風機葉根螺栓斷裂失效分析

姚紅賓，姚景占，皇甫瑋，姚兵印，張 玉，孫維鵬

（1.華能河北清潔能源分公司，河北石家莊 050051；2.西安熱工研究院有限公司，陜西西安 710032；3.省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室 西安理工大學水利水電學院，陜西西安 710048）

0 引言

葉片是風力發電機組的核心部件，通過旋轉將風能轉化為電能，葉片通過在一定預緊力和外部載荷作用下的葉片根部螺栓與風力機連接，由于葉片根部在運行過程中承受多種載荷的共同作用，載荷通過葉根螺栓連接傳遞給輪轂，葉根既是承受應力復雜的部位，也是載荷最大的部位，因而葉根螺栓經常發生疲勞斷裂[1-2]。風機運行在惡劣環境，葉片在交變載荷作用下連接螺栓的工作強度增加，螺栓振動過大，導致螺栓松動，增加了螺栓的疲勞載荷，螺栓失效從初始裂紋開始，直到發生疲勞斷裂，從而縮短其使用壽命[3-4]。因此，風電場做好葉片螺栓的維護工作，避免螺栓斷裂導致巨大的危險隱患和經濟損失，對于風電機組的安全穩定運行至關重要[5-9]。

某風電場多臺機組陸續出現葉片根部螺栓斷裂問題（圖1）。風電機組型號為WD107-2000，共涉及10臺機組，累計斷裂96顆螺栓。葉片根部螺栓斷裂原因復雜，原因分析時間長，因此故障發生后立即采取臨時處理措施，按照斷一換三原則將斷裂螺栓更換為新螺栓，恢復風機的正常運行。針對風電機組該型號葉根螺栓斷裂原因進行分析，確認螺栓斷裂模式為疲勞斷裂，提出改進措施，為風電場的安全運行提供依據。

圖1 風機葉片根部螺栓斷裂

1 葉根螺栓斷裂檢查分析

螺栓作為最常見的裝配連接方式，廣泛應用于風機葉片緊固連接，失效經常發生在葉根螺栓而非葉片上。風電機組長期運行在惡劣環境，承受動態載荷和靜態載荷，隨著風機葉片的運行，葉根螺栓斷裂故障頻發，部分螺栓出現斷裂很容易造成其他螺栓接連斷裂，最終發生葉片從輪轂脫落到地面的危險，嚴重影響風電機組的安全運行。為減少葉根螺栓斷裂故障，避免后續嚴重故障發生，對葉片進行全面的檢查分析并及時采取相應措施。

1.1 螺栓性能分析

（1）螺栓質量分析。對風電場現場的葉片螺栓進行化學成分、力學性能、磁粉探傷和扭矩系數等項目檢測，檢測結果符合技術要求，可以排除螺栓質量問題導致葉片根部螺栓斷裂。

（2）螺栓強度分析。對該風電場葉片根部螺栓進行強度校核，分析極限強度和疲勞強度：極限強度安全系數1.046（要求＞1），疲勞損傷因子0.6567（要求＜1）。葉根螺栓強度校核結果表明該風電場機組螺栓符合設計要求，確定葉根螺栓斷裂非螺栓強度問題。

（3）螺栓力矩分析。液壓扳手設定輸出扭矩，保證每顆螺栓的預緊力和扭矩一致，增強螺栓的緊固性和使用壽命，法蘭面載荷均勻，有利于風電機組的安全運行。使用液壓扳手既能在省力的同時提高效率，又能使定期緊固維護檢查工作的準確性得到保證，因此檢查螺栓力矩的液壓扳手在風電場中格外重要[10]。該風電場液壓扳手每年都經過專業機構的檢測，檢測顯示相關指標符合技術要求，液壓扳手校準結果見表1，故葉根螺栓斷裂不是螺栓力矩的問題。液壓扳手檢測正常，保證了葉根螺栓輸出和設定扭矩的準確性，避免了葉根螺栓緊固時預緊力不一致，排除葉根螺栓因受力不均而導致的螺栓斷裂情況。

表1 液壓扳手校準結果

（4）螺栓平面度分析。預埋螺栓套在外力作用下被壓實，玻璃鋼脫模后螺栓套可能不在一個平面，與法蘭裝配，螺栓套平面度差，導致螺栓斷裂。針對葉根螺栓斷裂進行現場檢査，發現法蘭和螺栓套之間存在明顯間隙，通過塞尺測量兩者間隙，從側面反映螺栓套平面度。間隙測量結果分析表明，螺栓套端面平面度無法滿足設計要求的0.5 mm，在前后緣合?？p附近間隙較大，往兩邊依次遞減。上下兩模具合模時存在原始夾角，法蘭與螺栓套的間隙是未經有效平面度調整產生的，間隙導致螺栓連接體剛度降低，造成葉片根部螺栓疲勞斷裂[11]。

1.2 葉片分析

（1）葉片質量分析。為了分析葉片根部螺栓疲勞斷裂是否由葉片質量問題導致，對該風電場未安裝的葉片進行質量檢查分析，結果顯示存在以下葉片質量問題：部分法蘭孔與螺栓套嚴重錯位，部分法蘭與螺栓套之間有玻璃鋼，部分葉片沒有調整墊片，葉片螺栓套與法蘭存在較大間隙（圖2～圖5）。

