摘 要:某風(fēng)電場(chǎng)3MW 機(jī)組在投運(yùn)后,多次發(fā)生葉片連接螺栓斷裂事故。采用宏觀觀察、化學(xué) 成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)、資料對(duì)比核查、登機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢查等方法,對(duì)螺栓的斷裂原因進(jìn)行 研究。結(jié)果表明:螺栓因受到周期性交變應(yīng)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(xiàn)象,導(dǎo)致螺栓桿部與螺栓孔內(nèi)壁緊密接觸,局部受擠壓力過(guò)大;安裝時(shí),潤(rùn)滑膏涂抹 控制不到位,造成葉片連接螺栓預(yù)緊力不均勻,最終導(dǎo)致螺栓發(fā)生疲勞斷裂。建議更換損壞的葉片 連接高強(qiáng)螺栓,嚴(yán)格遵守高強(qiáng)螺栓的裝配要求,正確涂抹螺栓潤(rùn)滑膏,以確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞:風(fēng)電機(jī)組;葉片;高強(qiáng)螺栓;疲勞斷裂;預(yù)緊力

中圖分類號(hào):TB31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):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(hù)費(fèi)用低 等優(yōu)點(diǎn)。目前,國(guó)內(nèi)的風(fēng)能資源豐富,風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展 迅速,但隨著大批風(fēng)電機(jī)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(jī)組的質(zhì)量安 全問(wèn)題也得到廣泛關(guān)注。

風(fēng)電機(jī)組各部件之間采用高強(qiáng)螺栓連接,多應(yīng) 用在塔筒、葉輪、輪轂、齒輪箱等關(guān)鍵部位,在運(yùn)行中 承受著循環(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(jī)組在投運(yùn)后,多次發(fā)生葉 片連接螺栓斷裂事故。該3MW 機(jī)組葉片通過(guò)沿 其內(nèi)環(huán)均勻分布的64根螺栓與輪轂連接,葉片連接 高強(qiáng)螺栓規(guī)格為36mm×487mm(直徑×長(zhǎng)度), 材料為42CrMoA 鋼,強(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí)。筆者采 用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢 驗(yàn)、資料對(duì)比核查、登機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢查等方法,對(duì)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 類事故再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)3根葉片高強(qiáng)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(jī)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?jī)?nèi),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(jiàn)2根螺栓均斷裂于T型螺母內(nèi)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(jié)果如圖3所示。由圖 3a)可知:1# 螺栓斷口由裂紋源區(qū)(Ⅰ)、裂紋擴(kuò)展區(qū) (Ⅱ)和最終瞬斷區(qū)(Ⅲ)組成,裂紋源位于螺栓外緣 應(yīng)力集中處,裂紋由邊緣向中心擴(kuò)展,裂紋源區(qū)斷口 表面光滑,分析為工作應(yīng)力突然增大而導(dǎo)致裂紋萌 生;裂紋擴(kuò)展區(qū)呈淺灰色,整個(gè)區(qū)域較為平整,隱約 可見(jiàn)疲勞貝紋線;裂紋瞬斷于螺栓橫截面1/5處,最 終瞬斷區(qū)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(qū)1和啟裂區(qū)2),螺栓受交變載荷作用,首先從啟 裂區(qū)1處萌生裂紋,裂紋沿螺栓橫截面擴(kuò)展,擴(kuò)展區(qū) 可見(jiàn)明顯的疲勞輝紋線;從啟裂區(qū)2處萌生新的裂 紋,該疲勞裂紋擴(kuò)展并與啟裂區(qū)1處的裂紋匯合,當(dāng) 裂紋擴(kuò)展至螺栓剩余面積不能承受葉片的載荷時(shí), 高強(qiáng)螺栓發(fā)生疲勞斷裂。1# 螺栓和3# 螺栓的最終 瞬斷區(qū)面積所占比例均較小,說(shuō)明螺栓最終斷裂時(shí) 所受應(yīng)力不大,螺栓斷裂不是過(guò)大的持續(xù)載荷所致。

1.2 化學(xué)成分分析

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

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

在1# ~3# 螺栓的螺桿部位取樣,進(jìn)行室溫拉 伸試驗(yàn)及洛氏硬度測(cè)試,結(jié)果如表2,3所示,可知 1# ~3# 螺栓的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均符合 GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)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(qū)域的硬度 高于螺栓心部區(qū)域的硬度,原因是螺紋機(jī)械制造過(guò) 程產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象[6]。

