風力發電機組關鍵金屬部件失效模式及金屬監督研究

代小號

（湖北能源集團鄂州發電有限公司，湖北 鄂州 436032）

0 引言

在全球能源結構向低碳化轉變、能源消費結構不斷優化的背景下，可再生能源需求持續增長的趨勢具備確定性。風能憑借其資源總量豐富、環保、運行管理自動化程度高、度電成本持續降低等突出的優勢，目前已成為開發和應用最為廣泛的可再生能源之一，是全球可再生能源開發與利用的重要構成，其發展正逐漸從補充性能源向替代性能源持續轉變，其應用是推動能源結構優化、能源低碳化的重要驅動力。

根據國家能源局《風電發展“十三五”規劃》（2016年11月），為實現2020年和2030年非化石能源占一次能源消費比重15%和20%的目標，促進能源轉型，我國必須加快推動風電等可再生能源產業發展。“碳達峰，碳中和”目標的提出，給中國風電行業再次注入強心劑。實現“碳達峰，碳中和”是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革，如期實現2030 年前碳達峰、2060年前碳中和的目標，風電行業將迎來長期高速發展機會。

中國是世界最大的風電市場，擁有豐富的風力資源。中國風電市場的繁榮在過去數十年發展歷程中也推動著中國風電整機制造商的發展和進步，加上中國風電產業很長一段時間受到政策的大力支持與鼓勵，風電產業發展迅速，部分行業領先企業的產品技術水平逐步向國際先進水平靠攏。根據GWEC《Global Wind Report 2022》統計數據，從2001年至2021年全球風電裝機容量從24 GW增加至837 GW，而中國是全球風電裝機容量第一大國，截止到2021年中國累計風電裝機容量達到346.7 GW。

隨著風電機組裝機容量的快速增加，如何保障機組的安全穩定運行是風電行業面臨的一大挑戰。參照火電機組與水電機組，開展技術監督是保障機組安全穩定運行的有效手段，金屬監督屬于電力技術監督的一個專業，金屬監督的對象是對設備或人身危害性較大的部件，對風電機組來說，螺栓、塔筒、軸承、齒輪、主軸等金屬部件的失效會造成較大的損失甚至危害設備安全，本文從這幾個方面對風電機組的金屬監督進行探討。

2 高強螺栓

螺栓是風電機組中最重要的部件之一，在塔筒與地基、塔筒之間、葉片與變槳軸之間等部位大量使用，是風機中數量最多的一類部件，1 臺風電機組的螺栓數量接近1 000條，其主要作用是將風機的各部件連接在一起，螺栓的損傷或者斷裂會造成風機不能正常工作，嚴重時導致風機倒塌，造成嚴重的經濟損失，因此對風機螺栓的監督應該引起足夠的重視。

風機螺栓絕大多數用的是10.9 級高強螺栓，少量用到了8.8級高強螺栓，材質主要有20MnTiB和42CrMo等，10.9級高強螺栓的公稱抗拉強度為1 000 MPa，屈強比為0.9，即屈服強度為900 MPa，屈強比較高，從另一方面說螺栓的韌性儲備相對不足。

風機螺栓一般由圓鋼加工，加工過程如下：下料、鍛造、熱處理、螺紋加工（滾齒或者車銷）、酸洗、脫氫、防銹。在設計、制造［1］、安裝、運行各環節控制不當均有可能導致風機螺栓的失效，從已發生的失效案例來看，失效原因大多涉及設計、制造和安裝環節。

2.1 設計環節

在設計方面存在的主要問題是螺栓以均勻載荷設計，即每個螺栓承受的載荷相同，而實際上每個螺栓承受的載荷并不相同。王明軍［2］匯總了某風電場葉片連接螺栓斷裂位置，并將其繪制在圖中，結果表明發生斷裂的螺栓大部分位于1/4圓周的位置（圖1），對其進行疲勞載荷分析，表明葉片螺栓的載荷不均勻，約1/4的螺栓疲勞載荷高于其它螺栓，說明按均布載荷設計的螺栓存在一定的不合理性。

圖1 斷裂螺栓分布圖Fig.1 Fracture bolt distribution diagram

在制造環節中，鍛造不當可能會產生鍛造裂紋，熱處理不當可能會造成性能不達標、增碳或者脫碳，螺紋加工可能會造成齒根裂紋等，酸洗和脫氫可能會造成氫脆。在安裝環節中，主要是強力安裝及預緊力不達標，強力安裝將導致螺栓承受額外的剪切力，預緊力不達標螺栓容易松動，對于高強螺栓存在“不松不斷，一松就斷”的現象，當預緊力達不到規定值時，螺栓容易松動，產生額外的沖擊載荷，導致螺栓斷裂。

