圖 1螺栓平面分布示意及現(xiàn)場照片
風(fēng)力發(fā)電技術(shù)具有高效環(huán)保的特性，在新能源發(fā)電領(lǐng)域占有重要地位。隨著“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的深入推進(jìn)，我國新能源裝機(jī)容量及其在能源結(jié)構(gòu)中的占比持續(xù)快速增長。然而，風(fēng)機(jī)機(jī)型的更新迭代及風(fēng)電機(jī)組大型化發(fā)展趨勢對關(guān)鍵金屬部件的工藝質(zhì)量控制提出了更高的要求。關(guān)鍵金屬部件若存在原始制造缺陷，將顯著縮短設(shè)備的使用壽命。2013—2023年，我國風(fēng)電行業(yè)發(fā)生的倒塔、火災(zāi)損毀及關(guān)鍵金屬部件失效事故數(shù)量呈上升趨勢，其中關(guān)鍵部件失效占比高達(dá)62%，主要涉及偏航系統(tǒng)[1]、軸類傳動件[2]、葉片[3-4]及高強(qiáng)度螺栓緊固件[5]等。這些問題已成為影響風(fēng)電機(jī)組安全穩(wěn)定運行的主要制約因素，嚴(yán)重阻礙了我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)水平的進(jìn)一步提升。
高強(qiáng)度螺栓是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵緊固件，其設(shè)計選材、熱處理工藝、加工精度、安裝調(diào)試及使用維護(hù)等環(huán)節(jié)的管控不當(dāng)均可能導(dǎo)致螺栓提前斷裂。不同學(xué)者對風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓的斷裂原因開展了研究，如葉片連接螺栓異常帶狀組織導(dǎo)致的多源腐蝕疲勞斷裂、表面工藝缺陷及螺紋根部裂紋引發(fā)的疲勞斷裂、預(yù)緊力不均或不足誘發(fā)的疲勞斷裂，以及因表面脫碳造成的塔筒螺栓疲勞斷裂[6-9]等。這些研究成果為提升高強(qiáng)度螺栓的全壽命周期管理水平提供了重要依據(jù)。
某風(fēng)機(jī)額定功率為2.0 MW，發(fā)電機(jī)類型為雙饋異步發(fā)電機(jī)，風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速為13.4 r/min，額定風(fēng)速為8.8 m/s，切入風(fēng)速為3 m/s，切出風(fēng)速為22 m/s。該風(fēng)機(jī)的葉片與變槳軸承連接螺栓為高強(qiáng)度葉根螺栓，性能等級為10.9級，螺栓材料為42CrMoA鋼，螺栓斷裂時，累計服役時間約為9 a。
共有64根螺栓沿變槳軸承圓周均勻分布（見圖1），靠近葉片后緣第8根螺栓發(fā)生斷裂。
螺栓斷裂時，環(huán)境平均風(fēng)速為9.99 m/s，風(fēng)機(jī)功率為1 807 kW，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 801.9 轉(zhuǎn)/min，運行數(shù)據(jù)正常，無異常情況出現(xiàn)。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
兩根同批次螺栓宏觀形貌如圖2所示。一根為已斷裂螺栓，另一根為正常服役螺栓（安裝于斷裂螺栓左側(cè)相鄰位置）。經(jīng)測量，螺栓總長度約為465.0 mm，腰部平均直徑為26.00 mm，端部平均直徑為35.98 mm，各項尺寸參數(shù)均符合設(shè)計要求。斷裂螺栓的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：斷面沿螺紋根部呈橫向擴(kuò)展；斷面整體呈灰色且較為平整，局部可見紅褐色氧化痕跡；斷面呈現(xiàn)典型的弧形海灘狀花樣，疲勞裂紋起始于5點鐘方向的螺紋根部，并沿周向擴(kuò)展，最終在12點鐘方向邊緣形成斜向撕裂形貌的終斷區(qū)。根據(jù)上述特征可初步判定，該螺栓的斷裂模式為由螺紋根部萌生并擴(kuò)展的疲勞斷裂。
圖 2兩根同批次螺栓宏觀形貌
圖 3斷裂螺栓的宏觀形貌
1.2 化學(xué)成分分析
根據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》，使用全定量金屬元素分析儀對斷裂螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂螺栓的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對42CrMoA鋼的要求。
