二連倒塔原因初探

二連風(fēng)場#7風(fēng)機(jī)倒塔原因初探工程學(xué)是一門應(yīng)用學(xué)科，是用數(shù)學(xué)和其他自然科學(xué)的原理來設(shè)計有用物體的進(jìn)程.工程學(xué)的開展是和事故分不開的,從這個角度說,事故是財富.翻開財富的鑰匙,是找出引發(fā)事故的真正原因.遵從這一原那么,我們分析一下二連#7風(fēng)機(jī)倒塔原因.2023年2月28日18時33分二連風(fēng)電場#7風(fēng)機(jī)塔筒在1-2節(jié)聯(lián)接處折斷，斷口在第一節(jié)塔筒上端，距法蘭下平面10mm。#7風(fēng)機(jī)倒塌前狀態(tài)：有功1350kw，〔90%負(fù)荷〕風(fēng)速10.0m/s。圖1事故現(xiàn)場塔架是風(fēng)力發(fā)電組的重要承載部件，它承受的載荷有塔架自重，機(jī)艙及風(fēng)輪的重力載荷、風(fēng)輪反作用力及風(fēng)力載荷、風(fēng)輪的振動載荷、啟動和停機(jī)的慣性力、偏航系統(tǒng)啟動和制動的慣性力、陣風(fēng)變化、塔影效應(yīng)等，此外還要考慮正常工作時葉片突然斷裂引起的故障載荷，葉片結(jié)冰而引起的振動載荷等。風(fēng)機(jī)運行中,對應(yīng)每一種工況塔架的受力狀態(tài)是不一樣的，應(yīng)力差異很大,最大應(yīng)力所在區(qū)域不同。所以可以通過分析斷裂位置來推斷塔架斷裂前的工作狀態(tài).1.塔架受力分析針對風(fēng)機(jī)運行特點,在有限元分析中,我們把風(fēng)機(jī)運行分成9個工況，分別分析各個工況下的塔架應(yīng)力狀態(tài)：表1風(fēng)機(jī)運行的9個工況ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨ額定發(fā)電額定發(fā)電+地震1額定發(fā)電+地震2切出風(fēng)速極限風(fēng)速故障停機(jī)額定發(fā)電+葉片斷，加力在上額定發(fā)電+葉片斷一片，加力在中額定發(fā)電+葉片斷，加力在下圖29個工況的應(yīng)力表29個工況的最大應(yīng)力工況編號Ⅰ正常Ⅱ地震1Ⅲ地震2Ⅳ切出Ⅴ極限Ⅵ故障Ⅶ上加力Ⅷ中加力Ⅸ下加力最大應(yīng)力(MPa)156.4188.0175.5277.8108.3176.1150.9123304.8有限元分析結(jié)果說明，最危險工況是上葉片斷裂時，加力向下,應(yīng)力為304.8MPa,危險部位是第一節(jié)塔架上部。這種工況下塔架的應(yīng)力有一個突變過程,當(dāng)葉片發(fā)生斷裂,風(fēng)載荷突然卸載,塔架在彈性作用下,使主機(jī)迎風(fēng)回彈,同時未斷裂葉片的離心力及重力加速度對塔架產(chǎn)生一個附加彎矩,塔架迎風(fēng)面由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力,而背風(fēng)面的塔筒那么由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力。這種工況相當(dāng)于一根頭部有一重物的鋼管被一根線拉彎,突然砍斷拉線,鋼管將倒向拉線的另一方.也就是塔架將迎風(fēng)倒下。最大應(yīng)力為何發(fā)生在第一節(jié)塔筒上部，由于葉片斷裂引起的載荷變化時間極短,只有1-2秒,屬于沖擊載荷.塔筒壓應(yīng)力來不及完全釋放,抵消一局部外界拉力,因此危險部位不在由根底法蘭附近,而是向上轉(zhuǎn)移,下列圖是葉片斷裂后塔筒背風(fēng)面應(yīng)力示意圖:圖3塔筒背風(fēng)面應(yīng)力示意圖拉應(yīng)力壓拉應(yīng)力壓應(yīng)力最大拉應(yīng)力最大拉應(yīng)力應(yīng)力﹣應(yīng)力﹢應(yīng)力﹣應(yīng)力﹢由于葉片斷裂引發(fā)塔架倒塌事故時有發(fā)生，下面看幾個實例。2023年2月1日3:18分，大唐左云風(fēng)場43#風(fēng)機(jī)在接近滿發(fā)時無任何報警信息發(fā)生了倒塌，塔架從中、下段法蘭連接處折斷。