风电用高强度螺栓常见断裂原因分析

1、风电用高强度螺栓常见断裂原因分析吉昌兵(东方汽轮机有限公司，四川徳阳，618000)摘 耍：为减少风场常用高强度螺栓产生断裂失效，通过金相检验拉伸性能检测硬度測定扫描电镜断口检测等手 段，对几种常见的失效原因进行分析，总结出风电用高强度螺栓断裂的常见原因有：螺栓机械性能不合格螺栓机械加工 质量不符合要求' 热处理制度不合理' 加工工序不合理，原材料存在碳偏析装配扭矩过大' 表面脱碳等，关键词：螺栓，机械性能，机械加工，扭矩，脱碳屮图分类号：tg156文献标识码：b文章编号：1674-9987 (2001-0060-05doi:103808/j .cnki.issn 16

2、74-9987.2014.01.011common fracture reasons analysis of high strengthbolts used for wind powerji changbing(dongfang turbine co., ltd., deyang sichuan, 618000)abstract: in order to reduce the fracture failure of high strength bolts commonly used in wind field, we analyzed the reason of several common

3、fracture failure by fracture detection means: metallographic examination, tensile properties testing, hardness testing, and scanning electron microscopy >sem). this paper summarized that main fracture reasons of high strength bolts used for wind power: unqualified holt mechanical properties, unst

4、andardized bolts mccha nical processing quality, unreas on able heat treatment system, unreasonable processing procedure, carbon segregation in raw material, too high assembly torque, surface decarburization etc. key words: bolls, mechanical properties, mechanical processing, torque, decarburization

5、0引言高强度螺栓在风力发电机上的应用十分广泛。 叶片、塔筒、齿轮箱、控制系统等关键部件的联 接和锁紧均采用高强度螺栓，因此，保证这些联 接紧固件的正常运行，是风力发电机系统正常运 行的重要条件，本文利用现代检测手段对上述部 位断裂的高强度螺栓进行了综合检测，通过对断 裂原因的分析讨论，总结出风电用高强度螺栓断 裂的常见原因有：螺栓机械性能不合格、螺栓机 械加工质量不符合要求' 热处理制度不合理、加作者简介：吉昌兵m981-).男.工程师，2003年毕业于东北大学材料物理系，现就职于东方汽轮机有限公司材料研究中心 长寿命髙 温材料四川省垂点实验室，主要从爭汽轮机材料理化检测工作.工工序不

6、合理、原材料存在碳偏析、装配扭矩过 大、表面脱碳等，为关键部位联接螺栓的设计、 加工和安装提供了合理的依据，1机械加工质量引起螺栓断裂（风电叶片 联接螺栓）1.1样品性能测试及断口分析所选螺栓样品材质为42crmoa,强度等级为 10.9级的风电叶片联接螺栓，从图1所示的宏观 图片及图2的断口分析图片看，断口为典型的疲 劳断口，断口无缩颈，通过对断裂螺栓进行失效 分析，认为螺栓表面加工质量差，刀痕明显，螺 纹根部留下的刀痕是螺栓断裂的主耍原因。图断口宏观照片成分csimncrmo1#实测0.370.260.800.960.172#0.360.260.810.960.17标准0.380.170.

7、500.900.15耍求0.450.370.801.200.25表1主要化学成分分析wt%从表1可以看出，除c含量较标准值稍微偏 低外，其他化学成分含量均在标准范围内，不影 响螺栓性能，表2力学性能测试试样编号拉仲试验冲击kv2rpojmpa)rmmpa)a（%）zi%断裂螺栓975106015.062.584 86 86同批完好955106017.562.089 79 86标准耍求二940>1040二 9>48>20从表2可以看出，样品各项力学性能均优于 标准值，表3硬度均匀性检测结果（hv0.3试样编号123456断裂螺栓359356338358333360同批完好359