Table 1.斷裂螺栓的化學(xué)成分分析結(jié)果
1.3 掃描電鏡（SEM）分析
依據(jù)GB/T 19267.6—2008《刑事技術(shù)微量物證的理化檢驗 第6部分：掃描電子顯微鏡/X射線能譜法》標(biāo)準(zhǔn)要求，采用掃描電子顯微鏡對斷口進(jìn)行微觀分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：斷面區(qū)域（上側(cè)）呈現(xiàn)典型的準(zhǔn)解理斷裂特征，與螺紋根部區(qū)域（下側(cè)）形成明顯對比；次表層存在多條平行于螺紋根部走向的二次裂紋；斷面可見明顯的氧化形貌特征，并在局部區(qū)域觀察到隱約可見的疲勞擴(kuò)展條紋，這些特征進(jìn)一步證實了螺栓發(fā)生疲勞斷裂。
圖 4裂紋起始區(qū)SEM形貌
裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM形貌如圖5所示。由圖5可知：裂紋擴(kuò)展區(qū)呈準(zhǔn)解理形貌，可見疲勞擴(kuò)展條紋及二次裂紋。終斷區(qū)SEM形貌如圖6所示，該區(qū)呈韌窩花樣特征形貌。
圖 5裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM形貌
圖 6終斷區(qū)SEM形貌
1.4 金相檢驗
在斷裂螺栓及正常螺栓的橫截面心部截取試樣，采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣8~10 s，再將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：斷裂螺栓與正常螺栓的橫截面心部組織均由回火索氏體和鐵素體組成，其中部分鐵素體以塊狀形態(tài)分布，其余鐵素體沿原奧氏體晶界或沿特定晶面向晶內(nèi)生長，形成典型的針狀魏氏組織，根據(jù)GB/T 13299—2022《鋼的游離滲碳體、珠光體和魏氏組織的評定方法》，該魏氏體組織評級為2.5B~3.0B級；同類型對比螺栓的顯微組織為回火索氏體和少量鐵素體，未觀察到魏氏組織；螺紋牙根部呈現(xiàn)纖維狀變形流變組織，并存在輕微脫碳現(xiàn)象，但未發(fā)現(xiàn)開裂、根部褶皺等表面缺陷。
圖 7不同螺栓的微觀形貌
1.5 力學(xué)性能測試
分別在斷裂螺栓、同批次正常螺栓和對比螺栓上截取并加工圓形棒狀試樣，根據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，使用萬能拉伸試驗機(jī)對這些試樣進(jìn)行室溫（25 ℃）拉伸試驗，結(jié)果如表2所示。由表2可知：斷裂螺栓和正常螺栓的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均不符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》的要求，對比螺栓的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均滿足GB/T 3098.1—2010的要求。
Table 2.不同螺栓的室溫拉伸試驗結(jié)果
根據(jù)GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，使用沖擊試驗機(jī)對斷裂螺栓試樣進(jìn)行低溫沖擊試驗，沖擊試驗溫度為-20 ℃，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm（長度×寬度×高度），缺口為“V”型，結(jié)果如表3所示。由表3可知：斷裂螺栓、同批次正常螺栓和對比螺栓的沖擊吸收能量均符合GB/T 3098.1—2010的要求，斷裂螺栓及同批次螺栓的沖擊吸收能量明顯降低。
Table 3.不同螺栓的低溫沖擊試驗結(jié)果
根據(jù)GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》和GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，分別對斷裂螺栓、同批次正常螺栓和對比螺栓橫截面心部區(qū)域進(jìn)行硬度測試。布氏硬度壓頭直徑為2.5 mm，試驗力為187.5 kgf（1 kgf=908 N），保持時間為10 s，檢測結(jié)果如表4所示。由表4可知：斷裂螺栓及同批次正常螺栓的硬度明顯降低，且已低于GB/T 3098.1—2010標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值（316 HBW）。
