摘 要:某風電場3MW 機組在投運后,多次發生葉片連接螺栓斷裂事故。采用宏觀觀察、化學 成分分析、力學性能測試、金相檢驗、資料對比核查、登機現場檢查等方法,對螺栓的斷裂原因進行 研究。結果表明:螺栓因受到周期性交變應力作用而發生疲勞斷裂;螺栓的裝配精度不足,安裝過 程中存在偏心現象,導致螺栓桿部與螺栓孔內壁緊密接觸,局部受擠壓力過大;安裝時,潤滑膏涂抹 控制不到位,造成葉片連接螺栓預緊力不均勻,最終導致螺栓發生疲勞斷裂。建議更換損壞的葉片 連接高強螺栓,嚴格遵守高強螺栓的裝配要求,正確涂抹螺栓潤滑膏,以確保機組安全穩定運行。
關鍵詞:風電機組;葉片;高強螺栓;疲勞斷裂;預緊力
中圖分類號:TB31 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)03-0053-04
風力發電具有環境污染小、安裝快、維護費用低 等優點。目前,國內的風能資源豐富,風電產業發展 迅速,但隨著大批風電機組的安裝,主軸斷裂、葉輪 掉落、葉片斷裂等安全事故頻發,風電機組的質量安 全問題也得到廣泛關注。
風電機組各部件之間采用高強螺栓連接,多應 用在塔筒、葉輪、輪轂、齒輪箱等關鍵部位,在運行中 承受著循環交變載荷的作用,易產生疲勞,甚至斷 裂[1]。某風電場3MW 機組在投運后,多次發生葉 片連接螺栓斷裂事故。該3MW 機組葉片通過沿 其內環均勻分布的64根螺栓與輪轂連接,葉片連接 高強螺栓規格為36mm×487mm(直徑×長度), 材料為42CrMoA 鋼,強度等級為10.9級。筆者采 用宏觀觀察、化學成分分析、力學性能測試、金相檢 驗、資料對比核查、登機現場檢查等方法,對螺栓的斷裂原因進行了研究,并提出了改進建議,以避免該 類事故再次發生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
現場檢查發現3根葉片高強螺栓根部斷裂,其 中2根螺栓斷裂后卡在變槳齒圈與變槳電機齒輪之 間。葉片與輪轂采用雙頭螺栓連接,底端是橫向螺 母(T型螺母),隱埋在葉片根部內,外部吸附玻璃 鋼,頂端是六角螺母。葉片螺栓連接方式和安裝方 式如圖1所示[2]。3根斷裂螺栓的宏觀形貌如圖2 所示,可見2根螺栓均斷裂于T型螺母內部。
用LeicaA60H 型體式顯微鏡觀察1# 螺栓和 3# 螺栓斷口的宏觀形貌,結果如圖3所示。由圖 3a)可知:1# 螺栓斷口由裂紋源區(Ⅰ)、裂紋擴展區 (Ⅱ)和最終瞬斷區(Ⅲ)組成,裂紋源位于螺栓外緣 應力集中處,裂紋由邊緣向中心擴展,裂紋源區斷口 表面光滑,分析為工作應力突然增大而導致裂紋萌 生;裂紋擴展區呈淺灰色,整個區域較為平整,隱約 可見疲勞貝紋線;裂紋瞬斷于螺栓橫截面1/5處,最 終瞬斷區與橫截面的夾角約為45°,斷面較粗糙,顏 色發暗[3-5]。
由圖3b)可知:3# 螺栓外緣有兩處裂紋源(啟裂 區1和啟裂區2),螺栓受交變載荷作用,首先從啟 裂區1處萌生裂紋,裂紋沿螺栓橫截面擴展,擴展區 可見明顯的疲勞輝紋線;從啟裂區2處萌生新的裂 紋,該疲勞裂紋擴展并與啟裂區1處的裂紋匯合,當 裂紋擴展至螺栓剩余面積不能承受葉片的載荷時, 高強螺栓發生疲勞斷裂。1# 螺栓和3# 螺栓的最終 瞬斷區面積所占比例均較小,說明螺栓最終斷裂時 所受應力不大,螺栓斷裂不是過大的持續載荷所致。
1.2 化學成分分析
采用 OLYMPUS型直讀式光譜儀對1# ~3# 螺栓試樣進行化學成分分析,結果如表1所示,可知螺栓化學成分均符合GB/T3077—2015《合金結構 鋼》的要求。