主機(jī)隨同塔筒上段和中段朝著主導(dǎo)風(fēng)〔向北偏西60度〕方向倒塌，法蘭盤脖頸距端部12mm處撕裂。此前，曾經(jīng)對風(fēng)機(jī)葉片主梁進(jìn)行加強(qiáng)工作。倒塌前，變槳系統(tǒng)處于故障狀態(tài)，曾發(fā)出槳葉1快速收槳太慢等多個報警。圖42023年1月24日，通遼華能寶龍山風(fēng)電場30號機(jī)組，發(fā)生飛車引發(fā)的火災(zāi)和倒塔事故。監(jiān)控系統(tǒng)報“發(fā)電機(jī)超速，轉(zhuǎn)速為2700轉(zhuǎn)/分〞(正常運行時應(yīng)小于1700轉(zhuǎn)/分)，高速軸剎車未能抱死剎車盤。隨著轉(zhuǎn)速的不斷增大，高速軸上的剎車盤摩擦產(chǎn)生大量熱量，出現(xiàn)火花導(dǎo)致機(jī)艙著火?，F(xiàn)場查看風(fēng)機(jī)時，發(fā)現(xiàn)塔筒折斷。見下列圖。圖5事故現(xiàn)場

美國KlondikeIII風(fēng)場

August29,2023葉片旋轉(zhuǎn)過快導(dǎo)致風(fēng)機(jī)倒塌。圖6倒塌的風(fēng)機(jī)2023-10-25-20:24吉林里程協(xié)和鎮(zhèn)賚風(fēng)場21#風(fēng)機(jī)葉片折斷。風(fēng)速12m/s，轉(zhuǎn)速18.1prn，出力1500kw,第二節(jié)塔筒迎風(fēng)面11m處出現(xiàn)皺褶，塔架傾斜20度?！诧L(fēng)機(jī)廠家及葉片，新譽〕圖7變形的塔架下面是一段珍貴的錄像。可以看到塔架倒塌全過程。這是丹麥奧爾胡斯市霍恩斯特一風(fēng)力發(fā)電風(fēng)機(jī)事故錄像，2023年2月25日，驚險一幕恰巧被丹麥新聞頻道電視2臺拍攝。我們可以清楚的看到，一片槳葉開裂0.3-0.6秒后，當(dāng)另一槳葉轉(zhuǎn)到下方，塔架上部出現(xiàn)扭曲，塔架出現(xiàn)裂紋，開始迎風(fēng)傾斜，2—3秒，塔架落到地面。下面是塔筒倒塌瞬間的幾個截圖。圖81(0.00s)2(0.15s)3(0.30s)4(0.45s塔筒開始傾斜)5(0.60s)6(0.75s)可以看到，塔筒在零點幾秒中發(fā)生開裂，葉片斷裂引起的載荷是極其危險的沖擊載荷。這幾起事故有兩個共同特點塔架攔腰折斷塔筒迎風(fēng)倒地原因相同，都是槳葉斷裂引發(fā)的。與有限元分析結(jié)果相吻合。可以初步判斷，二連風(fēng)機(jī)塔筒倒塌是由于槳葉斷裂引發(fā)的?？v向開裂的葉片2.斷口分析從現(xiàn)場照片分析，斷裂開始點位于落地塔筒的正上方。塔筒參與斷裂的部位有螺栓、法蘭及焊縫熱影響區(qū)。首先螺栓斷裂，下節(jié)塔筒將法蘭拉長，扭曲，撕裂，螺栓陸續(xù)被拉斷〔30—40顆〕，同時在沖擊載荷作用下，下節(jié)塔筒與法蘭焊縫熱影響區(qū)發(fā)生脆性斷裂，隨后，沿著熱影響區(qū)被撕裂，塔筒倒塌。圖9落在地面的塔筒斷裂開始點，螺栓斷裂，法蘭變形，桶壁撕裂斷裂開始點，螺栓斷裂，法蘭變形，桶壁撕裂圖10變形的法蘭圖11脆性斷口沖擊載荷使塑性變形難于充分進(jìn)行，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)為脆性狀態(tài)，斷裂機(jī)理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫恚瑪嗫谔卣饔衫w維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀。這一點從圖10中可以清楚的看到。圖12下節(jié)塔筒上的撕裂斷口下節(jié)塔筒上的斷口是撕裂斷口，晶粒粗大，裂紋呈明顯V字型，裂紋走向清晰。為什么裂縫會沿著焊縫熱影響區(qū)行走，而不是焊縫，也不是母材，看一下焊縫周邊結(jié)構(gòu)就清楚了。圖13焊縫結(jié)構(gòu)圖14熱影響區(qū)韌性及晶粒母材焊縫熱影響區(qū)母材焊縫熱影響區(qū)焊縫兩側(cè)處于固態(tài)的母材發(fā)生明顯的組織和性能變化的區(qū)域，稱為焊接熱影響區(qū)。