風電機組葉片螺栓斷裂原因分析及處理
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【摘 要】風電機組在運行過程中，開順槳、陣風、風切變等因素都可能導致葉片根部螺栓受到沖擊、振動，形成交變載荷，長時間運行后，極易出現葉片螺栓疲勞斷裂，根據前期對同類型問題的調查分析，造成葉片螺栓斷裂的可能原因有以下幾種。
【關鍵詞】風電機組;葉片螺栓;斷裂原因;處理
1風力發電機葉片簡介
風力發電機葉片是一個纖維增強復合材料制成的薄殼結構。結構分為3個部分：第一部分為根部，一般由金屬制成;第二部分為外殼，一般為復合材料，通常是使用玻璃纖維增強材料與基體樹脂復合而成，一張葉片由兩個灌注成型的外殼構件粘合而成;第三部分為支撐外殼的主梁，即加強筋或加強框，一般為玻璃纖維或碳纖維增強復合材料制成。風能帶動葉片旋轉將其轉化為動能，通過葉片根部將動能傳給風力機轉子，帶動發電機發電。葉片根部是重要的連接部位，在能量轉化中起著關鍵作用。葉片工作時，根部承受著復雜的剪切、擠壓、彎扭載荷組合作用，應力狀態復雜易產生結構失效，所以葉片根部連接必須具有足夠的強度、剛度、局部穩定性、膠接強度和疲勞斷裂強度。如2MW的風力發電機，葉根彎矩達到7000至8000kNm，離心力能夠達到1000kN，一旦葉根部位出現連接時效問題，葉片與風力機轉子輪轂分離，發電機無法正常工作，甚至導致災難性的質量和安全事故，因此，葉根連接部分受力性能的保證對葉片的安全運行起著決定性的作用。目前風力發電機組的葉片螺栓連接研究分析還比較少。一般情況下，螺栓的強度主要包括靜強度、疲勞強度和韌性強度。為了保證螺栓連接既不會在最不利載荷下發生高應力強度斷裂，也不會在循環載荷下發生底應力疲勞破壞和裂紋斷裂破壞，就必須對螺栓連接進行靜強度、疲勞強度和斷裂強度校核。
2風電機組葉片螺栓斷裂原因分析
2.1基本概況
國內某風力發電場多臺機組投運不到一年頻繁發生葉片螺栓斷裂問題，螺栓斷裂部位主要發生在變槳軸承側的螺紋部分（螺母與變槳軸承的接觸位置），部分螺栓斷裂部位在螺桿部分。該風電場機組使用的葉片螺栓規格為M30，材質為42CrMoA，強度等級為10.9級。
2.2理化檢測
2.2.1宏觀檢測
?。?）斷口宏觀分析
兩根螺栓均斷裂在螺桿約1/2處校直彎曲部位。斷口整體呈現脆性斷裂特征，斷口呈現由中心向四周的輻射狀條紋，斷口外層為光滑平整的脆性斷口，斷口表面未發現肉眼可見的宏觀塑形變形及夾渣物。表明裂紋從心部起裂，向四周擴展，最終導致螺栓斷裂。
?。?）低倍檢驗
在斷裂螺栓斷口以下20mm處沿橫向取樣，進行低倍檢驗，螺栓心部存在大量縮孔。檢驗結果為：一般疏松1級，中心疏松2級，一般斑點狀偏析<1級，未發現裂紋等其它宏觀缺陷。
2.2.2化學成分分析
在螺栓近斷裂位置約20mm處取樣進行化學成分分析。采用德國OBLF生產的型號為QSN750直讀光譜儀，應用光譜分析法，測試其材料化學成分符合GB/T3077—1999《合金結構鋼》對該材質螺栓化學成分的要求。采用美國力可公司的ONH-836型氧氮氫分析儀，對斷裂螺栓取試樣進行氧氮氫含量測定，結果為：0.0011%O，0.0090%N，0.0001%H，O、N、H含量均較低。
2.3力學性能
取同批次螺栓中的一根進行拉伸試驗，拉伸試樣直徑10mm，非螺栓實物。采用萬測集團的
HUT605A型微機控制電液伺服萬能試驗機，進行力學性能測。在斷裂螺栓金相試樣上進行硬度測試。螺栓表面和心部硬度沒有明顯差異，力學性能測試結果均符合
GB/T3098.1—2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》的要求。
2.4斷口形貌分析
取斷口試樣經超聲波清洗，采用IT300掃面電鏡進行斷口形貌分析。在斷口表面輻射狀區域進行SEM形貌觀察，斷口呈現明顯解理斷口特征，局部位置存在二次裂紋和少量孔洞。
2.5結果分析