圖2 法蘭孔與螺栓套錯位

圖3 葉片螺栓套與法蘭的間隙

圖4 葉片沒有調整墊片

圖5 法蘭與螺栓套間有玻璃鋼

（2）安裝質量分析。葉片根部螺栓的疲勞斷裂一般是由于螺栓的預緊力過小，長期運行會出現螺栓松動的現象，葉片在運行中振動加劇，導致葉片根部的螺栓斷裂。檢查安裝工藝，發現螺栓螺紋處部分二硫化鉬涂抹不規范，部分變槳軸承孔與槳葉法蘭孔有錯位（圖6、圖7）。

圖6 螺栓螺紋處二硫化鉬涂抹不規范

圖7 變槳軸承孔與槳葉法蘭孔錯位

（3）葉根法蘭的分析。葉根法蘭平面度差，法蘭之間的微小間隙將會使葉根螺栓應力急劇增大，影響螺栓疲勞壽命，導致葉根螺栓斷裂[12]。因此，為驗證法蘭平面度是否對螺栓斷裂產生影響，對風電場尚未安裝的葉片法蘭進行平面度測試，技術要求法蘭平面度不超過0.5 mm，測試發現部分法蘭平面度不滿足技術要求，部分槳葉平面度較差。

1.3 失效分析

由于葉根螺栓斷裂不是螺栓質量和強度問題導致，因此針對風電場葉片根部螺栓斷裂問題，通過第三方檢測機構分別對葉根螺栓斷裂進行了失效分析，經檢測確定該風電場螺栓斷裂模式為疲勞斷裂，螺栓裂紋萌生于螺母緊固面處螺紋牙底，該部位為螺栓應力集中區域。同時，螺紋與安裝孔壁存在嚴重干涉現象，加劇了該部位的應力集中。

2 葉根螺栓斷裂的原因分析

2.1 螺栓平面度不符合要求

葉片采用預埋螺栓套方式，由于玻璃鋼收縮特性、模具精度等原因，脫模后螺栓套端面不在同一平面上，螺栓套端面平面度差，必須處理后才能與法蘭裝配。該風電場部分葉片未采用目前螺栓套端面主流的處理方式保證平面度，既采用自動打磨機整體打磨螺栓套端面，然后采用高精度激光測平儀檢測，保證螺栓套端面平面度達到要求。而是采用三維照相技術測岀平面度后，用不同厚度的墊片粘接在螺栓套端面上，達到調整螺栓套端面平面度的效果（圖8）。該方法精度較低、工作量大，易受人為操作影響。

圖8 調整墊片

2.2 葉根法蘭不符合要求

風電場現場勘査發現某年度生產的未吊裝的部分葉片，螺栓套與法蘭之間均沒有安裝調整墊片，且螺栓套和法蘭之間存在大小不一的間隙，甚至有的螺栓套和法蘭之間還存在玻璃鋼（圖3）。證明葉片制造過程中，未按工藝要求對螺栓套端面用墊片調整平面度，導致螺栓套端面平面度嚴重超標。

2.3 螺栓疲勞強度不符合要求

葉根螺栓連接結構如圖9所示。當螺栓套端面與變槳槳葉法蘭緊貼無間隙，平面度好，螺栓緊固后，被連接體是變槳軸承、法蘭與螺栓套三者組成的剛性體。當螺栓套端面與變槳法蘭不緊貼，存在毫米級別間隙、平面度差，緊固螺栓時，由于玻璃鋼彈性模量為鋼的1/10左右，容易變形。故螺栓會拉動螺栓套移動，使玻璃鋼產生變形，最終與法蘭貼緊，間隙消除，此時被連接體變成變槳軸承、法蘭、玻璃鋼和螺栓套4者組成的剛性體。由于該風電場參與連接的玻璃鋼彈性模量相對較小，導致整個被連接體剛度減小，當葉片旋轉承受外載時，螺栓的應力幅會增大，疲勞壽命降低。

圖9 葉根螺栓連接結構

2.4 潤滑劑涂抹不規范

二硫化鉬涂抹不規范會導致螺栓連接幅的扭矩系數出現偏差，使螺栓預緊力減小，影響螺栓的疲勞壽命，最終造成葉片螺栓斷裂。后期現場二硫化鉬規范涂抹后，螺栓依然發生斷裂，故二硫化鉬涂抹不規范不是本次葉片螺栓斷裂的主要原因[13]。

3 改進措施

（1）葉片下塔打磨葉根螺栓套端面平面度，采用高精度激光測平儀檢測，使螺栓平面度達到要求的≤0.5 mm。

（2）更換葉根法蘭，調整法蘭孔與葉根螺栓套同心度，使法蘭孔與螺栓套孔無錯位現象。

（3）采用細桿加高套螺栓替換原螺栓，增加螺栓疲勞強度，避免螺栓與變槳軸承產生干涉現象。

4 結論

通過以上分析，確定了該風電場機組長期發生葉片葉根螺栓斷裂的原因是，葉片制造過程中未按工藝要求操作，沒有使用墊片調整螺栓套端面平面度，造成螺栓套端面平面度嚴重超標，使連接剛度減小，導致運行中的螺栓應力幅增大，在螺栓與變槳軸承干涉的應力集中區域，萌生初始裂紋，最終發生疲勞斷裂。