经济持续稳定的发展，螺栓、螺柱、螺母等标准件在车辆、船舶、桥梁、风力发电机等大型钢结构中被广泛应用。然而，起紧固连接作用的螺栓，尤其是高强度螺栓的受力比较复杂，在其服役过程中频频发生断裂事故，使各种设备存在重大的安全隐患，造成人力、物力的巨大损失[1-6]。某风力发电场25台XE112-2000型风力发电机组(以下简称风机)于2016年8月全部吊装完成并发电，2017年3月出现第一台风机叶片连接用高强度螺栓断裂事故，随后其他风机叶片连接用高强度螺栓也较频繁地出现了断裂现象，至今累计发现6台风机共16根叶片连接用高强度螺栓断裂。高强度螺栓的正常使用寿命应与产品的结构年限一致，一般为20 a(年)，其中一个断裂螺栓仅使用1.5 a就发生了断裂，属于早期断裂，该断裂螺栓为10.9级φ36 mm×599 mm螺栓，材料为42CrMo钢，在海拔约为800 m且雾气较重的环境下工作，工作温度为-10～50 ℃，其生产工艺为：下料→平头倒角→打钢印→调质处理→车加工→探伤→滚丝→表面处理。

为找到该风力发电机叶片连接用高强度螺栓的断裂原因，笔者进行了一系列检验与分析，以期减少该类事故的频繁发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

对断裂螺栓进行观察，其宏观形貌如图1所示。可见断裂位于限位开关及叶片零刻度附近，如图1a)所示。对断口进行超声波清洗，然后进行观察，可见断口有大面积较明显的海滩状花纹，根据弯曲弧线的逆向，可找到裂纹源区，位于螺纹顶部；沿着裂纹扩展方向，可看到光亮细腻的裂纹扩展区，而粗糙的瞬断区所占面积很小，说明最终导致螺栓断裂的外力较小，断口整体形貌如图1b)所示。该螺栓断口存在3个较明显的特征区域，即裂纹源区、裂纹扩展区、瞬断区，表明该螺栓断裂形式为疲劳断裂。图1c)为螺栓断口处螺纹顶部开裂形貌，可见是沿螺纹牙顶中心位置开裂，且该位置与断口裂纹源区重叠，进一步表明裂纹源位于螺纹顶部中心，判断断裂应与螺纹顶部内某些缺陷有关。

图1 断裂螺栓断口宏观形貌Fig.1 Macro morphology of fracture of fractured bolt:a) fracture position; b) morphology of overall fracture; c) morphology of the top of thread

1.2 扫面电镜分析

采用TESCAN VEGA3型扫描电镜(SEM)对断口进行观察，图2a)为裂纹源区的SEM形貌，可见该区域存在明显的贝壳状条带花纹；图2b)为瞬断区的SEM形貌，可见清晰的解理台阶和河流花样，为典型的脆性断裂特征。

图2 断裂螺栓断口SEM形貌Fig.2 SEM morphology of fracture of fractured bolt:a) crack source area; b) transient fracture area

1.3 化学成分分析

用碳硫分析仪和Optima 8000型等离子发射光谱对断裂螺栓的化学成分进行分析，结果如表1所示，可见化学成分符合GB/T 3077-2015《合金结构钢》对42CrMo钢的技术要求。

表1 断裂螺栓的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of fractured bolt (mass fraction) %

1.4 力学性能试验

根据GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》的技术要求加工拉伸性能试样，试样直径为φ5 mm。冲击试验的试样尺寸为10 mm×10 mm×50 mm。采用HR-150型数显洛氏硬度计、WAW-600型电液伺服材料试验机及JBD-450W型全自动摆锤冲击试验机进行力学性能试验,结果如表2所示，可见螺栓的各项力学性能均符合GB/T 3098.1-2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》对42CrMo钢的技术要求。

