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風能發電機組上高強度螺栓的常見失效形式

2019-09-19 09:18:12 作者：王榮來源：《理化檢驗—物理分冊》分享至：

疲勞斷裂

螺栓連接的預緊力

螺栓的疲勞斷裂失效一般都與螺栓的松動有關，而螺栓的松動則與螺栓的預緊力和振動有關。為了使螺栓緊固連接具有高度可靠性并能抵抗變動的載荷，設計原則規定，緊固螺栓必須施加一定的預緊力P0，并應滿足如下條件

式中：P為載荷；Ps為螺栓的屈服強度；K0為系數，靜載荷時K0＝1.2~2.0，有交變載荷時K0＝2.0~4.0。為了使螺栓在服役過程中盡可能不產生往復晃動，螺栓預緊力應足夠大；但預緊力過大時，如果再附加上外部載荷，螺栓總的受力可能會超過其屈服強度，反而會喪失預緊力的效果。

機組上塔筒法蘭連接螺栓的受力特點

風電機組一般都安裝于沿海地區、較高的山頭或者比較空曠的區域。根據某風力發電場提供的數據，風場全年大風天氣多，且風速變化大，風速最低20m·s-1，最高28m·s-1，可見塔筒法蘭螺栓將承受較大的交變載荷。由于風電機組的塔體一般都比較高，使得基礎連接螺栓常年處于較大的交變應力作用之下，這也是基礎法蘭連接螺栓容易發生疲勞斷裂的主要原因之一。

塔筒內法蘭上的連接螺栓在無風的情況下承受恒定的工作載荷，如圖1所示。

圖1 塔筒環形法蘭連接示意圖

有風時，塔筒的迎風面會承受一定的壓力。由于塔筒外壁、塔筒法蘭和法蘭連接螺栓的特殊結構和相互制約，水平方向的風力可分解為沿z方向（垂直方向）的拉應力Fz和沿x方向（水平方向）的剪切應力Fx 。Fz的作用結果將使得法蘭連接螺栓產生彎曲變形，數字模擬計算結果表明螺栓彎曲變形時，最大應力點位于與螺母配合部分的第一扣螺紋處以及螺栓頭部與桿部的過渡處，如圖2所示。

圖2 螺栓等效應力計算結果

疲勞斷裂的診斷

關于疲勞斷裂的診斷可參閱文獻。螺栓的疲勞斷裂一般都與預緊力或螺栓松動有關。導致螺栓松動的原因較多，如：設備運行過程中的振動、高低載荷變化、沖擊，以及安裝時預緊力過低、未采取適當的防松措施、裝配方法不當等。這些因素都有可能引起螺栓松動。

疲勞斷裂分析舉例

案例1

某風電機組設備上的連接螺栓在使用過程中發生了斷裂，斷裂位于螺栓頭部與桿部的過渡處，如圖3所示；雖然螺栓表面可見黃褐色銹蝕痕跡，但斷口比較潔凈，呈金屬斷裂后的銀灰色，如圖4所示。斷口分析結果表明，螺栓斷裂性質為多源雙向彎曲疲勞斷裂。

圖3 失效螺栓宏觀形貌

圖4 螺栓斷口宏觀形貌

現場勘察時發現，該設備上的大部分螺栓已經松動。設備運轉時的振動會使螺栓承受交變載荷，從而導致螺栓發生疲勞斷裂。

案例2

某風電機組因塔筒與基礎之間的連接螺栓發生斷裂導致了倒塌事故，事故現場情況如圖5所示。

圖5 倒塌的機組塔筒形貌

斷裂的螺栓強度等級為10.9級，材料為42CrMoA鋼，規格為M36mm。現場勘察時發現有4個螺栓的斷口上存在與螺栓軸向大致垂直的斷裂面，為首斷裂件，如圖6所示；其他斷裂螺栓斷口均比較粗糙，存在明顯的彎曲變形和塑性變形特征，為后斷裂件。

圖6 塔筒連接螺栓斷口宏觀形貌

肉眼觀察可見，圖6中4個螺栓的斷口特征基本相似，斷口上均包含了兩個特征比較明顯的區域。一部分斷口大致與螺栓軸線方向垂直，相對較為平坦、細膩，為斷裂起始區域；另一部分斷口相對較為粗糙，斷裂面大致與軸線方向成45°角，具有剪切特征，為最后的一次性瞬斷區域。

掃描電鏡（SEM）形貌觀察結果顯示，4個斷口上相對較為平坦的區域均存在疲勞輝紋，與軸線成45°角的區域斷口形貌為韌窩。可見引發該起事故的原因是基礎連接螺栓發生了疲勞斷裂。

氫脆型斷裂

氫脆型斷裂的影響因素

我國著名的物理冶金學家李薰于20世紀40年代在英國從事鋼中氫的研究時，找出了鋼中氫含量與材料強度及發裂之間的關系，即當鋼中氫含量為2mg/100g鋼時，就足以降低鋼的塑性。可是，在一般情況下冶煉的鋼，其氫含量均為4~6mg/100g鋼左右。可見鋼的氫脆是難以避免的，這與鋼的強度水平、內應力大小以及晶粒取向有關。

螺栓的增、脫碳控制

脫碳會造成表面疲勞強度降低，容易萌生疲勞裂紋源。增碳會造成表面強度升高，使螺栓的氫脆型斷裂敏感性增強。GB/T 3098.1－2010對高強度螺栓的增碳和脫碳檢測都進行了規定，如圖7所示。

