风电机组叶片螺栓断裂原因分析及处理
来源:用户上传
作者:
【摘 要】风电机组在运行过程中，开顺桨、阵风、风切变等因素都可能导致叶片根部螺栓受到冲击、振动，形成交变载荷，长时间运行后，极易出现叶片螺栓疲劳断裂，根据前期对同类型问题的调查分析，造成叶片螺栓断裂的可能原因有以下几种。
【关键词】风电机组;叶片螺栓;断裂原因;处理
1风力发电机叶片简介
风力发电机叶片是一个纤维增强复合材料制成的薄壳结构。结构分为3个部分：第一部分为根部，一般由金属制成;第二部分为外壳，一般为复合材料，通常是使用玻璃纤维增强材料与基体树脂复合而成，一张叶片由两个灌注成型的外壳构件粘合而成;第三部分为支撑外壳的主梁，即加强筋或加强框，一般为玻璃纤维或碳纤维增强复合材料制成。风能带动叶片旋转将其转化为动能，通过叶片根部将动能传给风力机转子，带动发电机发电。叶片根部是重要的连接部位，在能量转化中起着关键作用。叶片工作时，根部承受着复杂的剪切、挤压、弯扭载荷组合作用，应力状态复杂易产生结构失效，所以叶片根部连接必须具有足够的强度、刚度、局部稳定性、胶接强度和疲劳断裂强度。如2MW的风力发电机，叶根弯矩达到7000至8000kNm，离心力能够达到1000kN，一旦叶根部位出现连接时效问题，叶片与风力机转子轮毂分离，发电机无法正常工作，甚至导致灾难性的质量和安全事故，因此，叶根连接部分受力性能的保证对叶片的安全运行起着决定性的作用。目前风力发电机组的叶片螺栓连接研究分析还比较少。一般情况下，螺栓的强度主要包括静强度、疲劳强度和韧性强度。为了保证螺栓连接既不会在最不利载荷下发生高应力强度断裂，也不会在循环载荷下发生底应力疲劳破坏和裂纹断裂破坏，就必须对螺栓连接进行静强度、疲劳强度和断裂强度校核。
2风电机组叶片螺栓断裂原因分析
2.1基本概况
国内某风力发电场多台机组投运不到一年频繁发生叶片螺栓断裂问题，螺栓断裂部位主要发生在变桨轴承侧的螺纹部分（螺母与变桨轴承的接触位置），部分螺栓断裂部位在螺杆部分。该风电场机组使用的叶片螺栓规格为M30，材质为42CrMoA，强度等级为10.9级。
2.2理化检测
2.2.1宏观检测
（1）断口宏观分析
兩根螺栓均断裂在螺杆约1/2处校直弯曲部位。断口整体呈现脆性断裂特征，断口呈现由中心向四周的辐射状条纹，断口外层为光滑平整的脆性断口，断口表面未发现肉眼可见的宏观塑形变形及夹渣物。表明裂纹从心部起裂，向四周扩展，最终导致螺栓断裂。
（2）低倍检验
在断裂螺栓断口以下20mm处沿横向取样，进行低倍检验，螺栓心部存在大量缩孔。检验结果为：一般疏松1级，中心疏松2级，一般斑点状偏析<1级，未发现裂纹等其它宏观缺陷。
2.2.2化学成分分析
在螺栓近断裂位置约20mm处取样进行化学成分分析。采用德国OBLF生产的型号为QSN750直读光谱仪，应用光谱分析法，测试其材料化学成分符合GB/T3077—1999《合金结构钢》对该材质螺栓化学成分的要求。采用美国力可公司的ONH-836型氧氮氢分析仪，对断裂螺栓取试样进行氧氮氢含量测定，结果为：0.0011%O，0.0090%N，0.0001%H，O、N、H含量均较低。
2.3力学性能
取同批次螺栓中的一根进行拉伸试验，拉伸试样直径10mm，非螺栓实物。采用万测集团的
HUT605A型微机控制电液伺服万能试验机，进行力学性能测。在断裂螺栓金相试样上进行硬度测试。螺栓表面和心部硬度没有明显差异，力学性能测试结果均符合
GB/T3098.1—2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》的要求。
2.4断口形貌分析
取断口试样经超声波清洗，采用IT300扫面电镜进行断口形貌分析。在断口表面辐射状区域进行SEM形貌观察，断口呈现明显解理断口特征，局部位置存在二次裂纹和少量孔洞。
2.5结果分析
