摘 要:某風(fēng)場風(fēng)力發(fā)電機組在運行過程中,多根葉片緊固螺栓發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、化學(xué) 成分分析、掃描電鏡分析、金相檢驗、力學(xué)性能測試及有限元分析等方法,對螺栓的斷裂原因進行分 析。結(jié)果表明:葉片法蘭與變槳軸承結(jié)合面的螺紋牙底處存在應(yīng)力集中,在多方向的剪切應(yīng)力及拉 應(yīng)力作用下,逐漸形成裂紋源;螺栓中加工刀痕及夾雜物的存在促進了裂紋的形成和擴展,最終導(dǎo) 致螺栓發(fā)生疲勞斷裂。
關(guān)鍵詞:葉片緊固螺栓;應(yīng)力集中;疲勞斷裂;加工刀痕;夾雜物
中圖分類號:TB31;TK83 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)03-0057-04
風(fēng)力發(fā)電技術(shù)具有低排放、低污染等優(yōu)點,是國 內(nèi)電能可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要選擇之一[1]。隨著風(fēng) 電行業(yè)的快速發(fā)展及大批量、大功率風(fēng)電機組的投 運,現(xiàn)役風(fēng)力發(fā)電機組開始逐漸暴露出一些故障問 題,這其中絕大多數(shù)故障都與高強螺栓的疲勞斷裂 破壞有關(guān)[2-3]。風(fēng)力發(fā)電機組的輪穀與葉片、輪穀與 變槳軸承、輪穀與主軸、主機架與偏航軸承等重要部 件均通過高強螺栓進行連接[4],因此高強螺栓連接 的可靠性對整臺風(fēng)力發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行十分 重要。某風(fēng)場風(fēng)力發(fā)電機組在運行過程中,發(fā)現(xiàn)多 根葉片緊固螺栓斷裂,斷裂螺栓的型號為 LZ40.3, 規(guī)格為36 mm×427 mm(直徑×長度),材料為 42CrMo鋼,性能等級為10.9級。筆者采用一系列 理化檢驗方法對該斷裂螺栓進行了分析,查明了螺 栓斷裂的原因,并提出了相關(guān)改進建議,以避免該類 事故再次發(fā)生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
對現(xiàn)場4根斷裂螺栓進行宏觀觀察,結(jié)果如圖 1所示。由圖1可知:所有螺栓均斷裂于螺栓與螺 母咬合部位的第1扣螺紋牙底,斷口平面與螺栓軸 向的夾角為90°,斷口附近未見明顯塑性變形或機 械損傷特征。
選取其中1根斷口形貌較清晰的螺栓,觀察其 斷口,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知:螺栓斷面呈暗 灰色,由裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)及瞬斷區(qū)組成;裂紋源區(qū)位于斷口邊緣應(yīng)力集中的螺牙底部,且存在多 個疲勞源區(qū)的特征;裂紋擴展區(qū)占整個斷口的大部 分面積,內(nèi)部可見大量貝殼紋,呈典型的疲勞斷裂特 征,擴展區(qū)邊緣可見白色“凸起”;瞬斷區(qū)斷面較為粗 糙,可見明顯的撕裂狀形貌,且面積較小,說明螺栓 在斷裂前受到的應(yīng)力較小。
1.2 化學(xué)成分分析
依據(jù)GB/T4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多 元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》, 用SPECTROMAXx型臺式直讀光譜儀對斷裂螺栓進 行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示,可見螺栓的化學(xué)成 分滿足GB/T3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》的要求。
1.3 掃描電鏡(SEM)分析
在斷裂螺栓的斷口處取樣,進行SEM分析,結(jié)果 如圖3所示。由圖3可知:螺栓裂紋源區(qū)位于螺紋牙 底的應(yīng)力集中位置,即切削加工刀痕底部,且源區(qū)內(nèi) 未見氫脆損傷或夾雜等異常缺陷;擴展區(qū)的表面較為 粗糙,內(nèi)部可見明顯的疲勞輝紋及少量二次裂紋,輝 紋間距較小,與高周疲勞特征相符;瞬斷區(qū)內(nèi)存在大 量韌窩,表明該部位發(fā)生了韌性斷裂。