8、331331359361361试样编号组织类型品粒度1#冋火索氏体62#回火索氏体6样品晶粒度及金相组织均合格（见农4）。（b） 2#图2断口 se1照片硕度均匀性检测结果（见表3）表明，样品硕 度均匀性较好.符合标進要求。表4金相分析1.2分析、讨论与建议螺栓的化学成分、力学性能、硬度均匀性、 金相组织、晶粒度均合格。从sem扫描电镜照片 （见图刀来看，螺栓的断裂是从螺纹根部启裂， 逐渐扩展，最后发生断裂，断裂方式为多源疲劳 断裂.从宏观照片（见图1）上分析，螺栓的表面 可见明显刀痕，带有加工刀痕的螺栓関棒直接由 滚丝机挤压成型加工螺纹，但未完全消除刀痕，这些刀痕在螺纹底部形成应力集中，在使

9、用过程表7金相分析中产生疲劳源，从而发生断裂，试样编号组织类型晶粒度建议提高螺栓表面加工质量，在滚制螺纹前d1回火索氏体5保证螺栓的表面粗糙度达到要求；w-1回火索氏体62预紧力过大导致螺栓断裂（齿轮箱联接 螺栓）2.1样品性能测试及断口分析所选螺栓样品材质为42crmoa.强度等级为 12.9级，通过宏观、微观金相、力学性能、断口 分析等检测，分别对断裂（d-1）和同批完好螺栓 （w-1）进行了分析.断裂螺栓冇缩颈情况，螺栓 表面无脱碳，分析认为该螺栓断裂为预紧力过大 造成；表5 主要化学成分分析（标准值参照表1） wt%化学成分csimncrmod-i 实测w-10.410.230.620

10、.96070.39().230.590.960.16图3硬度均匀性检测（hv0.3）（.）蜒栓宏屍形较（b）斷裂蜒栓头斷口形貌从表5可以看出，样品化学成分测试值均在标准范围内。试样编号拉伸试验硬度hbr“.2impa)rmmpa)a(%)z%)d-1385/393w-1i 1501 23012.555.0401/390标准要求二：1 100>1 220二 8>44366-414表6力学性能测试从表6可以看出，除断裂 d-1）螺栓样品拉仲试验未 做外，其他拉伸及硬度性能均符合要求。2.2分析、讨论与建议螺栓的化学成分、力学性能、硬度均匀性（见图3）、金相（见表7）等结果均合格。从螺栓

11、 宏观形貌（见图4）发现断裂处有缩颈现彖，且从 断口 sem照片（见图5上看，均为韧性断口， 综合分析判断该螺栓为预紧力过大造成螺栓损伤， 并在运行后扩展断裂。建议在螺栓把紧时采用预 紧扳手，同时预紧力要达到标准的要求，图4宏观照片(a) 100x(b) 2 300x© 1994-2015 china academic jounial electronic publishing house. all rights reserved.3热处理制度不合理造成的螺栓断裂（穿心 螺杆断裂）3.1样品性能测试及断口分析所选螺栓样品材质为42crmo.强度等级为 8.8级。通过对断裂螺栓进行化学

12、成分、力学性 能、金相分析、断口分析等检测，发现螺栓显微 组织为上贝氏体组织，检测人员认为：该螺栓由 于显微组织不正常，导致螺栓力学性能下降，造 成失效。3.2分析'讨论与建议螺栓化学成分合格（见表8），断口分析时发 现瞬断区呈解理断裂形貌（见图7）,硕度均匀性 （见表9）,金相分析（见表10、图6）表明螺栓显 微组织为上贝氏体。螺栓组织不正常是螺栓断裂 的主要原因。(a) 10斷区 200x（b）瞬断区1 000x表8主要化学成分分析（标准值参照表1） wt%0977 2oox图6螺栓金相组织形貌4加工工序倒置（导致风电叶片联接螺栓断化学成分csimncrmocu09770.370.

13、190.49().890.150.18表9硬度均匀性(hv0.3)试样编号1234560977293285293295289285表10金相分析试样编号组织类型上晶粒度0977贝氏体7图7断口 sem照片上贝氏体形成于贝氏体转变区较高温度范围 内，屮、高碳钢大约在350-550 °c之间形成，上 贝氏体的形成温度较高，铁素体条粗大，碳的过 饱和度低，因而强度和硬度较低。另外，碳化物 颗粒粗大，且呈断续条状分布于铁素体条间，铁 素体条和碳化物的分布具有明显的方向性，这种 组织状态使铁素体条间易产生脆断，同时铁素体 条本身也可能成为裂纹扩展的路径，所以上贝氏 体的冲击韧性较低。因此，在工