2.2 制造環節

某風電塔筒地錨螺栓在安裝過程的例行檢查中發現8個螺母松動，進一步檢查發現這8個螺母對應的螺栓均已斷裂，錨栓材質為42CrMo，為10.9級鍍鋅錨栓，長3 500 mm，直徑39 mm，兩端螺紋長度均為600 mm，下錨板距螺栓下端面135 mm，上錨板距錨栓上端面365 mm；鍍鋅工藝為熱鍍鋅，鍍鋅前經過了酸洗；其宏觀斷口形貌如圖2所示，下方深色的為啟裂區域，中部為放射區域，上部為剪切斷裂區域，對其進行金相檢驗、化學成分分析、力學性能檢驗、掃描電鏡分析，啟裂區的剖面金相如圖3 所示，裂紋呈現沿晶特征且表層存在脫碳，掃描電鏡表明斷口中存在二次裂紋，說明斷裂處錨栓脆性較大，能譜分析表明在圖1 下方深色區域存在較多鋅元素，說明在鍍鋅之前螺栓已經存在裂紋。綜合以上分析表明錨栓的制造質量不合格是導致斷裂的原因。

圖2 錨栓宏觀斷口Fig.2 Macro fracture of anchor bolt

圖3 斷口處剖面金相組織Fig.3 Metallographic structure of fracture section

王一帆［3］報道了一起風電螺栓在安裝時發生斷裂的事故，螺栓的材質42CrMo，等級為10.9 級，規格M30×355 mm。能譜分析表明在裂紋源區存在大量的Zn 元素，說明在熱鍍鋅之前螺栓已經存在裂紋，也是制造工藝不當引起的螺栓斷裂。韓克甲［4］報道了風電螺栓在服役800 h后的斷裂事故，結果表明螺栓表層存在全脫碳層是斷裂的主要原因。

某在建火電機組鋼結構的高強螺栓大量斷裂對風電高強螺栓監督也有借鑒意義。螺栓材質為20MnTiB，規格M24×75 mm，在鍋爐鋼結構施工到第4層時，現場人員發現高強度螺栓的端頭從鋼架上脫落，封鎖現場觀察幾天仍然持續有端頭脫落現象。對螺栓進行硬度和金相檢驗，結果表明螺栓表層有一層增碳層、螺栓表層硬度超標、螺紋根部存在微裂紋，在斷口中發現有雞爪痕。說明螺栓制造質量不合格，發生了氫脆，導致螺栓在擰緊后不久自行斷裂。詳細了解制造過程，發現廠家在熱處理過程中對還原氣體控制不當，造成了增碳環境，螺栓表層產生了增碳。螺栓的硬度越高對氫脆越敏感，再加上在酸洗后未進行脫氫處理，導致在擰緊后不久螺栓端頭自動脫落。

2.3 安裝環節

除了制造質量外，施工質量也是引起螺栓斷裂的一大因素。主要有以下幾個方面：一是套筒法蘭精度不夠，強行安裝螺栓，導致螺栓承受額外的載荷；二是預緊力不達標，高強螺栓的預緊力是保障連接強度和保護螺栓的重要因素，通常用擰緊力矩來控制，但是有時候扭矩達標預緊力不一定達標，這是因為螺紋精度不高或者螺紋中有異物，在運行一段時間后螺栓就會松動甚至斷裂。

某風電場巡視人員在巡檢時發現基礎環與底段塔筒連接螺栓有兩根斷裂［5］，用力矩檢查時又發現有5根螺栓斷裂，通過宏觀檢查、金相檢驗、斷口分析對斷裂原因進行了分析，宏觀檢查基礎環與底端塔筒的螺栓孔存在錯位，導致螺栓安裝過程中存在強行安裝的情況，法蘭面間隙較大，螺栓存在腐蝕的情況，螺栓的金相組織未見異常，斷口呈現疲勞斷口，綜合以上分析表明基礎環和塔筒法蘭螺栓孔存在錯位，以及法蘭存在間隙造成螺栓存在較大的附加載荷是斷裂的主要原因。

2.4 服役環節

為了保障風電機組的安全運行，除了從設計、制造、安裝等環節加強螺栓監督之外，在運行過程中也需要對風電螺栓進行監督。在運行中螺栓的重要指標是螺栓的軸力，螺栓斷裂會導致軸力下降至零，螺栓松動會導致軸力下降，對于高強螺栓來說存在“不松不斷，一松就斷”的情況，因此在安裝、運行中加強螺栓軸力的監測和檢查尤為重要。

根據相關研究［6］，在安裝過程中依據扭矩來控制預緊力，認為扭矩達標則預緊力達標，實際上受螺紋加工精度及安裝條件影響，經常會出現扭矩達到規定值，而預緊力不達標，在運行一段時間之后螺栓就會松動，因此要求在螺栓安裝前進行適當的潤滑，文獻［7］中也做過相關試驗，在相同扭矩下，用油潤滑的螺栓比未經潤滑的螺栓預緊力更大，雖然存在潤滑現象，但是經過潤滑后的螺栓防松動效果更好。