1.4 金相檢驗
在螺栓的近斷口處取樣,對試樣進行金相檢驗, 結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:螺栓內(nèi)部可見夾雜 物,按照GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含 量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》對夾雜物進行評 級,結(jié)果為A類硫化物類夾雜物細系1.5級;螺栓的 基體組織為等軸、均勻分布的細小回火索氏體組織, 說明該螺栓經(jīng)過了調(diào)質(zhì)熱處理;螺栓的螺紋牙底流 線正常,邊緣組織均勻,未見明顯脫碳層;螺栓的螺 紋牙底可見微裂紋。
1.5 力學(xué)性能測試
在斷裂螺栓上取樣,分別利用 Tukon2500-6型 全自動維氏硬度測試儀、CMT5305型電子萬能試 驗機及ZBC-300B型數(shù)字式?jīng)_擊試驗機對其進行硬 度測試、拉伸試驗和低溫(-45℃)沖擊試驗,結(jié)果 如表2所示,可見斷裂螺栓的各項力學(xué)性能指標均 符合 NB/T31082—2016《風(fēng)電機組塔架用高強度 螺栓連接副》對10.9級風(fēng)電螺栓的要求。
2 有限元分析
風(fēng)機運行過程中,葉片受力狀態(tài)如圖5所示,可 見在葉片整體的受力狀態(tài)中,x 方向與葉輪軸線平 行,為葉片揮舞方向;y 方向與x 方向垂直,為葉輪 的旋轉(zhuǎn)方向,也稱作葉片擺振方向;z 方向與葉片變 槳軸重合,為葉片的扭轉(zhuǎn)方向。葉片通過交流變頻 電機驅(qū)動,使齒圈和軸承不斷圍繞z 方向旋轉(zhuǎn),導(dǎo) 致葉片緊固螺栓承受x,y 方向的彎曲應(yīng)力以及z 方向的拉應(yīng)力等多個方向的復(fù)合激振力[5-6]。
利用有限元分析軟件對葉片緊固螺栓進行分 析,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:螺栓最大受力位 置為螺栓與螺母咬合部位的第1扣螺紋牙底部,與 螺栓的實際斷裂位置相吻合[7-8];葉片緊固螺栓的個 別牙底部位存在加工刀痕,其產(chǎn)生原因為刀具精度不夠所致。
3 綜合分析
由上述理化檢驗結(jié)果可知:斷裂螺栓的化學(xué) 成分、顯微組織、力學(xué)性能均滿足標準要求,螺栓 斷裂于螺紋牙底處,斷口附近未見明顯頸縮,斷口 的宏觀形貌與疲勞斷裂特征相符;螺栓基體中有 硫化物類夾雜物,其產(chǎn)生原因為硫元素在鋼中的 固溶度較小,易與錳元素形成硫化物[9-10]。非金屬 夾雜物的存在會破壞金屬基體的均勻性和連續(xù) 性,且夾雜物本身的開裂或基體界面的開裂還會 形成微裂紋,導(dǎo)致螺栓的力學(xué)性能降低。在螺栓 的加工過程中,磨損和振動導(dǎo)致刀具的精度不斷 下降,螺栓牙底處形成加工刀痕,導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力集 中,且在服役過程中,螺栓各螺紋受力不均勻,易 在應(yīng)力集中處萌生微裂紋。
葉片緊固螺栓在運行過程中,螺栓與螺母咬合 部位的第1扣螺紋牙底部位或牙底加工刀痕處存在 應(yīng)力集中,在螺栓x、y 方向上彎曲應(yīng)力的作用下, 萌生了微裂紋,在周期性振動及交變應(yīng)力的共同作 用下,裂紋不斷向心部擴展,最終導(dǎo)致螺栓發(fā)生疲勞 斷裂。
4 結(jié)論及建議
該葉片緊固螺栓斷裂的主要原因為復(fù)雜應(yīng)力共 同作用引發(fā)螺栓發(fā)生疲勞斷裂。在風(fēng)機運行過程 中,多方向剪切力的共同作用使葉片法蘭與變槳軸 承結(jié)合面的螺紋牙底處形成疲勞裂紋源。在螺栓加 工過程中,因加工刀具精度不夠,使得牙底部位形成 的加工刀痕,螺栓基體中存在的少量硫化物夾雜,共 同促進了螺栓疲勞裂紋的形成和擴展,最終導(dǎo)致螺 栓發(fā)生疲勞斷裂。
建議在更換新螺栓時,對同一部位的所有螺栓 進行整體更換,并對新更換的螺栓進行金相檢驗及 力學(xué)性能測試,合格后方可使用。
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<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 3期 (pp:57-60)>