14、程材料中一般应避免上贝氏体组 织的形成叫在螺栓热处理时，要注意控制好热处 理温度和保温时间，避免产生组织异常的情况， 从而导致螺栓断裂。4.1样品性能测试及断口分析所选螺栓样品材质为42crmoa.强度等级为10.9级的风电叶片联接螺栓。由于螺栓加工工序 倒置，致使螺纹流线遭到破坏，削弱螺纹强度， 最后从螺纹根部的刀痕处断裂，4.2分析讨论螺栓的化学成分见表11）、力学性能、硬度 均匀性见图8）、金相组织（见表12）均合格。从 sem扫描电镜结果见图10）来看，螺栓的断裂是 从螺纹根部启裂，逐渐扩展，最后发生断裂，断 裂方式为多源疲劳断裂，刀痕是疲劳源萌生地。 将1078#螺栓的螺纹根部与英他

15、批次的组织形态 进行比较，1078#没有明显辘轧的方向性（见图 9）.分析原因为：厂家没有采用辗丝机加工螺纹， 而是在完成热处理后采用其他机械方法加工，这 种方式会切断轧制流线组织，削弱螺纹的强度， 同时丿j具在加工过程屮的磨损和振动会导致螺纹 及根部加工不均匀，在运行过程中各螺纹的受力 不均匀，导致螺纹根部启裂c图9 1078#螺纹根部金相照片50x() 1078裂坟口区 ioox化学成分csimncrmo10780.410.250.570.960.16实测10790.410.250.570.9706表11主要化学成分分析（标准值参照表1）wt%表11中，样品1078为断裂螺栓，样品1079

16、 为完好螺栓。(a) 1078 9 栓头(b) 1079 w栓头(b) 1o78w位刀ml 800x图10断口 sem照片5结论与建议图8硬度均匀性测试表12金相分析试样编号组织类型晶粒度1078回火索氏体51079回火索氏体5通过对上文4种失效情况的分析讨论，总结 出风电高强度螺栓断裂原因有以下几种：（1）螺栓的机械加工表面未达到规范要求，存 留有较深刀痕，在辐制螺纹后仍未消除，最后在 螺纹根部产生应力集中，导致螺栓断裂：（下转第74页3结语造业普遍存在的问题之一。df 2000系统可满足我国大型汽轮机组对先进tsi系统的要求，df 2000系统自投运以來，经与本特利专用 便携式振动仪测试数

17、据的多次对比，测试数据吻 合；十几年来在全国各电厂的稳定运行表明，df 2000系统与美国bn公司3500系统、徳国epro 公司mms 6000系统性能基本相当，满足api 670 标准的要求，是目前国内性价比较高的旋转机械 监测保护系统，由于国内外制造工艺和材料上的 差距，国产化系统与国外公司tsi产品在稳定性 和一致性等方面存在一定的差距，这也是我国制参考文献ijbently nevada, llc. bently 3500 monitoring system-rack hardwaie installation, operations, and maintenance manual.

18、20022 epro elektronik & systemtechnik gmbh, epro mms 60(x) manual. 20043 北京松源艾普科技有限公司.epro旋转机械检测保护系统. 2002(上接第64页)(2)在风机装配时，安装人员未按要求用预紧 扳手对螺栓进行装配导致装配时螺栓因预紧力 过大产生缩颈，螺纹根部因应力集中产生裂纹， 导致螺栓断裂：13)螺栓因热处理制度不合理显微组织不正常， 致使螺栓强度和韧性下降，加之螺栓农面加工质 量不符合要求，从应力集中部位启裂：(4)高强度螺栓在加工螺纹时通常釆用辄制螺 纹，辗制螺纹这一工序应在完成热处理之后进行， 才能保证螺纹有足够的压应力，不易产生裂纹， 而如果采用车床加工螺纹，会破坏螺纹流线，降 低螺纹强度，且极易留下加工痕迹，从而导致裂 纹从加工痕迹处启裂；另外，从相关文献中还搜集了以下2种常见 的螺栓失效形式：(1) 螺栓材料成分偏析.受载后产生脆性断裂 和横向内裂纹，最终导致螺栓断裂耳(2) 螺栓表面有脱碳层，降低了螺栓表面的强 度，裂纹源产牛在脱碳层上囤要避免风电用高强度螺栓