關于螺栓預緊力的監測，目前有多種方法，如扭矩法、超聲波法等，最近也出現了通過螺栓上設置軸力測量顯示裝置的方法，稱之為直接顯示法。扭矩法直接通過螺母的扭矩來監測螺栓是否斷裂，是最直接也是使用最廣泛的一種方法。

利用超聲波對螺栓預緊力檢測有兩種形式，一是通過檢測螺栓中縱波聲速、橫波聲速的變化來檢測螺栓的預緊力，二是直接用超聲波測量螺栓的伸長率，由胡克定律算預緊力，同時通過超聲的反射情況可以對螺栓斷裂情況進行檢測［8-14］。

在安裝階段螺栓的初始伸長量為0，可以檢測超聲波在擰緊前后螺栓中的傳播時間和聲速來計算螺栓的伸長量，再根據胡克定律計算螺栓的預緊力是否達標。

在服役階段可以通過螺栓縱波聲速、橫波聲速的變化來檢測螺栓的預緊力，計算公式如下所示。

式（1）-式（3）中，VL為縱波聲速；VS為橫波聲速；λ為Lame第一常數；μ為剪切模量。

由于螺栓在擰緊過程中的應力和變形主要發生在軸向，徑向的應力和變形很小，因此忽略橫波聲速的變化。

根據相關研究［15］，縱波聲速可由式（4）表示：

式（4）中，VL0為零應力時的縱波聲速，a為一階彈性模量，b為二階彈性模量，σ為應力，由式（3）、式（4）可知，縱波聲速與螺栓中的應力有關，事先標定得到一階彈性模量a、二階彈性模量b以及初始聲速，在現場通過測量螺栓中縱波聲速經過換算得到螺栓的應力。

直接顯示法是在螺栓內部布置測力元件實時監測螺栓的預緊力，國外也報道了根據預緊力不同螺栓端面顏色發生變化的螺栓。相關專利顯示［8-9］，將螺栓設計為中間通孔結構，在通孔內布置應變片，通過數據采集、數據處理等過程可以實現螺栓在安裝、服役全過程的在線監測。這種方法需要在螺栓中間開孔，而且數據采集及處理的軟硬件復雜，成本高，維護復雜。國外報道了在螺栓端面設置顯示片的方法來顯示螺栓的預緊力，但是未透露相關細節，該螺栓在端面有顯示孔，當螺栓是松的狀態時顯示紅色，當螺栓擰緊后顯示黑色，該變色螺栓申請了專利而且價格較高，尚未普及。

3 塔筒

大型風力發電機組的塔筒一般為薄壁圓殼結構，徑厚比均在100 以上，這種結構特點決定了塔筒的局部或整體屈曲失穩是其主要的失效形式。塔筒在服役中承受由葉片和機艙的重量引起的垂直載荷，同時承受風載荷引起的水平彎矩，與垂直載荷相比，水平彎矩更容易引起屈曲失穩［16］。

屈曲失穩與塔筒的截面形狀密切相關，設想塔筒截面具有一定的橢圓度，在極限狀態下橢圓短軸長度趨向于0，此時塔筒在橢圓短軸方向完全沒有承受彎矩的能力，因此橢圓形狀的塔筒在短軸方向的抗屈曲能力低于橢圓的長軸方向。為提高風能利用率，風機運行中會利用偏航捕集各個方向的風，要求塔筒能承受各個方向的水平彎矩，因此塔筒的截面形狀為正圓形。

屈曲失穩還與塔筒筒身的不連續處有關。塔筒的制造過程一般為鋼板卷板、焊接、矯形，在卷板過程中不可避免地會產生塔筒不圓、接頭棱角度等缺陷，焊接也可能產生缺陷，在塔筒筒身上也會開門洞，這些都會造成塔筒筒身的不連續，降低塔筒的抗屈曲性能。

龍凱［17］比較了不帶門洞、門洞不帶框、門洞帶框對塔筒屈曲的影響，結果表明無門洞塔筒與帶框門洞塔筒屈曲性能接近，一階屈曲振型發生在塔筒上方并呈褶皺狀分布。無框門洞塔筒的屈曲發生在門洞附近，說明塔筒對開孔是高度敏感的，開孔部位如果沒有補強則開孔部位最容易造成屈曲失穩。

高裕賢［18］研究了水平載荷方向對帶框門洞塔筒屈曲的影響，結果表明水平載荷與帶框門洞方向200°～220°時更容易發生屈曲失穩，屈曲失穩的部位位于筒身上部。

劉貽雄［19］研究了軸向載荷、徑向載荷以及開門洞對塔筒屈曲的影響。軸向載荷、徑向載荷對塔筒的屈曲起主要作用。門洞的形狀也對塔筒的屈曲有較大影響，圓弧形門洞優于矩形門洞，帶框門洞優于不帶框門洞。

