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分享:某3MW 風(fēng)電機組葉片連接高強螺栓斷裂原因

摘 要:某風(fēng)電場(chǎng)3MW 機組在投運后,多次發(fā)生葉片連接螺栓斷裂事故。采用宏觀(guān)觀(guān)察、化學(xué) 成分分析、力學(xué)性能測試、金相檢驗、資料對比核查、登機現場(chǎng)檢查等方法,對螺栓的斷裂原因進(jìn)行 研究。結果表明:螺栓因受到周期性交變應力作用而發(fā)生疲勞斷裂;螺栓的裝配精度不足,安裝過(guò) 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(guò)大;安裝時(shí),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(fā)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(guān)鍵詞:風(fēng)電機組;葉片;高強螺栓;疲勞斷裂;預緊力

中圖分類(lèi)號:TB31 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)03-0053-04


風(fēng)力發(fā)電具有環(huán)境污染小、安裝快、維護費用低 等優(yōu)點(diǎn)。目前,國內的風(fēng)能資源豐富,風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展 迅速,但隨著(zhù)大批風(fēng)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(fā),風(fēng)電機組的質(zhì)量安 全問(wèn)題也得到廣泛關(guān)注。

風(fēng)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(guān)鍵部位,在運行中 承受著(zhù)循環(huán)交變載荷的作用,易產(chǎn)生疲勞,甚至斷 裂[1]。某風(fēng)電場(chǎng)3MW 機組在投運后,多次發(fā)生葉 片連接螺栓斷裂事故。該3MW 機組葉片通過(guò)沿 其內環(huán)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(cháng)度), 材料為42CrMoA 鋼,強度等級為10.9級。筆者采 用宏觀(guān)觀(guān)察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、金相檢 驗、資料對比核查、登機現場(chǎng)檢查等方法,對螺栓的斷裂原因進(jìn)行了研究,并提出了改進(jìn)建議,以避免該 類(lèi)事故再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀(guān)觀(guān)察

現場(chǎng)檢查發(fā)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?jì)?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(guān)形貌如圖2 所示,可見(jiàn)2根螺栓均斷裂于T型螺母內部。

用LeicaA60H 型體式顯微鏡觀(guān)察1# 螺栓和 3# 螺栓斷口的宏觀(guān)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(gè)區域較為平整,隱約 可見(jiàn)疲勞貝紋線(xiàn);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(fā)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(jiàn)明顯的疲勞輝紋線(xiàn);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(shí), 高強螺栓發(fā)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(shuō)明螺栓最終斷裂時(shí) 所受應力不大,螺栓斷裂不是過(guò)大的持續載荷所致。

1.2 化學(xué)成分分析

采用 OLYMPUS型直讀式光譜儀對1# ~3# 螺栓試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結果如表1所示,可知螺栓化學(xué)成分均符合GB/T3077—2015《合金結構 鋼》的要求。

1.3 力學(xué)性能測試

在1# ~3# 螺栓的螺桿部位取樣,進(jìn)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(xué)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(guò) 程產(chǎn)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(jīng)研磨、腐蝕 后用光學(xué)顯微鏡進(jìn)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(jiàn)異常。

1.5 資料對比核查

該風(fēng)電場(chǎng)有16臺3MW 機組,其中15臺機組葉 片長(cháng)度為55m,1臺機組葉片長(cháng)度為58m,但兩種不同 葉片長(cháng)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(gè)風(fēng)電場(chǎng)(主機 廠(chǎng)不同)的3MW機組葉片連接螺栓參數進(jìn)行了調研, 均未發(fā)生葉片連接螺栓頻繁斷裂事故。此外,葉片長(cháng) 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(chǎng)設計安全裕度不足有關(guān)。

1.6 登機現場(chǎng)檢查

登機現場(chǎng)檢查發(fā)現變槳軸承和斷裂螺栓安裝面 上有殘存的潤滑膏(見(jiàn)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(shí)發(fā)現部分螺栓有松動(dòng)現象,螺栓緊固后,定位標 志線(xiàn)錯位超過(guò)20°,斷裂螺紋與 T型螺母表面可見(jiàn) 不同程度的摩擦光亮痕跡,表明運行過(guò)程中螺栓有 松動(dòng)或滑動(dòng)現象。螺栓松動(dòng)或滑動(dòng)后,其所受的交 變應力增加,促使螺栓發(fā)生疲勞斷裂。

2 螺栓更換施工方案

該風(fēng)電場(chǎng)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(xiàn)對應的5根螺栓,共計10根(見(jiàn)圖6)?,F場(chǎng)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(zhì)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(lián)系主機廠(chǎng)對該風(fēng)電場(chǎng) 風(fēng)機載荷重新校核計算,對應葉片螺栓的裝配預緊 力需進(jìn)行調整。

3 結論與建議

3.1 結論

(1)螺栓化學(xué)成分、顯微組織、力學(xué)性能均未見(jiàn) 異常,說(shuō)明螺栓斷裂與螺栓的材料無(wú)關(guān)。

(2)葉片螺栓位于葉片與變槳軸承連接處,長(cháng) 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(fā)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(guò)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(guò)大,導 致螺栓發(fā)生斷裂。

(4)葉片螺栓在裝配過(guò)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(jìn)行優(yōu)化,對 葉根連接系統進(jìn)行重新設計,并對螺栓連接強度進(jìn) 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(wú)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(jìn)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(fēng)電機組投運時(shí),可以對連接螺栓進(jìn)行無(wú) 損檢測,若發(fā)現裂紋應及時(shí)進(jìn)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:

[1] 應華冬,劉宏偉,陳中亞,等.大型風(fēng)力機槳葉螺栓斷 裂失效分析及優(yōu)化研究[J].機電工程,2021,38(2): 216-221.

[2] 李青龍.某在役風(fēng)電機組葉片連接螺栓變形斷裂原因 分析及處理[J].風(fēng)能,2021(6):76-79.

[3] 林將.風(fēng)電機組葉片螺栓斷裂原因分析[J].現代制造 技術(shù)與裝備,2021,57(2):130-131.

[4] 應華冬,何俊尉,何國棟,等.風(fēng)電機組槳葉螺栓斷裂 失效原因分析[J].裝備制造技術(shù),2017(12):203- 206.

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[6] 吉昌兵.風(fēng)電用高強度螺栓常見(jiàn)斷裂原因分析[J].東 方汽輪機,2014(1):60-64.

[7] 趙海川,黃海江.風(fēng)電行業(yè)高強螺栓的潤滑問(wèn)題分析 [J].風(fēng)能,2010(4):64-66.



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