由理化檢驗結果可見：失效螺栓的化學成分、室溫拉伸性能均符合GB/T 3098.6-2014技術要求;螺栓顯微組織為奧氏體+少量鐵素體，組織中存在較多的非金屬夾雜物，尤其是硅酸鹽類夾雜物含量較高，且部分夾雜物超尺寸。硅酸鹽類夾雜物為脆性夾雜物，與鋼基體之間在物理性能及變形能力等方面均存在較大差異，且破壞了鋼基體的均勻連續性，降低了鋼材的力學性能，尤其是降低了鋼材的塑性、韌性和疲勞極限。螺栓頭部在鐓制成型時，頭部與光桿連接部位的組織和夾雜物隨頭部鐓粗而趨于橫向分布，降低了該處的綜合力學性能，且由于夾雜物變形能力較差，在鋼與夾雜物界面處形成了顯微裂紋，螺栓受力時，這些顯微裂紋成為疲勞破壞的啟裂源。若密集的夾雜物暴露于螺栓表面，將加速疲勞裂紋的形成和擴展。斷口附近腐蝕產物能譜分析結果顯示未見有腐蝕性元素存在，表明腐蝕不是引起螺栓斷裂的主要原因。螺栓斷口分析結果表明，螺栓斷裂形式為多源雙向疲勞斷裂。結合現場檢修情況可知，該設備大部分螺栓已松動，設備轉動時，鼓形濾網輻條上下滑移，對螺栓產生了較大的剪切應力，循環往復，最終導致螺栓雙向疲勞斷裂。導致螺栓松動的可能原因較多，設備運行過程中的振動、高低載荷變化、沖擊、安裝時預緊力過低、未采取適當的防松措施、裝配方法不得當等，都有可能引起螺栓松動。
3螺栓安裝與維護
螺栓在安裝、維護過程中，緊固力矩過大或者過小將影響螺栓的使用壽命。預緊力過大，可能造成螺栓拉伸應力超過螺栓材料屈服強度極限，而產生塑性變形，甚至斷裂。預緊力過小，將增加螺栓疲勞載荷循環幅值（連接件在工作載荷作用下產生分離，降低連接體的剛度），降低螺栓與連接件之間的摩擦力，使得螺栓連接副達不到設計要求的鎖緊功能，在工作載荷作用下，螺栓連接件之間產生相對運動，使螺栓承受額外彎矩、拉伸和剪切等復雜的交變載荷，加劇螺栓的失效。螺栓松動也會增加螺栓的疲勞載荷，降低螺栓使用壽命。葉片在運行過程中，變槳、陣風、風切變等因素將使葉片螺栓受到沖擊、振動等交變載荷，因此葉片在運行一段時間后，不可避免出現連接螺栓松動，也會增加螺栓的疲勞載荷，降低使用壽命。經檢查確認，該風電場葉片螺栓均按照設計和工藝要求進行安裝，并按照半年一次的頻率進行維護，緊固力矩、安裝工藝、維護方案均符合技術要求，可以排除安裝及維護原因導致葉片螺栓斷裂。
4處理措施及后期維護建議
4.1處理措施
出現葉片螺栓斷裂后，應及時更換斷裂螺栓，以避免其他螺栓繼續斷裂，處理方法主要有2種，一是就地在風機上將損壞螺栓取出，將斷裂螺栓及與其鄰近3—5根螺栓均更換為新螺栓;二是使用吊車將整個葉片吊下，重新進行葉片安裝，并更換所有根部螺栓。目前現場多采用第1種方法處理葉片螺栓斷裂問題，但采用第1種方法后，需進行持續觀察，如仍多次出現斷裂現象，則需采用第2種方法。針對本次螺栓斷裂，采取了第1種方法進行處理，對損壞的螺栓及其相鄰的3根螺栓進行了更換。更換后截至目前，風電機組運行正常，再未出現螺栓斷裂情況。
4.2維護建議
為避免出現葉片螺栓斷裂事故，除對前期運輸、安裝過程加強監管外，在后期維護中還需做到以下幾點：首先，定期對全風電場葉片螺栓力矩進行檢查，發現問題及時處理;其次，每年對螺栓力矩定期檢查時，應嚴格按照廠家力矩值要求進行;再次，定檢工具要按時進行力矩校驗，特別是力矩扳手和液壓站;最后，嚴格按照廠家維護手冊規定周期進行力矩維護。
5結束語
通過理論分析，確定了該風電場機組投運短期內頻繁發生葉片螺栓斷裂的原因是由于葉根端面與葉片法蘭間存在間隙，導致螺栓連接體剛度降低，造成葉片螺栓疲勞斷裂。然后結合實踐經驗提出了幾點維護建議。
參考文獻：
[1]史寶良，李巖，張騰飛，江克洪，歐陽薇.液氨儲存罐304不銹鋼法蘭連接螺栓斷裂失效分析[J].理化檢驗（物理分冊），2017，5310：740-745+749.
（作者單位：中國能源建設集團東北電力第一工程有限公司）
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