表2 断裂螺栓的力学性能试验结果Tab.2 Test results of mechanical properties of fractured bolt

1.5 金相检验

用线切割方法在断裂螺栓的断口裂纹源附近及远离断口的基体上取纵向金相试样，试样经打磨、抛光后用体积分数为4%硝酸酒精溶液浸蚀，然后在GX51F型光学相显微镜下进行观察。

1.5.1 显微组织观察

断裂螺栓远离断口的基体显微组织形貌如图3所示，可见其显微组织均匀、晶粒细小，为回火索氏体，是良好的调质态组织，符合GB/T 3098.1-2010对10.9级42CrMo钢螺栓的要求。

图3 断裂螺栓远离断口处心部显微组织形貌Fig.3 Microstructure morphology of the center far awayfrom fracture of fractured bolt

1.5.2 表面脱碳层检验

根据GB/T 3098.1-2010的技术要求，对远离断口处进行脱碳层检验，结果如图4所示，未发现有全脱碳或半脱碳现象，符合标准的要求；且螺纹表层组织呈纤维状，符合冷塑性加工变形(滚压成形)的特点。

图4 断裂螺栓远离断口处的螺纹中径表层形貌Fig.4 Surface morphology of thread pitch diameter far awayfrom fracture of fractured bolt

1.5.3 螺纹根部及顶部微裂纹检验

螺纹根部显微组织形貌如图5所示，可见表层组织亦呈纤维状，是冷塑性加工变形(滚压成形)后的痕迹，螺纹根部表面光滑，无脱碳、裂纹。断口处螺纹顶部存在许多细小裂纹，裂纹附近的显微组织与螺栓心部的一致，为回火索氏体，裂纹呈树枝状，有主裂纹和若干条分叉裂纹，形貌如图6a)所示。断口处螺纹上的裂纹位于螺纹顶部的中间位置，其走向与金属变形的流线相关。除断口处的螺纹存在微裂纹外，远离断口的螺纹均有该种裂纹，如图6b)所示。此外，在个别螺纹的腰部也存在类似的微裂纹，如图6c)所示。

图5 断裂螺栓螺纹根部显微组织形貌Fig.5 Microstructure morphology of thread root of fractured bolt

图6 断裂螺栓不同位置螺纹的显微组织形貌Fig.6 Microstructure morphology of treads at differentpositions of fractured bolt:a) top of thread at fracture; b) top of thread away from fracture;c) waist of thread away from fracture

2 分析与讨论

2.1 断裂原因分析

由图2的断口SEM形貌可知，在断裂螺栓的裂纹源区存在疲劳断裂形成的贝壳状条带花纹，瞬断区呈脆性断裂特征，属于典型的疲劳断裂。疲劳断裂分为裂纹源的萌生、裂纹缓慢扩展和瞬断3个阶段，疲劳寿命即为这3阶段之和。裂纹源的萌生和扩展决定了疲劳寿命的长短，尤其是第一阶段在构件的疲劳总寿命中常常占有很大比例[7]。疲劳裂纹源的萌生与很多因素有关，如表面粗糙度、表面应力状态、循环载荷的大小及零件原材料自身的某些缺陷等。如果零件原材料已具备可直接扩展的裂纹源，则无裂纹源的萌生阶段，使零件的疲劳寿命大大降低，造成零件的早期疲劳断裂。该断裂螺栓的疲劳裂纹源位于螺纹处，如图1b)所示，而在图1c)中可清楚地看到螺纹沿顶部中间开裂，说明螺纹中间(顶部)为疲劳裂纹源。由金相检验结果可知，不管是断口处螺纹或远离断口其他位置螺纹的顶部都存在树枝状的微裂纹，且位置与图1c)裂纹的一致，为螺纹顶部偏中心处，证明螺纹顶部为疲劳裂纹源。因此判断早期疲劳断裂的原因是螺纹顶部存在微裂纹源。

