风电螺栓断裂失效分析

1高致勤 2鲁飞彪

中国石油集团工程材料研究院有限公司 陕西省 西安市  710077

1北京隆盛泰科石油管科技有限公司  北京市 100101

2西安国联质量检测技术股份有限公司   陕西省 西安市 710116

1摘要

风电项目的风机上规格为M36×590、10.9级高强度螺栓在发生断裂现象。该螺栓材料为42CrMoA，一圈螺栓把叶片和变桨轴承内圈连接在一起的，工作时使叶片沿着轴线旋转。该螺栓的设计预紧力是375 kN，紧固力距是1400 Nm，安装时用液压扳手紧固。机组运行的时候，螺栓除了受预紧力外，还受到随时变化的风载荷。

该机组螺栓断裂已累计有106根，大部分集中在限位开关位置，叶片及变桨轴承内圈端的螺栓也有断裂，且大部分都是靠近变桨轴承端。

2试验过程

2.1  宏观观察

经和技术资料对比，螺栓断裂位置主要分布位置见图1。螺栓实物见图2，螺栓断裂成两部分，一部分为螺栓轴身端，一部分为头部。

图1  螺栓断裂位置主要分布图

图2  螺栓断裂位置

该断裂螺栓断裂处位于M36螺纹上靠近轴身端的第1扣螺纹底处，断裂部位无明显塑性变形，断面大部分区域垂直于螺栓的轴线，见图3，断口及其侧面覆盖有一层泥土和腐蚀产物，未观察到正常金属断口特征，见图4。

 

图3  螺栓断裂处侧面形貌                   图4  螺栓断口宏观形貌

从螺栓轴身端切取断口，将断口用丙酮超声波多次清洗后置于体视显微镜下观察，其断口宏观形貌见图5。断口可分为A、B两部分，A部分约占整个断面的五分之四，断面平齐，断面垂直于螺栓的轴线，大部分区域有一层腐蚀产物覆盖，覆盖物脱落部位可见正常金属断裂特征，断面上有贝壳状花样，贝壳状花样的同心圆直径最小处位于螺栓断口边缘，螺栓螺纹底部。B部分高于A部分，与A部分约成60°，大部分区域有一层腐蚀产物覆盖，覆盖物脱落部位可见正常金属断裂特征。

  图5  清洗后螺栓断口宏观形貌

2.2 微观观察

将清洗后的螺栓断口置于扫描电镜下观察，整个断口微观形貌见图6、图7，断口可分为三部分，疲劳源区、扩展区和瞬断区。

图6  螺栓断口A部分电镜形貌         图7  螺栓断口B部分电镜形貌

疲劳源区位于断口A部分的下部分，线源，大部分表面被一层腐蚀产物覆盖，见图8，局部可见早期疲劳条带，见图9。

 

图8  疲劳源区覆盖物形貌        图9  疲劳源区局部早期疲劳条带形貌

扩展区面积较大，平坦，其微观形貌大部分区域有腐蚀产物覆盖，见图10，腐蚀产物脱落部分微观形貌为疲劳条带和与疲劳条带平行的二次裂纹，见图11。

图10  疲劳扩展区覆盖物形貌        图11  疲劳源区疲劳条带及二次裂纹形貌

   瞬断区位于断口上A部分末端以及B部分，即疲劳源区的对侧，面积较大，其微观形貌为韧窝，见图12。

图12  断口上瞬断区韧窝形貌

对断口侧面靠近疲劳源区部位放大观察，其侧面有二次裂纹，二次裂纹与断口平齐，见图13。

图13  断口源区侧面形貌

2.3化学成分分析

  对断裂螺栓基体材料进行化学成分分析，结果见表1。

表1  断裂螺栓基体材料化学成分分析结果（重量百份比/%）

元素	C	Cr	Mo	Si	Mn
实测值	0.38	0.93	0.22	0.23	0.71
标准GB/T 3077中材料42CrMoA规定	0.38～0.45	0.90～1.20	0.15～0.25	0.17～0.37	0.50～0.80

