风电机组叶片螺栓一种断裂形式的原因分析

风电机组叶片螺栓一种断裂形式的原因分析2.河北省沧州生态环境监测中心，河北沧州，061000摘要：采用宏观分析、力学性能检测、化学成分分析、SEM、金相分析、受力环境分析等分析方法，对10.9级风电机组定制螺栓的断裂原因进行分析。结果表明：螺栓质量符合标准要求；螺栓的预紧力不足使被连接件松动、被连接位置与螺栓干涉磨损、螺栓疲劳损伤加剧，进而导致断裂。关键词：风电机组；螺栓；预紧力；断裂0引言螺栓作为重要的设备连接方式，在风电机组的塔筒、机架、轮毂、叶片等部件连接方面也有广泛的应用。随着风机运行，螺栓断裂故障也时有发生，其中叶片螺栓断裂发生的概率明显高于其他部位螺栓。某风场叶片螺栓在风机运行11个月后发生断裂，螺栓材料为42CrMo,螺栓等级为10.9级，规格为M30X***mm（缩颈①27mm）。笔者对其断裂原因进行了系统分析。1故障概况螺栓表面为“达克罗”处理，表面处理质量良好。故障螺栓断口附近存在锈蚀痕迹，如图1所示；未断裂螺栓相同位置存在类似锈蚀痕迹，如图2所示。通过对磨损位置分析，发现螺栓磨损位置为叶片根部法兰与轮毂（变桨轴承）连接结合面位置。图1螺栓断口附近锈蚀图2未断裂螺栓相同位置锈蚀Fig.lCorrosionneartheboltfractureFig.2Corrosionofunbrokenboltsatthesameposition2断口分析2.1宏观分析图3为螺栓断口，为典型的疲劳断口[i],由疲劳源区、疲劳裂纹稳定扩展区和快速断裂区（瞬时断裂区）三部分组成，A区域为裂纹源区，发生于螺栓表面磨损位置，可见锈蚀痕迹，由于源区为最早生成的断口，裂纹扩展速率缓慢，裂纹反复张开闭合引起断口表面的摩擦，因此比较光滑，并且发生腐蚀；B区域为裂纹稳定扩展区域，可以观察到多条基本平行的疲劳弧线，与裂纹扩展方向垂直,是疲劳裂纹瞬时前沿线的宏观塑性变形的痕迹；C区域为瞬断区，疲劳裂纹达到临界尺寸，螺栓发生瞬时断裂⑵。图3螺栓断口附近锈蚀Fig.3Corrosionneartheboltfracture2.2微观分析使用SEM扫描电镜（蔡司/EV018）对故障螺栓断口处外表面以及断口表面进行观察，图4、5为断口附近外表面扫描照片，其中平行周向条纹为螺栓加工刀痕，断口处区域内加工刀痕经磨损后已完全消失，图5中可见磨损痕迹。图6为疲劳裂纹稳定扩展区的疲劳弧线（贝纹线）形貌。

图4断口附近表面状态17x图5断口附近表面状态68xFig.4Surfacestatenearthefracture17xFig.5Surfacestatenearthefracture68xm图6m图6贝纹线Fig.6Shellline化学成分分析对故障螺栓进行化学成分分析，分析结果见表1，由分析结果可知，该试样的化学成分符合标准GB/T3077-1999《合金结构钢》［3］与GB/T3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》［4］的要求。表1试样化学成分分析（质量分数/%）Tab.1Samplechemicalcompositionanalysis(massfraction/%)

试样编号CSiMnCrMoP标准要求0.90.1<0值8〜0.457〜0.370〜0.800〜1205〜0.25.00.0测试值0.410.84819SB标准要求W0W0值.025.0030.00.0试样04004金相组织分析按照GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》⑸对故障螺栓的横截面与纵剖面分别金相组织分析，螺栓金相组织均为回火索氏体，组织未见明显异常图7为螺栓横截面金相组织照片，图8、9为纵剖面金相组织照片，从图中可以发现螺栓存在带状偏析现象。