1.4 金相檢驗(yàn)

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(yàn),結(jié)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(duì)比核查

該風(fēng)電場(chǎng)有16臺(tái)3MW 機(jī)組,其中15臺(tái)機(jī)組葉 片長(zhǎng)度為55m,1臺(tái)機(jī)組葉片長(zhǎng)度為58m,但兩種不同 葉片長(zhǎng)度機(jī)組的葉片連接螺栓設(shè)計(jì)參數(shù)完全相同,故 存在安全裕度不足的現(xiàn)象。對(duì)另外2個(gè)風(fēng)電場(chǎng)(主機(jī) 廠不同)的3MW機(jī)組葉片連接螺栓參數(shù)進(jìn)行了調(diào)研, 均未發(fā)生葉片連接螺栓頻繁斷裂事故。此外,葉片長(zhǎng) 度增加3m,相應(yīng)的葉根最大彎矩、最大軸向力均有所 增大,螺栓的運(yùn)行載荷也相應(yīng)增大,因此機(jī)組葉片螺栓 頻繁斷裂可能與制造廠設(shè)計(jì)安全裕度不足有關(guān)。

1.6 登機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢查

登機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)變槳軸承和斷裂螺栓安裝面 上有殘存的潤(rùn)滑膏(見(jiàn)圖5),使螺栓預(yù)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(xiàn)部分螺栓有松動(dòng)現(xiàn)象,螺栓緊固后,定位標(biāo) 志線錯(cuò)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(yùn)行過(guò)程中螺栓有 松動(dòng)或滑動(dòng)現(xiàn)象。螺栓松動(dòng)或滑動(dòng)后,其所受的交 變應(yīng)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(cè)各兩根螺栓,及該5根螺栓圓周對(duì) 角線對(duì)應(yīng)的5根螺栓,共計(jì)10根(見(jiàn)圖6)。現(xiàn)場(chǎng)裝 配要求為:變槳軸承與墊圈接觸面不允許涂抹潤(rùn)滑 膏,保證裝配質(zhì)量,避免影響螺栓預(yù)緊力的均勻性; 該機(jī)組葉片螺栓頻繁斷裂,聯(lián)系主機(jī)廠對(duì)該風(fēng)電場(chǎng) 風(fēng)機(jī)載荷重新校核計(jì)算,對(duì)應(yīng)葉片螺栓的裝配預(yù)緊 力需進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)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(zhǎng) 期受到軸向拉應(yīng)力及徑向剪切應(yīng)力的交變載荷作 用;裂紋起源于螺紋根部應(yīng)力集中的外緣,呈現(xiàn)出高 周多源啟裂特征,疲勞裂紋不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致螺栓 發(fā)生斷裂。

(3)大部分螺栓斷裂于 T型螺母?jìng)?cè),該端螺栓 裝配精度不足,安裝過(guò)程中存在偏心現(xiàn)象,導(dǎo)致螺栓 桿部與螺栓孔內(nèi)壁緊密接觸,局部受擠壓力過(guò)大,導(dǎo) 致螺栓發(fā)生斷裂。

(4)葉片螺栓在裝配過(guò)程中潤(rùn)滑膏涂抹出現(xiàn)偏 差,導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力不均,對(duì)葉片螺栓使用壽命影響 較大。

3.2 建議

(1)對(duì)葉片的運(yùn)行載荷、設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行優(yōu)化,對(duì) 葉根連接系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì),并對(duì)螺栓連接強(qiáng)度進(jìn) 行計(jì)算校核。

(2)更換的備用螺栓應(yīng)盡量使用原批次螺栓, 若無(wú)原批次備件可用,應(yīng)更換同規(guī)格、同扭矩系數(shù)的 螺栓。

(3)嚴(yán)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(yù)緊力;定期標(biāo)定扭矩扳手, 確保扭矩扳手的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性;正確涂抹螺栓副 潤(rùn)滑膏,均勻施加螺栓預(yù)緊力。

(4)風(fēng)電機(jī)組投運(yùn)時(shí),可以對(duì)連接螺栓進(jìn)行無(wú) 損檢測(cè),若發(fā)現(xiàn)裂紋應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換螺栓;定期檢測(cè) 螺栓的預(yù)緊力,保證螺栓預(yù)緊力符合設(shè)計(jì)要求。

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