风电机组主轴断裂原因分析及预防措施

孙 星，高瑞林，塔米尔

（中广核新能源投资（深圳）有限公司内蒙古分公司，内蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

传统的风力发电机组中，主轴是风轮的转轴，支撑风轮并将风轮的扭矩传递给齿轮箱，将轴向推力、气动弯矩传递给底座。作用在主轴的载荷除了与风轮传来的外力有关外，还与风轮（主轴）的支撑形式及主轴支撑的相对位置有关[1]。随着风电机组投运年限的增加，在早期投运或运行10 a以上的机组中，出现了主轴裂纹甚至断轴事故。本文以某风电场发生的一起风电机组主轴断裂事故为例，进行风电机组主轴断裂原因分析及预防措施研究。

1 机组概况

发生主轴断裂的风电机组为双馈异步发电机组，额定容量850 kW，叶轮直径52 m，额定转速24.2 r/min，齿轮箱传动速比62∶1。主轴采用独立轴承支撑形式，通过前、后轴承支撑并安装于机舱底盘。主轴内部为轴向通孔，变桨活塞和变桨连杆在内部连接，机组变桨方式为统一变桨，由变桨连杆与统一变桨机构驱动3个叶片同时进行变桨。

主轴的材料为34CrNiMo6，螺栓有效长度为750 mm，前轴承直径320 mm，后轴承直径300 mm，轴承件的距离822 mm，主轴全长1 730 mm。

2 事故原因分析

2.1 事故经过

某风电场1603号风机报转速比较故障，机组故障停机。检修人员到现场后发现风机轮毂与机舱不在同一水平线，叶片变形。登塔检查发现，主轴在距与轮毂连接的法兰40 cm处发生断裂，因主轴结构为空心轴，其内部穿有变桨连杆，主轴断裂后变桨连杆未折断，轮毂通过变桨连杆支撑并悬挂于半空。

2.2 现场运维问题

现场调查，风机在事故发生前进行过全年维护。维护内容：设定发电机转速100 r/min，检查轴承盖内是否有轴承噪声和振动；润滑主轴前、后轴承各注入400 g润滑脂；检查前后接油盒固定支架，清理接油盒内排油；检查主轴密封圈密封状况是否良好，密封圈有无老化、破损现象；维护中记录的机组缺陷是变桨连臂间隙大。未发现定期维护中的不合理项目和维护不良情况。

2.3 机组运行工况

查看现场运行记录和机组数据，1603号风机2019年机组10 min最大风速为24.9 m/s，出现在2019年2月12日，其中2019年2月11日—12日，风速较大，平均风速在17.89 m/s左右。机组故障当日的平均风速为8.5 m/s，排除极端大风天气对主轴造成的异常载荷情况。

2.4 机组故障记录

查看机组故障记录，2019年1603号风机共报出转速相关故障27次，转速比较故障10次，叶轮超过最大转速故障13次，以上两类故障在2019年12月份频繁报出，共有故障16次，占这类故障年度发生频次的59.2%。

2.5 机位信息

对故障机组进行GPS定位，1603号风机坐标为北纬40°08′36.17"、东经114°41′51.78"。经现场踏勘，风机所处机位地势均较为平坦，可以初步排除因地势问题导致的机组受力异常情况。

2.6 断裂主轴材料理化分析

a）成分检测。依据GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》对主轴检材进行成分检测，并依据EN 10083.3—2006《淬火和回火钢》进行判定。检测结果显示，材料成分均符合要求。

b）拉伸性能检测。依据GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》对主轴检材1抗拉强度进行检测，并依据JB/T 12137—2015《风力发电机组主轴锻件技术条件》进行判定，检测结果显示，主轴各力学性能均符合要求。

c）冲击韧性检测。依据GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》对主轴检材在-40℃条件下的纵向冲击韧性进行检测，检测结果为9.9 J，不满足JB/T 12137—2015《风力发电机组主轴锻件技术条件》中规定的-40℃条件下冲击韧性要大于45 J的要求。

d）断口形貌检测。依据GB/T 19863—2005《体视显微镜试验方法》对主轴检材断口形貌进行检测。由检测结果可知，断口宏观未见明显塑性变形，断口表面存在磨损痕迹和锈蚀痕迹，宏观可见明显疲劳弧线，疲劳源位于疲劳弧线收敛处的主轴表面。断口可分为3个区域，Ⅰ区为疲劳裂纹源区，裂纹源位于主轴表面，断面较平坦；Ⅱ区为疲劳扩展区，断面上可清晰看见疲劳贝纹线，该区域占整个断面大部分的区域；Ⅲ区为疲劳终断区，终断区较小。疲劳扩展区较大，说明断裂主轴在发生裂纹扩展时受到的应力水平较低，断裂主轴发生了低应力高周疲劳断裂。