由理化检验结果可见：失效螺栓的化学成分、室温拉伸性能均符合GB/T 3098.6-2014技术要求;螺栓显微组织为奥氏体+少量铁素体，组织中存在较多的非金属夹杂物，尤其是硅酸盐类夹杂物含量较高，且部分夹杂物超尺寸。硅酸盐类夹杂物为脆性夹杂物，与钢基体之间在物理性能及变形能力等方面均存在较大差异，且破坏了钢基体的均匀连续性，降低了钢材的力学性能，尤其是降低了钢材的塑性、韧性和疲劳极限。螺栓头部在镦制成型时，头部与光杆连接部位的组织和夹杂物随头部镦粗而趋于横向分布，降低了该处的综合力学性能，且由于夹杂物变形能力较差，在钢与夹杂物界面处形成了显微裂纹，螺栓受力时，这些显微裂纹成为疲劳破坏的启裂源。若密集的夹杂物暴露于螺栓表面，将加速疲劳裂纹的形成和扩展。断口附近腐蚀产物能谱分析结果显示未见有腐蚀性元素存在，表明腐蚀不是引起螺栓断裂的主要原因。螺栓断口分析结果表明，螺栓断裂形式为多源双向疲劳断裂。结合现场检修情况可知，该设备大部分螺栓已松动，设备转动时，鼓形滤网辐条上下滑移，对螺栓产生了较大的剪切应力，循环往复，最终导致螺栓双向疲劳断裂。导致螺栓松动的可能原因较多，设备运行过程中的振动、高低载荷变化、冲击、安装时预紧力过低、未采取适当的防松措施、装配方法不得当等，都有可能引起螺栓松动。
3螺栓安装与维护
螺栓在安装、维护过程中，紧固力矩过大或者过小将影响螺栓的使用寿命。预紧力过大，可能造成螺栓拉伸应力超过螺栓材料屈服强度极限，而产生塑性变形，甚至断裂。预紧力过小，将增加螺栓疲劳载荷循环幅值（连接件在工作载荷作用下产生分离，降低连接体的刚度），降低螺栓与连接件之间的摩擦力，使得螺栓连接副达不到设计要求的锁紧功能，在工作载荷作用下，螺栓连接件之间产生相对运动，使螺栓承受额外弯矩、拉伸和剪切等复杂的交变载荷，加剧螺栓的失效。螺栓松动也会增加螺栓的疲劳载荷，降低螺栓使用寿命。叶片在运行过程中，变桨、阵风、风切变等因素将使叶片螺栓受到冲击、振动等交变载荷，因此叶片在运行一段时间后，不可避免出现连接螺栓松动，也会增加螺栓的疲劳载荷，降低使用寿命。经检查确认，该风电场叶片螺栓均按照设计和工艺要求进行安装，并按照半年一次的频率进行维护，紧固力矩、安装工艺、维护方案均符合技术要求，可以排除安装及维护原因导致叶片螺栓断裂。
4处理措施及后期维护建议
4.1处理措施
出现叶片螺栓断裂后，应及时更换断裂螺栓，以避免其他螺栓继续断裂，处理方法主要有2种，一是就地在风机上将损坏螺栓取出，将断裂螺栓及与其邻近3—5根螺栓均更换为新螺栓;二是使用吊车将整个叶片吊下，重新进行叶片安装，并更换所有根部螺栓。目前现场多采用第1种方法处理叶片螺栓断裂问题，但采用第1种方法后，需进行持续观察，如仍多次出现断裂现象，则需采用第2种方法。针对本次螺栓断裂，采取了第1种方法进行处理，对损坏的螺栓及其相邻的3根螺栓进行了更换。更换后截至目前，风电机组运行正常，再未出现螺栓断裂情况。
4.2维护建议
为避免出现叶片螺栓断裂事故，除对前期运输、安装过程加强监管外，在后期维护中还需做到以下几点：首先，定期对全风电场叶片螺栓力矩进行检查，发现问题及时处理;其次，每年对螺栓力矩定期检查时，应严格按照厂家力矩值要求进行;再次，定检工具要按时进行力矩校验，特别是力矩扳手和液压站;最后，严格按照厂家维护手册规定周期进行力矩维护。
5结束语
通过理论分析，确定了该风电场机组投运短期内频繁发生叶片螺栓断裂的原因是由于叶根端面与叶片法兰间存在间隙，导致螺栓连接体刚度降低，造成叶片螺栓疲劳断裂。然后结合实践经验提出了几点维护建议。
参考文献：
[1]史宝良，李岩，张腾飞，江克洪，欧阳薇.液氨储存罐304不锈钢法兰连接螺栓断裂失效分析[J].理化检验（物理分册），2017，5310：740-745+749.
（作者单位：中国能源建设集团东北电力第一工程有限公司）
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14930266.htm