图7故障螺栓横截面金相组织200XFig.7Metallographicstructureofthefaultboltcrosssection200X图8螺栓纵剖面金相组织200X图9螺栓纵剖面金相组织500XFig.8Metallurgicalstructureofboltlongitudinalsection200XFig.9Metallurgicalstructureofboltlongitudinalsection500X显微维氏硬度分析对故障螺栓螺杆中部横截面进行进行显微维氏硬度试验，检验位置如图10所示，检验结果见表2,图11为压痕c-1识别结果。图10螺栓螺杆中部横截面显微硬度测试位置示意图Fig.10Schematicdiagramofthelocationofthemicrohardnesstestofthemiddlecrosssectionoftheboltandscrew表2显微维氏硬度测试结果Tab.2MicroVickershardnesstestresults测试位置1234测试结果HV)338345332328图11螺栓显微硬度压痕识别Fig.11Identificationofmicro-hardnessindentationofbolts根据GB/T3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》［4中对强度等级10.9的螺栓的要求，维氏硬度值范围应在320~380之间，测试结果符合标准要求。力学性能分析根据DINISO10045V分别对故障螺栓进行低温冲击试验，试验温度参照该风机叶片螺栓设计要求的实验温度-45°C，测试结果见表3：表3冲击试验测试值(-45C,KV2)JTab.3Testvalueofimpacttest(-45C,KV2)J测试值编1 2 3 平均号1#282726271#28272627参考GB/T3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》⑷中对强度等级10.9的螺栓吸收能量（-20°C）的要求，测试结果符合要求。对被替换的螺栓（故障同批次螺栓）进行常温拉伸试验，试验结果列于表4中。表4拉伸试验测试值Tab.4Tensiletesttestvalues编号 抗拉强度Rm（MPa）下屈服强度Rel（MPa）延伸率（A）编号 抗拉强度Rm（MPa）下屈服强度Rel（MPa）延伸率（A）2#106495715.5根据GB/T3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》⑷中对强度等级10.9的螺栓的要求，测试结果符合标准要求。原因分析与讨论通过对螺栓的化学成分及性能的分析，未发现明显异常；根据断口信息可确认螺栓的表面损伤位置为本次螺栓断裂的裂纹源；螺栓是在高周疲劳载荷反复作用下，逐渐使裂纹扩展进而导致断裂发生的。通过螺栓磨损位置分析，发现：发生磨损的位置出现在被连接的结合面位置，系结合面错位移动与螺栓产生周期性干涉导致；而产生被连接结合面错位移动的原因住主要为螺栓预紧力不足。结语本次叶片螺栓断裂原因主要为螺栓预紧力不足：预紧力不足使被连接件松动、被连接位置与螺栓干涉磨损、螺栓疲劳损伤加剧，进而导致断裂。[参考文献]1.钱锟，韩波，黄嘉乐.10.9级高强螺栓头部断裂原因分析[J]施工技术，2018年8月（47卷增刊）：389-393.2.桂立丰.机械工程材料测试手册（物理金相卷）[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，1999.3.大冶特殊钢股份有限公司•合全结构钢：GB/T3077-2015[S].北京：中国标准出版社，2016.4.机械部机械标准化所紧固件机械性能蜉栓、蜉钉和蜉柱：GB/T3098.12010[S].北京：中国标准出版社，2010.5.冶金部钢铁研究色院•金属显微组织检验方法：GB/T13298-1991[S].北京:中囯标准出版社，1991.CauseAnalysisofaFractureFormofwindturbinebladeconnecting

boltGuanyu.Lu1，Haijie.Zhang1通信作者：张海杰（1974-），男，北京人，大学本科，高级工程师，质量管理部经理，从事二十余年设备制造质量管理工作，Email:****************************.cn。通信作者：张海杰（1974-），男，北京人，大学本科，高级工程师，质量管理部经理，从事二十余年设备制造质量管理工作，Email:****************************.cn。（1.GuodianUnitedPowerTechnologyCo.,Ltd.,Beijing，1000392;2.

HebeiCangzhouEcologicalEnvironmentMonitoringCenter,Cangzhou,

Hebei,061000）Abstract：Macroscopicanalysis,mechanicalpropertytesting,chemicalcompositionanalysis,SEM,metallographicanalysis,stressenvironmentanalysisandotheranalyticalmethodswereusedtoanalyzethefracturereasonsofcustomizedboltsof10.9-gradewindturbine.Theresultsshowthattheboltqualitymeetsthestandardrequirements.Insufficientfasteningforceofboltsmakestheconnectedpartsloose,theinterferencebetweentheconnectedposi