Table 4.不同螺栓布氏硬度測試結(jié)果
利用顯微維氏硬度計對斷裂螺栓的軸向截面進(jìn)行顯微硬度測試，顯微維氏硬度計的壓頭為金剛石椎體，載荷為0.3 kgf，保持時間為10 s，檢測結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：測點4、5、7的硬度已超出GB/T 3098.1—2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“表面硬度不應(yīng)超過390 HV”的要求；螺紋牙底區(qū)域表面（測點1~8）的硬度明顯高于中間區(qū)域測點（測點9~11），不滿足GB/T 3098.1—2010的要求。
圖 8斷裂螺栓維氏硬度測試結(jié)果
2. 綜合分析
葉片與變槳系統(tǒng)連接螺栓在運行過程中不僅需要承受大幅變化的風(fēng)速載荷、力矩及振動作用，還需長期耐受戶外惡劣氣候環(huán)境的考驗，其服役條件極為嚴(yán)苛[10]。風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度緊固螺栓的使用壽命不僅受設(shè)計、安裝工藝、材料性能、制造工藝及熱處理質(zhì)量的影響，還與運行環(huán)境密切相關(guān)。經(jīng)核查，確認(rèn)其設(shè)計和安裝過程均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；同時，斷裂螺栓的化學(xué)成分分析結(jié)果表明，其化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，由此可排除因材料選用不當(dāng)導(dǎo)致螺栓斷裂的可能性。
根據(jù)GB/T 3098.1—2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，10.9級性能等級合金鋼的熱處理工藝應(yīng)為淬火加回火，其標(biāo)準(zhǔn)顯微組織應(yīng)為回火索氏體[11]。然而，金相檢驗結(jié)果表明：斷裂螺栓及同批次正常螺栓中存在大量魏氏組織，這與對比螺栓的正常組織（回火索氏體+少量鐵素體）存在顯著差異。魏氏組織的形成通常與熱處理過熱有關(guān)，該組織會顯著降低材料的抗拉強(qiáng)度[12]；同時，相鄰顯微組織條帶間的性能差異會導(dǎo)致材料產(chǎn)生應(yīng)力集中，還會明顯惡化材料的塑性和沖擊韌性[13-14]。力學(xué)性能對比試驗進(jìn)一步證實，斷裂螺栓的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度不僅顯著低于對比螺栓，甚至已低于GB/T 3098.1—2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低使用要求；雖然斷裂螺栓的沖擊吸收能量仍符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但相比對比螺栓已大幅降低，表明其安全裕度明顯不足。
硬度測試結(jié)果顯示，斷裂螺栓心部硬度為313 HV，而表面9個測點的硬度為362.8~474.3 HV，均顯著超出GB/T 3098.1—2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。特別值得注意的是，螺紋牙根部的表面硬度最大值（474.3 HV）已超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（390 HV）。研究表明，過高的表面硬度會對材料的塑性和韌性產(chǎn)生不利影響。此外，由于葉片與變槳軸承連接螺栓需要承受頻繁的變槳運動載荷，本身就容易發(fā)生疲勞斷裂[15]，而斷裂螺栓的螺紋牙根部不僅存在金屬流變變形和組織微觀偏析，同時作為主要受力部位，在多重因素的共同作用下，材料更易萌生疲勞裂紋，最終導(dǎo)致螺栓斷裂。
3. 結(jié)論
（1）該風(fēng)力發(fā)電機(jī)組42CrMoA鋼葉片與變槳軸承螺栓設(shè)計符合標(biāo)準(zhǔn)要求，運行環(huán)境也未見異常情況。
（2）斷裂螺栓斷面可見由螺紋牙根部起始、向?qū)?cè)擴(kuò)展的輻射疲勞條紋，裂紋起始于螺紋牙根部。
（3）螺栓顯微組織含較多魏氏組織，導(dǎo)致基體硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性降低，螺紋牙根部過高的表面硬度進(jìn)一步導(dǎo)致局部韌性降低、脆性增大，在應(yīng)力集中部位促使裂紋的萌生和擴(kuò)展。
文章來源——材料與測試網(wǎng)