某風電廠在檢查時發現靠近機頭部位的塔筒存在變形，變形較為規則，筒節整圈約1/2的鋼板存在連續凹凸變形，變形部位寬度200 mm，嚴重部位凸起高度差為7 mm～9 mm（圖4），標準要求小于2 mm，此筒節鋼板厚15 mm，筒體直徑Φ3 345 mm，鋼板材質Q345D。經分析表明是塔筒在制造過程中支撐輥輪對塔筒擠壓造成的。在制造過程中，根據焊接等工藝需要塔筒在支撐輥輪上轉動，如果支撐輥輪數量不足，在輥輪處塔筒筒體承受的載荷過大，會造成輥輪處塔筒變形。變形后的塔筒將會成為失穩風險點。

圖4 塔筒變形部位Fig.4 Deformation part of the tower

鋼制風電塔筒由鋼板卷焊而成，鋼板厚度從15 mm 至60 mm 不等，材質以Q345 為主，這種材料焊接性較好，不容易產生焊接缺陷，但是如果焊接過程控制不當也容易產生裂紋、未焊透等焊接缺陷，依據相關規程壁厚大于15 mm的Q345鋼焊接時需要焊前預熱，壁厚大于30 mm 時需要焊后熱處理，同時對焊接環境也有要求，如雨、雪、大風、環境溫度等都對焊接質量有影響。塔筒焊縫存在裂紋將降低塔筒的連續性，此部位會成為屈曲失效的薄弱點。

4 軸承、齒輪與主軸

風電軸承分為偏航軸承、變槳軸承、主軸軸承、變速箱軸承、發電機軸承等。風電軸承的工況十分惡劣，需要承受的溫濕度變化、載荷變化非常大，尤其是偏航軸承和變槳軸承，不僅要承受軸向力，還要承受傾覆力矩。風機軸承的維修更換費用巨大，一般要求使用20年免維修，這對風機軸承提出了更高的要求。

風機軸承的失效主要以滾珠的接觸疲勞為主，發電機軸承可能會發生電腐蝕［20］，軸承保持架的斷裂也有報道［21］，保持架斷裂之后會加劇滾珠的失效。造成軸承滾珠疲勞有多方面原因：載荷過大、滾珠精度不高、滾珠的硬度不高或者滲碳層厚度不滿足要求等。從監督角度來說在運行中加強對軸承聲音和溫度的檢測［22］，發現異常聲音及時處理。更重要的是加強制造過程的監督，對軸承滾珠的材質、精度、滲碳層的硬度和厚度進行過程管控，在源頭消除隱患。

風機齒輪的失效主要以疲勞失效為主［23］，原因是齒輪在運行中不可避免地收到風機啟停過程以及變負荷過程中的沖擊載荷作用，另外在潤滑不良情況下齒面也可能會發生接觸疲勞。除了在運行中監督之外，更重要的是加強制造質量監督，包括原材料夾雜物的控制、加工精度、表層滲碳或滲氮層的硬度及厚度等。

風機主軸的失效原因以制造質量不佳為主，燕友增報道了某風電場安裝過程中發生主軸斷裂的事故［24］，造成了巨大的損失，經過檢測發現在裂紋源附近為鑄態組織，主軸外表面為調質狀態的組織，而芯部與外表面組織存在較大差異，說明該主軸的鍛造工藝和熱處理工藝不合格，最終導致了主軸的斷裂。關于軸類零件調質處理不合格的案例較多，表現為軸的表層組織為索氏體組織，而芯部為退火態組織，表層與芯部組織差異較大［25-26］，此時軸的沖擊功往往達不到標準要求，軸的脆性較大，容易發生突然斷裂事故。從監督的角度來說應加強軸的制造質量監督，除了常規的檢驗項目外，應重點關注軸芯部的金相組織。

5 結語

1）風電機組高強螺栓失效的主要原因有設計不合理、制造質量不佳、安裝階段預緊力不達標、安裝導致的附加載荷等；風電機組高強螺栓預緊力檢測可采用扭矩法、超聲波法和直接顯示法；高強螺栓的監督應重點關注制造質量、安裝工藝及在線監測。

2）風電塔筒失效的主要模式為設計不合理、形狀偏差、制造質量等因素導致的屈曲失效；風電塔筒的監督應重點關注設計、制造質量及在線監測。

3）風電軸承失效的主要模式為接觸疲勞，主要與軸承的設計及制造質量有關。風機齒輪的失效以疲勞失效為主；風機主軸的失效原因主要與制造質量有關。軸承、齒輪、主軸應重點監督制造質量。