摘 要:某風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)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(yàn)、力學(xué)性能測(cè)試及有限元分析等方法,對(duì)螺栓的斷裂原因進(jìn)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(jìn)了裂紋的形成和擴(kuò)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(lèi)號(hào):TB31;TK83 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):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(diǎn),是國(guó) 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(jī)組的投 運(yùn),現(xiàn)役風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開(kāi)始逐漸暴露出一些故障問(wèn) 題,這其中絕大多數(shù)故障都與高強(qiáng)螺栓的疲勞斷裂 破壞有關(guān)[2-3]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輪穀與葉片、輪穀與 變槳軸承、輪穀與主軸、主機(jī)架與偏航軸承等重要部 件均通過(guò)高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接[4],因此高強(qiáng)螺栓連接 的可靠性對(duì)整臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行十分 重要。某風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)多 根葉片緊固螺栓斷裂,斷裂螺栓的型號(hào)為 LZ40.3, 規(guī)格為36 mm×427 mm(直徑×長(zhǎng)度),材料為 42CrMo鋼,性能等級(jí)為10.9級(jí)。筆者采用一系列 理化檢驗(yàn)方法對(duì)該斷裂螺栓進(jìn)行了分析,查明了螺 栓斷裂的原因,并提出了相關(guān)改進(jìn)建議,以避免該類(lèi) 事故再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)4根斷裂螺栓進(jìn)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(jiàn)明顯塑性變形或機(jī) 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(kuò)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(gè)疲勞源區(qū)的特征;裂紋擴(kuò)展區(qū)占整個(gè)斷口的大部 分面積,內(nèi)部可見(jiàn)大量貝殼紋,呈典型的疲勞斷裂特 征,擴(kuò)展區(qū)邊緣可見(jiàn)白色“凸起”;瞬斷區(qū)斷面較為粗 糙,可見(jiàn)明顯的撕裂狀形貌,且面積較小,說(shuō)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(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》, 用SPECTROMAXx型臺(tái)式直讀光譜儀對(duì)斷裂螺栓進(jìn) 行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示,可見(jiàn)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(jìn)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(jiàn)氫脆損傷或夾雜等異常缺陷;擴(kuò)展區(qū)的表面較為 粗糙,內(nèi)部可見(jiàn)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(yàn)

在螺栓的近斷口處取樣,對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn), 結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:螺栓內(nèi)部可見(jiàn)夾雜 物,按照GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含 量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)夾雜物進(jìn)行評(píng) 級(jí),結(jié)果為A類(lèi)硫化物類(lèi)夾雜物細(xì)系1.5級(jí);螺栓的 基體組織為等軸、均勻分布的細(xì)小回火索氏體組織, 說(shuō)明該螺栓經(jīng)過(guò)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(jiàn)明顯脫碳層;螺栓的螺 紋牙底可見(jiàn)微裂紋。

1.5 力學(xué)性能測(cè)試

在斷裂螺栓上取樣,分別利用 Tukon2500-6型 全自動(dòng)維氏硬度測(cè)試儀、CMT5305型電子萬(wàn)能試 驗(yàn)機(jī)及ZBC-300B型數(shù)字式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行硬 度測(cè)試、拉伸試驗(yàn)和低溫(-45℃)沖擊試驗(yàn),結(jié)果 如表2所示,可見(jiàn)斷裂螺栓的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均 符合 NB/T31082—2016《風(fēng)電機(jī)組塔架用高強(qiáng)度 螺栓連接副》對(duì)10.9級(jí)風(fēng)電螺栓的要求。

2 有限元分析

風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,葉片受力狀態(tài)如圖5所示,可 見(jiàn)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(chēng)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(guò)交流變頻 電機(jī)驅(qū)動(dòng),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(gè)方向的復(fù)合激振力[5-6]。

利用有限元分析軟件對(duì)葉片緊固螺栓進(jìn)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(shí)際斷裂位置相吻合[7-8];葉片緊固螺栓的個(gè) 別牙底部位存在加工刀痕,其產(chǎn)生原因?yàn)榈毒呔?/span>不夠所致。

3 綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)要求,螺栓 斷裂于螺紋牙底處,斷口附近未見(jiàn)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(lèi)夾雜物,其產(chǎn)生原因?yàn)榱蛟卦阡撝械?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(huì)破壞金屬基體的均勻性和連續(xù) 性,且?jiàn)A雜物本身的開(kāi)裂或基體界面的開(kāi)裂還會(huì) 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(guò)程中,磨損和振動(dòng)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(guò)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(yùn)行過(guò)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(dòng)及交變應(yīng)力的共同作 用下,裂紋不斷向心部擴(kuò)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?yàn)閺?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(jī)運(yùn)行過(guò)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(guò)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(jìn)了螺栓疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展,最終導(dǎo)致螺 栓發(fā)生疲勞斷裂。

建議在更換新螺栓時(shí),對(duì)同一部位的所有螺栓 進(jìn)行整體更換,并對(duì)新更換的螺栓進(jìn)行金相檢驗(yàn)及 力學(xué)性能測(cè)試,合格后方可使用。

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