2.2 螺纹顶部微裂纹形成原因分析

由图6可知，螺纹顶部偏中心位置均存在树枝状微裂纹。有文献[8-9]指出，应力腐蚀裂纹常常产生大量分叉，并在大致垂直于影响其产生及扩展的应力方向上连续扩展；且在检验过中，将金相试样放置2～3 d后观察，裂纹更加清晰，具有延滞开裂的特点，与应力腐蚀开裂的特点吻合[10]。应力腐蚀开裂通常是在很低的拉应力及腐蚀介质联合作用下，沿某些冶金、焊接或结构缺陷(包括尖角、内应力集中处)优先腐蚀形成裂纹源。由螺栓成形工艺可知，该螺栓先调质处理后滚压成形，使得螺纹根部、顶部及侧面显微组织具有纤维状的流线变形形态如图4所示，这种加工成形方式虽然避免了调质时的高温氧化脱碳现象，使材料易于满足GB 3098.1-2010不脱碳的要求。但材料在调质处理后强度高，滚压成形后形成的残余内应力较大，容易突破应力腐蚀开裂门槛值，为应力腐蚀开裂提供了条件，其次应力腐蚀开裂对其环境的要求并不十分荷刻，如潮湿的空气、海洋气氛、工业环境、农村环境都有可能引发零件的应力腐蚀开裂。

通常认为，螺纹的滚压成形工艺在表面会形成压应力，有助于疲劳寿命的提高，因而滚压成形工艺在螺纹的加工中被广泛采用[11]。但实际上滚压成形的螺纹由于外侧表面受到挤压，螺纹顶部的中心会产生反作用力，使该处实为拉应力状态。由图5可知螺纹根部无微裂纹，也证明了螺纹顶部中心位置为拉应力状态，满足了应力腐蚀开裂为拉应力状态的条件。螺纹在滚压成形过程中，由于加工硬化导致材料的塑性变形抗力增大，硬度和强度提高，而塑性和韧性下降，也极大地增加了在螺纹顶部产生微裂纹和折叠等缺陷的可能[12]，虽然在GB/T 5779.1-2000《紧固件表面缺陷 螺栓、螺钉和螺柱 一般要求》、GB/T 5779.2-2000《紧固件表面缺陷 螺母》中允许螺栓内部存在不影响使用的裂纹，但如图1c)所见，螺栓会沿这一缺陷位置开裂，降低力学性能。笔者认为,经先调质后滚压成形的螺纹，因受到加工硬化的影响，其材料变形抗力增大，增加了螺纹的表面缺陷，导致螺纹顶部偏中心处极易出现应力腐蚀裂纹，对此螺栓的生产企业和使用单位应予以重视。

由于GB 3098.1-2010中对螺纹的脱碳层深度有严格要求，为了避免脱碳，生产企业在生产高强度螺栓时往往采用先调质后滚压成形的机械加工成形方法，但该方法很难避免螺纹缺陷的产生，引起腐蚀疲劳断裂。

3 结论及建议

XE112-2000型风力发电机叶片连接用高强度螺栓的断裂形式为腐蚀疲劳断裂。主要原因是螺栓的螺纹成形工艺为先调质后滚压成形，滚压成形的螺纹由于外侧表面受到挤压使顶部实为拉应力状态，又因为螺栓受到加工硬化的影响，其材料变形抗力增大，增加了螺纹产生微裂纹和表面缺陷的可能，导致螺纹顶部偏中心处产生应力腐蚀裂纹，在之后的服役过程中，由于疲劳作用，裂纹处产生应力集中，导致裂纹快速扩展，最终发生腐蚀疲劳断裂。

为减少螺纹缺陷，避免腐蚀疲劳断裂，材料应在具有较高的塑性和韧性时进行加工，使滚压产生的残余应力小于应力腐蚀开裂门槛值。为减少表面缺陷，建议在调质处理后，采用热滚压的方法，加工前先退火以降低变形抗力，再进行滚压成形，最后进行调质处理来提高材料的强度，且调质处理应在还原性气氛炉内进行，以避免螺纹的氧化脱碳。同时，为确保螺纹表面为压应力，在表面处理前增加一道喷丸处理工序。