圖7 脫碳試驗和增碳試驗的硬度測試位置

圖7中，“1”“2”“3”為維氏硬度測試點，試驗力為2.94N（0.3kgf）；“E”和“H1”可依據螺栓的強度等級和螺距從GB/T 3098.1－2010中的表18獲得；E 為螺紋未脫碳層的高度，mm；H1為最大實體條件下外螺紋的牙型高度，mm。

未脫碳判據為：HV（2）≥HV（1）－30；未增碳判據為：H V（3）≥HV（1）－30。

氫脆型斷裂分析舉例

某風電機組的連接螺栓強度等級為10.9級，規格為M33mm×280mm，材料為42CrMo鋼，表面鍍鋅。該螺栓的加工流程為：原材料拉拔→下料→倒角→熱鍛→頭部倒角→擠壓中徑→擠壓螺紋→熱處理→噴砂→熱浸鍍鋅（無酸洗過程）。該螺栓安裝時的扭矩要求為1000N·m，每臺機器安裝84個。安裝2d（天）后檢查時發現螺栓有斷裂現象，最嚴重的一臺機器上斷裂螺栓數量為7個，其他幾臺都是2個或1個。螺栓斷裂位置相同，基本上都位于頭部與桿部的過渡圓角處，如圖8a）所示。

圖8 斷裂螺栓宏觀形貌

1理化檢驗結果

（1）化學成分分析結果表明，斷裂螺栓的化學成分符合GB/T 3077－1999對42CrMo鋼成分的技術要求，也符合GB/T 3098.1－2000中對10.9級螺栓材料的技術要求。

（2）該批螺栓的拉伸性能、宏觀硬度、楔負載抗拉強度（拉斷載荷）以及顯微硬度等均符合GB/T 3098.1－2000中對10.9級螺栓的技術要求。

（3）斷口宏觀分析結果表明，裂紋起源于螺栓頭部與桿部的過渡圓角處，裂紋源區顏色泛白，存在數條臺階，具有多源斷裂特征，如圖8b）中標識區域所示。

（4）斷口微觀分析結果表明，裂紋源區斷面存在異物覆蓋層，能譜分析結果表明該覆蓋層主要元素成分為鋅，說明鍍鋅前螺栓的過渡圓角處就已經存在老裂紋，在熱浸鍍鋅時，鋅滲入到裂紋內部。斷裂源區具有沿晶特征，存在二次裂紋；裂紋擴展區斷口微觀形貌為準解理＋少量韌窩，亦存在二次裂紋；較粗糙的瞬斷區SEM形貌主要為韌窩。

（5）金相分析結果表明，螺栓材料非金屬夾雜物級別不高，存在輕微的帶狀組織偏析，顯微組織為回火索氏體和少量鐵素體，斷裂源區以及斷裂面未見明顯增、脫碳現象。

2受力情況分析

安裝后螺栓的旋擰扭矩T為1000N·m，扭矩系數K 平均值為0.110~0.150，螺栓直徑d 為33mm。根據公式

可以估算，螺栓的預緊力P為202~275kN。與斷裂螺栓同批次未斷裂螺栓的楔負載抗拉強度測試結果為1150 MPa（拉斷載荷為798kN），大于其預緊力，表明螺栓在安裝時未過載。

3綜合分析

能譜分析結果表明，斷裂源區的斷裂面以及靠近斷裂面的次生裂紋中均含有較高含量的鋅元素，說明該斷裂螺栓在熱浸鍍鋅時就已經存在老裂紋。帶有老裂紋的螺栓一旦投入使用，不但裂紋尖端會產生極大的應力集中，產生極高的應力強度因子KI，而且還由于氫具有應力誘導擴散特性，即便材料整體氫含量不高，但在存在應力梯度的條件下，材料中以及環境中的原子氫便會富集在裂紋尖端局部區域，當有效氫含量達到臨界值時，可以使局部區域的表觀屈服強度明顯下降，并在較低的KI作用下產生氫致滯后塑性并導致滯后斷裂。螺栓斷口上靠近斷裂源區較為平坦區域的SEM形貌為準解理＋少量韌窩，且存在二次裂紋，此區域為氫致斷裂區域；斷口上較大面積的粗糙區域SEM形貌主要為韌窩，此區域為螺栓最后的一次性瞬斷區域。

4結論

（1）該斷裂螺栓的化學成分、拉伸性能、宏觀硬度、微觀硬度以及同批次未斷裂螺栓的楔負載抗拉強度均符合10.9級高強度螺栓的技術要求。

（2）該斷裂螺栓在熱浸鍍鋅之前就已經存在裂紋（老裂紋），老裂紋的存在大大加劇了螺栓頭部與桿部過渡圓角處的應力集中程度，并改變了氫的分布，最終導致螺栓在預緊力的作用下發生了氫致延遲斷裂。

預防螺栓失效的措施

為了避免風電機組上的螺栓發生早期失效，可采取以下措施：

（1）結構設計要合理。

（2）加強工序間的質量檢驗，確保螺栓在交付使用之前本身無超出技術要求的原材料缺陷和各種類型的加工制造缺陷。

（3）裝配時采用定力矩板子，保證螺栓的預緊力在設計范圍之內。

（4）對于高強度螺栓，在其加工制造過程中應盡量避免接觸析氫環節（如酸洗、電鍍等），若需經歷這些環節，必須做好嚴格的除氫處理和氫脆控制試驗。

（5）做好螺栓的表面防護，確保螺栓在服役過程中不受外界環境介質的腐蝕。

（6）對承受交變載荷的螺栓要定期進行檢查，防止螺栓松動。

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