由表1化学成分分析结果可知，该断裂螺栓基体化学成分符合标准GB/T 3077中材料42CrMoA规定要求。

2.4 金相检查  

从断裂螺栓上垂直于断口制取金相试样，未腐蚀，置于金相显微镜下观察，断口处无明显非金属夹杂等冶金缺陷，有深度约为0.193mm的二次裂纹，见图14。将试样用4%硝酸酒精腐蚀后置于金相显微镜下观察，二次裂纹两侧无脱增碳现象，表面无脱碳、增碳现象，基体金相组织为回火索氏体，且组织细小，见图15。

 

       图14  金相试样上二次裂纹形貌           图15  螺栓基体金相组织形貌

2.5 力学性能试验

2.5.1  硬度检测

在断裂螺栓上取样用洛氏硬度计进行硬度检测，结果见表2。

表2  断裂螺栓基体硬度检测结果

实测值HRC	35.6	35.7	36.2
GB/T3098.1中规格M36、10.9级螺栓规定	（32～39）HRC

由表2硬度检测结果可知，该断裂螺栓硬度符合标准GB/T3098.1中规格M36、10.9级螺栓规定。

2.5.2  室温拉伸试验

从断裂螺栓基体上取样，按照GB/T 228.1的规定制成拉力试件并进行室温拉伸试验，结果见表3。

表3  断裂螺栓基体室温拉伸检测结果

	Rm /MPa		RP0.2/ MPa		A/ %		Z /%
实测值	1053	1048	914	918	13.5	15.0	58	60
GB/T3098.1中规格M36、10.9级螺栓规定	≥1040		≥940		≥9		≥48

由表3硬度室温拉伸性能检测结果可知，该断裂螺栓室温拉伸性能符合标准GB/T3098.1中规格M36、10.9级螺栓规定，但强度基本处于下限值,屈服强度低于标准要求。

3 分析与讨论

由断裂螺栓化学成分、金相组织和力学性能检测结果可知，断裂螺栓化学成分符合要求、金相组织正常、力学性能检测大部分结果满足螺栓10.9级的要求，说明断裂与材质无关，断裂与生产过程无关。但根据室温拉伸强度检测结果可知，其实际强度处于下限值。宏观断口上无明显塑性变形，由贝壳状花样，贝壳状花样同心圆直径最小处位于螺栓断口边缘，螺纹底部；微观断口上呈现出疲劳源区、扩展区和瞬断区，且疲劳源区为线源，瞬断区位于源区对侧，说明螺栓断口为单向弯曲疲劳断口。

断口上疲劳源为线源，说明裂纹起裂时的交变应力较大，加之瞬断区面积较大，说明断裂时的应力较大，且螺栓寿命较短。单向弯曲疲劳断口的形成说明该螺栓在工作时承受了单向弯曲交变应力作用。

由该螺栓的安装部位、工作环境以及受力状态可知，螺栓工作时会受到振动、冲击等交变应力作用。由于该螺栓较长若安装时不同心或者用螺母未固定住，螺栓在工作时会附加受到一弯曲应力作用，在弯曲应力和振动、冲击等交变应力等共同作用下，螺栓与螺母啮合的第1个螺纹的牙底所承受的应力最大，从而在此部位产生微裂纹，形成疲劳源区，随着工作时间的延长，裂纹不断扩展，并最终发生断裂。

经查阅相关技术资料可知，一般情况下对于合金钢螺栓在连接中的预紧力F预紧力应≤0.5Rp0.2A（kN）,按照此要求，该螺栓在安装时施加的预紧力

F预紧力≤0.5×940×817=384 kN

而设计规定该螺栓的预紧力为375kN，接近螺栓能承受的允许的最大预紧力。实际在施加375kN的预紧力，可能会导致螺栓发生变形，产生了一附加弯曲应力，使螺栓发生早期弯曲疲劳断裂。

4  结论

4.1  该螺栓断裂性质为弯曲疲劳断裂；

4.2  弯曲疲劳断裂除与螺栓工作时受到振动、冲击等交变应力有关外，还与其受到附加的弯曲应力有关；

4.3  振动、冲击等交变应力与螺栓工作时的工况有关，弯曲应力的存在可能与其安装时施加的预紧力过大有关；

4.4  安装预紧力过大可能与螺栓自身强度不高有关。

5  建议

提升螺栓生产加工强度，以满足设计资料规定该螺栓的预紧力为375kN的要求。

作者简介：高致勤

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