風電機組高強螺栓斷裂原因

王甲安, 石 巖, 喬立捷

(華電電力科學研究院有限公司, 杭州 310030)

近年來，隨著國內風電機組裝機容量的不斷增加，螺栓斷裂事故時有發生，嚴重影響了風機和電網的安全穩定運行[1-2]。高強螺栓是風電機組重要的金屬部件，其用量很大[3-4]，在基礎與塔筒、機架與塔筒、塔筒各段法蘭、葉片與輪轂、輪轂與主軸等之間起到連接、定位和密封等作用。

在某臺2 MW機組定期檢修中,發現其塔筒基礎環外側螺栓斷裂，斷裂螺栓材料為35CrMo鋼，尺寸(直徑×長度)為42 mm×230 mm，性能等級為10.9級。該機組于2013年6月投產運行，目前已累計運行8 a。為了研究螺栓斷裂的原因，筆者對該斷裂螺栓進行了一系列理化檢驗，并提出預防措施。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂螺栓宏觀形貌如圖1所示，由圖1可知：螺栓斷裂于螺紋牙根部，斷口整體呈暗灰色，裂紋起始于螺紋邊沿，初始裂紋源、擴展區和瞬斷區[5]特征清晰可辨；除裂紋源區，斷面整體較為平齊，基本與螺栓長度方向垂直，未見明顯的塑性變形；斷口附近及螺栓整體未見明顯機械損傷的痕跡。

1.2 化學成分分析

對斷裂螺栓表面和心部進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：螺栓表面碳含量僅為0.009%，遠低于GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》的要求；螺栓心部的其他元素含量均符合該標準要求。

1.3 金相檢驗

從螺栓斷口縱截面位置處截取試樣，在DMI5000M型光學顯微鏡下觀察，其顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可知，螺栓斷口的顯微組織為回火索氏體，并伴有少量塊狀鐵素體。對螺栓螺紋脫碳層進行觀察，其顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可知:螺紋表面存在明顯的脫碳現象，其深度較為均勻，平均脫碳層深度約為23.5 μm，高于GB/T 3098.1—2010 《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》要求的脫碳層深度最大值15 μm。

表1 斷裂螺栓的化學成分分析結果 %

利用光學顯微鏡對拋光態試樣進行觀察，發現其顯微組織中含有兩種形態夾雜物，分別為條狀和球狀(見圖4)。依據GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》，條狀夾雜物為B類，球狀夾雜物為D類，B類夾雜物主要呈直線分布，部分夾雜物聚集長大且相互交叉排列，D類夾雜物呈不規則狀分布。統計發現，B類夾雜物單視場下總長度約為471 μm，D類夾雜物總數量為35個，B類夾雜物評級為2.5級，D類夾雜物評級為3級。

1.4 斷口分析

用超聲波清洗螺栓斷口試樣，在TESCAN VEGA3 LM型掃描電鏡(SEM)下觀察。螺栓斷口的SEM形貌如圖5所示。由圖5可知：斷口呈典型的脆性斷裂特征，斷面分為裂紋源區、擴展區和瞬斷區3個典型區域。圖5b)為裂紋源區A附近的微觀形貌，裂紋形成于螺紋牙根處，有多源開裂特征；圖5c)為擴展區B附近的微觀形貌，擴展區可見大量的孔洞以及裂紋擴展臺階，這些擴展臺階呈不同方向的同心圓弧分布；圖5d)為瞬斷區C附近的微觀形貌，斷面形貌比較粗糙，存在撕裂棱以及二次裂紋。為進一步分析螺栓斷裂原因，從斷口裂紋源區至瞬斷區方向縱向截取試樣，并對其進行觀察，結果如圖6所示，在裂紋源區可見沿著螺紋牙根向內部擴展的微裂紋。

1.5 顯微硬度測試

利用402MVD型硬度計在螺栓截面外表面及其心部位置進行顯微硬度測試，各測試5點硬度再取平均值，結果如表2所示。由表2可知:螺栓表面顯微硬度平均值為133 HV，螺栓心部顯微硬度平均值為368 HV，螺栓表面硬度明顯低于心部硬度。根據GB/T 3098.1—2010要求，10.9級螺栓顯微硬度為320～380 HV，斷裂螺栓表面顯微硬度不符合標準要求。

表2 螺栓截面試樣顯微硬度測試結果 HV

2 綜合分析

化學成分分析結果表明：斷裂螺栓心部位置各元素含量均符合GB/T 3077—2015的要求，但是螺栓表面碳含量僅為0.009%，遠低于標準要求。螺栓心部截面顯微組織為回火索氏體，伴有少量塊狀鐵素體。螺紋表面存在明顯的脫碳層組織，這與化學成分分析結果一致，其平均脫碳層深度約為23.5 μm，遠高于標準要求。顯微硬度測試結果顯示，螺栓截面心部顯微硬度約為368 HV，而螺栓表面顯微硬度約為133 HV，進一步證明了螺栓表面發生了嚴重的脫碳，螺栓表面顯微硬度不符合標準要求。表面脫碳層的形成會降低螺紋表面材料的性能，尤其在螺紋牙根處，脫碳層組織與基體組織之間膨脹系數的不同會在螺紋根部引起較大的應力集中，使螺紋表面形成微裂紋[6-7]。

為了改善螺栓顯微組織，得到理想的回火索氏體組織，在機械加工完成后要對螺栓進行調質處理，以提高螺栓的強度和抗疲勞性能[8-9]。斷裂螺栓顯微組織中含有過多線性分布的條狀夾雜物和無規則分布的球狀夾雜物。有研究[10-11]表明：夾雜物與基體的彈塑性存在較大差異，夾雜物的存在破壞了金屬基體的均勻性和連續性；另外，夾雜物周圍易形成應力集中，從而引起夾雜物本身開裂或使基體與夾雜物界面處開裂[12]，使夾雜物發生破碎、脫落而形成微小孔洞，螺栓承載面積減小，其服役性能降低。斷口上的擴展區占據大部分面積，擴展區可見明顯大量的微小孔洞以及裂紋擴展臺階，直至瞬斷區。經過分析可知，螺栓的斷裂是服役8 a以來內部損傷不斷積累引起的，而非瞬時過載斷裂。

一般情況下，螺栓受力較復雜，特別是基礎環與第一節塔筒連接的高強螺栓，其不僅要承受風力變化時產生的軸向應力和彎矩產生的彎曲應力，還要承受扭轉時產生的剪切應力，當螺栓安裝擰緊力不均勻時，受力較大的螺栓在三向應力作用下受到循環沖擊載荷，在螺紋根部脫碳層的晶界弱化區產生微裂紋，并逐漸擴展直至最后發生疲勞斷裂[13-15]。

3 結論與建議

(1) 螺紋牙根表面脫碳嚴重，導致螺栓表面硬度和抗拉強度降低，并在螺紋根部引起較大的應力集中，在循環沖擊載荷作用下，應力集中位置的螺紋牙根部脫碳層的晶界弱化區萌生微裂紋，內部夾雜物含量過高促進了裂紋擴展，最終導致螺栓疲勞斷裂。

(2) 建議加強高強螺栓材料性能和制造質量的檢驗，嚴把入廠質量關，防止螺栓存在表面脫碳層深度過大等問題。