熱影響區(qū)晶粒粗大，韌性降低。晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力，晶粒粗大晶界總面積減少，晶界上雜質(zhì)濃度增加，容易產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。現(xiàn)場螺栓斷裂有兩種，一是疲勞斷裂〔斷裂前疲勞〕，一是脆斷。圖15螺栓斷裂形式根據(jù)有限元分析結(jié)果，塔筒斷裂時應(yīng)力到達(dá)304.8MPa，而螺栓應(yīng)力那么到達(dá)975.4MPa，大大超過螺栓的許用應(yīng)力，發(fā)生脆斷是意料之中的。在沖擊載荷下突然開裂，無縮頸，斷口晶粒細(xì)小，一般發(fā)生在螺栓頭或螺紋處。斷裂前已經(jīng)疲勞的螺栓，其能夠承受的應(yīng)力就更加低了，疲勞斷裂有裂紋源，蚌狀裂紋生長區(qū)和脆斷區(qū)。3.螺栓的疲勞斷裂在交變應(yīng)力的作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點，但經(jīng)過較長時間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。在機(jī)械零件失效中大約有80%以上屬于疲勞破壞，而且疲勞破壞前沒有明顯的變形，所以疲勞破壞經(jīng)常造成重大事故。破壞時的應(yīng)力，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限。疲勞壽命大小主要取決于交變應(yīng)力幅度和材料的疲勞強(qiáng)度.塔架高強(qiáng)螺栓安裝時全部需要施加一個預(yù)載荷，為0.61倍的屈服強(qiáng)度。安裝時預(yù)載荷過高或過低，會加大交變應(yīng)力幅，造成螺栓早期疲勞，是導(dǎo)致螺栓過早疲勞的關(guān)鍵。由于我們采用力矩法安裝，〔F=T/K*d〕螺栓預(yù)載荷的數(shù)值是分散的圖156黑魚泡2#風(fēng)機(jī)根底法蘭高強(qiáng)螺栓預(yù)載荷分布有36顆螺栓預(yù)載荷偏低，6顆偏高。預(yù)載荷偏低、偏高，會加大交變載荷的振幅，加大螺栓的軸力，降低螺栓的疲勞壽命。螺栓預(yù)載荷不合格，是導(dǎo)致螺栓過早疲勞的關(guān)鍵。我們看看塔架工作中螺栓和法蘭應(yīng)力變化圖17螺栓和法蘭應(yīng)力變化Fc=Fi-Fe*Kc/(KB+Kc)FB=Fi+Fe*KB/(KB+Kc)式中FB螺栓軸力FC法蘭張力Fi螺栓預(yù)載荷Fe外載荷KB/(KB+Kc)稱為螺栓的相對剛度系數(shù)KB螺栓剛度系數(shù)，Kc法蘭剛度系數(shù)。螺栓應(yīng)力和法蘭剩余應(yīng)力隨外載荷變化而變化的波動曲線。如外載荷到達(dá)C點時，C點縱坐標(biāo)與FC曲線交點就是法蘭剩余應(yīng)力，與Fb曲線交點就是螺栓應(yīng)力。當(dāng)外載荷到達(dá)A點時，法蘭剩余應(yīng)力為零〔永遠(yuǎn)是零〕，法蘭間將產(chǎn)生縫隙，螺栓應(yīng)力不再沿原來的曲線變化，螺栓軸力等于外載荷。4.結(jié)論①葉片斷裂，離心力、重力產(chǎn)生的附加彎矩，是二連#7風(fēng)機(jī)倒塔的主要外部原因。②局部螺栓早期疲勞形成塔筒內(nèi)部缺陷，使得裂紋發(fā)生在法蘭之間。③焊縫的熱影響區(qū)是塔筒最薄弱環(huán)節(jié)，使得裂紋沿?zé)嵊绊憛^(qū)擴(kuò)展。5.幾點建議①葉片工作中，應(yīng)力復(fù)雜，交變載荷的頻率高，極易疲勞。一定要定期檢查葉片外表，發(fā)現(xiàn)裂紋，皺褶，掉漆等缺陷，應(yīng)立即停機(jī)更換葉片。②決不能隨意解除變槳系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，注意觀察變槳系統(tǒng)工作狀態(tài)，尤其在風(fēng)速到達(dá)15m/s以上時，如發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)立即停機(jī)維修。③定期檢查螺栓，用超聲波沿螺栓周邊檢查