e）金相组织检测。依据GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》对主轴检材金相组织进行检测。由检测结果可知，断裂主轴基体组织为索氏体+少量贝氏体，断口处主轴表面附近组织发生明显变形，呈纤维状，疲劳源附近组织发生了明显的塑性变形，成纤维状，且断口处也没有高温磨损的痕迹，而主轴表面存在磨损痕迹，说明主轴表面疲劳源处曾受过外力作用，使主轴表面产生损伤，疲劳裂纹源萌生。在风机长期运行中，主轴在交变应力与附加载荷长期作用下，损伤处应力集中，使裂纹发生扩展。

2.7 存在的问题

通过原因查找，排除了人为因素和异常故障造成的断裂原因。通过主轴材料理化分析可知，主轴低温（-40℃）抗冲击韧性差，使主轴抗外来冲击载荷能力下降。主轴表面长期受外力作用产生损伤，在交变应力及附加载荷作用下，主轴损伤处应力集中而发生疲劳扩展，长期运行过程中最终发生疲劳断裂。

3 预防措施

对于主轴断裂事故，以预防为主，除应在定期维护中按照机组维护手册进行主轴及轴承的清扫、擦拭、润滑外，还应掌握正确的主轴裂纹排查方法。与此同时，应利用先进的监测检测技术，提早发现机组缺陷。主轴裂纹排查方法如表1所示。

表1 主轴裂纹排查表

3.1 主轴轴承测温装置

在主轴前后轴承加装温度传感器后，通过测试，能正常检测主轴前后轴承温度并对异常高温进行报警停机。对温度数据进行存储，分析主轴运行状况，可发现异常高温，及早进行检查处理，减少主轴部件损坏，确保机组安全稳定运行。

主轴运行温度限值参考《GB/T 32321—2015滚动轴承密封深沟球轴承防尘、漏脂及温升性能试验规程》中关于轴承温升限值的要求，参考环境温度进行调整。在进行温度监控中应排除因轴承密封和润滑不良造成的高温现象，定期进行轴承密封检查和润滑效果评价，对散热不良且油脂在轴承内部形成板结的机组，可进行轴承清洗。

3.2 机组在线振动监测

利用振动检测设备，采集主轴径向、轴向振动数据，在0～500 Hz的频谱中找出主轴运转时的异常数据，确定主轴是否存在偏心现象或异常振动情况。

3.3 主轴无损检测技术应用

目前市面应用的主轴无损检测技术主要有着色探伤、超声波相控阵检测、声发射AE（acoustic emission）检测。着色探伤工艺要求简单，易于现场操作，但在现场检测过程中发现，主轴和轴承连接处装配工艺和密封复杂，属于检测盲区，且这部分正好是应力集中区域，易发生裂纹。用超声波相控阵检测技术时，首先缺少正常主轴的基础样本，难以进行数据对比；其次超声波相控阵无法对主轴在转动情况下进行检测，检测过程需要对主轴表面除漆，工艺复杂，不符合在线监测的要求[2-3]。AE检测时主要利用信号通过采集物体因内部结构变化引发不稳定的应力分布特征后出现的频率成分来进行分析，具有较高的灵敏性，在压力容器、材料分析、地质勘探中有广泛的应用，也是发现风电机组主轴早期裂纹最有效的方法。只是AE检测对于机组在运行过程中机舱强噪声环境下的信号分离和故障数据的采集和定义仍然存在技术上的难题，还处于实验室验证阶段，工程应用不理想[4]。

4 结束语

通过以上分析，对于预防主轴断裂事故，还是要开发先进的在线监测技术，以达到运行状态实时监测，但就行业发展来看，各种检测技术还存在一定的局限性。目前，主要通过现场排查发现早期裂纹，对存在裂纹隐患的风电机组要进行正确的预防和处理。首先，主轴存在初期裂纹时，其特定风速下的转速将发生变化，这一变化可以由机组转速保护逻辑发现，机组容易报出转速比较故障，机组转速比较故障禁止远程复位。其次，应对主轴承运行温度、振动数据进行采集和分析，如发生振动异常或高温事件，不允许远程复位，需先进行登塔排查。最后，对于异常主轴的检查，在未排除主轴结构损伤前，建议只进行静态无损探伤，不建议进行振动监测。如发现主轴开裂故障，应在第一时间将叶轮吊下，防止叶轮和齿轮箱伴生缺陷产生，杜绝叶轮掉落、倒塔等重大事故发生。