1.3 力學性能測試
在1# ~3# 螺栓的螺桿部位取樣,進行室溫拉 伸試驗及洛氏硬度測試,結果如表2,3所示,可知 1# ~3# 螺栓的各項力學性能指標均符合 GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》 的要求,其中靠近螺紋根部和螺紋頂部區域的硬度 高于螺栓心部區域的硬度,原因是螺紋機械制造過 程產生了加工硬化現象[6]。
1.4 金相檢驗
在1# 螺栓和3# 螺栓的橫向取樣,經研磨、腐蝕 后用光學顯微鏡進行金相檢驗,結果如圖4所示,可 知1# 螺栓和3# 螺栓的顯微組織均為回火索氏體, 組織未見異常。
1.5 資料對比核查
該風電場有16臺3MW 機組,其中15臺機組葉 片長度為55m,1臺機組葉片長度為58m,但兩種不同 葉片長度機組的葉片連接螺栓設計參數完全相同,故 存在安全裕度不足的現象。對另外2個風電場(主機 廠不同)的3MW機組葉片連接螺栓參數進行了調研, 均未發生葉片連接螺栓頻繁斷裂事故。此外,葉片長 度增加3m,相應的葉根最大彎矩、最大軸向力均有所 增大,螺栓的運行載荷也相應增大,因此機組葉片螺栓 頻繁斷裂可能與制造廠設計安全裕度不足有關。
1.6 登機現場檢查
登機現場檢查發現變槳軸承和斷裂螺栓安裝面 上有殘存的潤滑膏(見圖5),使螺栓預緊力變小,螺 栓局部受力不均,造成螺栓提前疲勞,甚至斷裂[7]。 同時發現部分螺栓有松動現象,螺栓緊固后,定位標 志線錯位超過20°,斷裂螺紋與 T型螺母表面可見 不同程度的摩擦光亮痕跡,表明運行過程中螺栓有 松動或滑動現象。螺栓松動或滑動后,其所受的交 變應力增加,促使螺栓發生疲勞斷裂。
2 螺栓更換施工方案
該風電場螺栓的更換施工方案為,更換斷裂螺 栓和其左、右兩側各兩根螺栓,及該5根螺栓圓周對 角線對應的5根螺栓,共計10根(見圖6)?，F場裝 配要求為:變槳軸承與墊圈接觸面不允許涂抹潤滑 膏,保證裝配質量,避免影響螺栓預緊力的均勻性; 該機組葉片螺栓頻繁斷裂,聯系主機廠對該風電場 風機載荷重新校核計算,對應葉片螺栓的裝配預緊 力需進行調整。
3 結論與建議
3.1 結論
(1)螺栓化學成分、顯微組織、力學性能均未見 異常,說明螺栓斷裂與螺栓的材料無關。
(2)葉片螺栓位于葉片與變槳軸承連接處,長 期受到軸向拉應力及徑向剪切應力的交變載荷作 用;裂紋起源于螺紋根部應力集中的外緣,呈現出高 周多源啟裂特征,疲勞裂紋不斷擴展,最終導致螺栓 發生斷裂。
(3)大部分螺栓斷裂于 T型螺母側,該端螺栓 裝配精度不足,安裝過程中存在偏心現象,導致螺栓 桿部與螺栓孔內壁緊密接觸,局部受擠壓力過大,導 致螺栓發生斷裂。
(4)葉片螺栓在裝配過程中潤滑膏涂抹出現偏 差,導致螺栓預緊力不均,對葉片螺栓使用壽命影響 較大。
3.2 建議
(1)對葉片的運行載荷、設計載荷進行優化,對 葉根連接系統進行重新設計,并對螺栓連接強度進 行計算校核。
(2)更換的備用螺栓應盡量使用原批次螺栓, 若無原批次備件可用,應更換同規格、同扭矩系數的 螺栓。
(3)嚴格按照螺栓裝配要求進行安裝,按照十 字法操作,控制施加的預緊力;定期標定扭矩扳手, 確保扭矩扳手的準確性和穩定性;正確涂抹螺栓副 潤滑膏,均勻施加螺栓預緊力。
(4)風電機組投運時,可以對連接螺栓進行無 損檢測,若發現裂紋應及時進行更換螺栓;定期檢測 螺栓的預緊力,保證螺栓預緊力符合設計要求。
參考文獻:
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