風力發電機葉片螺栓反復斷裂原因分析

周云飛，許述偉，武 鑫，高 翔

(1.甘肅電力科學研究院技術中心有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.國投哈密風電有限公司巴里坤分公司，新疆 哈密 839000)

0 引言

風力發電在我國電力供應體系中的占比越來越大，裝機容量也越來越大，其安全穩定運行備受社會的關注。風力發電機塔身及槳葉系統由大量高強度螺栓連接，在長期運行情況下，面對嚴苛的環境考驗，承受著周而復始的循環載荷，以及在設計、制造、選型、安裝、運行等各個環節的綜合作用下，螺栓極易產生疲勞損傷，若持續帶傷運行，將最終發生脆性斷裂，從而導致各種機械故障甚至安全事故的發生。

以西北地區某風力發電機葉片螺栓反復斷裂問題為例，通過現場勘察，實驗室解剖、檢測、分析，全方位查找葉片螺栓反復斷裂的原因，為風機葉片螺栓偶發性斷裂或者反復斷裂問題的原因分析和后續整改決策提供科學依據。

1 概述

某風力發電機組于2013年投產運行，服役期間葉片螺栓反復斷裂，經三次下架更換所有葉片螺栓，情況依然得不到改善。螺栓規格為M30×383 mm(10.9級)，材質為42CrMo，熱處理工藝為調質處理，表面防腐處理工藝為達克羅處理。

2 質量檢查與分析

2.1 斷口宏觀檢查

將超聲波清洗后的斷口試樣置于體視顯微鏡下觀察(6.7倍率)，可明顯觀察到疲勞源區、擴展區疲勞輝紋以及最終斷裂區等宏觀特征，屬于典型的疲勞斷口形貌特征，裂紋源位于第一螺牙與第二螺牙之間的根部外表面，為應力突變處。

2.2 斷口微觀檢查

將斷口置于掃描電子顯微鏡下，觀察微觀形貌：裂紋源有多源疲勞臺階特征，裂紋擴展區具有疲勞條帶微觀形貌，最終斷裂區具有典型的韌窩特征。

2.3 能譜分析

對疲勞源區域進行元素能譜分析(見表1)，其中C，Cr，Mo為自身所有，Al為防腐處理工藝引入；未見腐蝕性元素，但斷口由于長期暴露在空氣中產生一些氧化物。

表1 裂紋源區元素含量表 單位：%

2.4 金相組織分析

對斷口試樣進行縱剖，并對縱剖面進行金相檢驗?；w為回火索氏體組織，為調質處理后正常金相組織。

2.5 硬度試驗分析

對試樣端面找平并研磨，進行硬度試驗，其結果處于標準要求范圍之內，如表2所示。

表2 硬度試驗值 單位：HBW

3 螺栓連接剛性分析

3.1 連接理論

被連接葉片輪轂法蘭和葉片葉根均為彈性體，根據緊固螺栓連接的靜力平衡與變形協調條件：

式中：F'為初始預緊力；F為工作載荷；F"為工作狀態下剩余預緊力；F0為螺栓總拉力；C1為螺栓剛度；C2為被連接件剛度，包括墊圈、螺母、連接法蘭等。

由公式(3)可知，螺栓工作狀態下所受總拉力為預緊力與部分工作載荷之和。當螺栓從某一位置運行到另一位置時工作載荷由F1變為F2，初始預緊力不變，則其所受拉力變化為：

當螺栓、機組選定的情況下，C1與ΔF均為確定值，則由公式(4)可知，ΔF0與C2之間呈反比關系。

3.2 界面間隙

在現場實際勘查中發現葉片法蘭墊片與葉片根部存在間隙。當采用扭矩法對螺栓進行緊固時，需克服法蘭墊片變形做功，導致接觸面擠壓力不足，預緊力減小，使得被連接件整體剛度降低，即C2降低。

4 原因分析

對斷裂螺栓本體進行質量檢查分析，未發現質量問題。但通過對螺栓連接副整體剛性的研究發現，由于被連接面之間存在間隙，導致被連接件整體剛度C2降低，而C2與螺栓所受拉力變化值ΔF0之間呈反比關系，當C2降低時，會使得ΔF0升高。結合疲勞曲線S-N可知，當循環應力幅值過大，即ΔF0過大時，會在較低循環周次下發生疲勞斷裂，導致螺栓過早失效。

5 結論

當葉片法蘭墊片與輪轂之間存在間隙時，導致被連件整體剛度過低，使得該部位螺栓在運行中受到的交變應力幅值過大，在第一螺牙與第二螺牙之間的根部外表面處，即應力突變處產生疲勞微裂紋，促使其過早發生疲勞斷裂。當只對斷裂螺栓或者整個葉片螺栓進行更換，卻未對該間隙進行修復時，問題依舊存在，故導致新更換螺栓反復斷裂。

通過上述檢測與分析，從螺栓本身質量、安裝環境等多方面查找出葉片螺栓反復斷裂的原因，為后續的整改措施提供科學依據，也為類似螺栓斷裂事件的處理提供參考。