風(fēng)電機(jī)葉片螺栓斷裂原因探析

摘要：風(fēng)電場在投運(yùn)三年內(nèi)，多臺次風(fēng)電機(jī)組發(fā)生葉片螺栓斷裂的問題，從葉片螺栓設(shè)計(jì)、材質(zhì)、安裝工藝、現(xiàn)場載荷分析等方面進(jìn)行排查，通過理論和試驗(yàn)分析，確定葉片螺栓斷裂是由于安裝工藝存在問題導(dǎo)致。關(guān)鍵詞：葉片；螺栓斷裂一、引言武穴風(fēng)電場，位于武穴市境內(nèi)，大別山南麓，鄂東邊緣，于2015年6月27日開工建設(shè)，于2015年12月30日成功實(shí)現(xiàn)首臺并網(wǎng)發(fā)電，項(xiàng)目總裝機(jī)規(guī)模80MW，安裝40臺單機(jī)容量2000千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)電機(jī)組采用明陽MY2.0-118機(jī)型。風(fēng)電機(jī)基礎(chǔ)采用重力式現(xiàn)澆鋼筋混凝土圓盤型基礎(chǔ)，內(nèi)預(yù)埋基礎(chǔ)環(huán)（鋼質(zhì)筒體結(jié)構(gòu)），基礎(chǔ)環(huán)與上部塔架用高強(qiáng)螺栓連接。武穴風(fēng)電場分北區(qū)和中區(qū)兩部分，其中，北區(qū)安裝27臺機(jī)組，容量54MW;中區(qū)安裝13臺機(jī)組，容量26MW。二、事件經(jīng)過風(fēng)電場投產(chǎn)以來已發(fā)生6臺風(fēng)電機(jī)葉片23顆螺栓斷裂。大多數(shù)螺栓斷裂發(fā)生在變槳軸承側(cè)的螺紋部位，部分螺栓斷裂發(fā)生在螺桿部位。詳見表1。表1風(fēng)機(jī)編號槳葉編號螺栓斷裂螺栓頭斷裂螺帽斷裂T111T633T721T921T1421T1432T25214合計(jì)1715螺栓連接是風(fēng)電機(jī)裝配中的重要裝配方式，涉及到風(fēng)電機(jī)組的許多部件。作為風(fēng)電機(jī)設(shè)備的重要聯(lián)結(jié)件，螺栓的設(shè)計(jì)、制造、安裝、日常檢修維護(hù)等都是非常重要的工作。公司針對葉片螺栓斷裂的問題召開專題分析會，對螺栓強(qiáng)度和載荷分布的設(shè)計(jì)、螺栓安裝的工藝、日常運(yùn)行及維護(hù)等方面的詳細(xì)分析，查找原因，并根據(jù)分析結(jié)果及暴露的問題，制定相應(yīng)防范措施?，F(xiàn)已嚴(yán)格按照工藝要求，對風(fēng)電場40臺風(fēng)電機(jī)葉片螺栓全部進(jìn)行了更換，確保了機(jī)組安全運(yùn)行。葉片螺栓斷裂如圖1。圖1：葉片螺栓斷裂位置（涂紅）

三、原因分析

螺栓常見的失效形式有：滑絲、扭斷、屈服、甚至拉斷等現(xiàn)象；設(shè)備運(yùn)行過程中發(fā)生螺栓失效，威脅機(jī)組運(yùn)行安全，嚴(yán)重者甚至造成風(fēng)電機(jī)組倒塔。螺栓失效，除了本身的設(shè)計(jì)、材質(zhì)、制造等原因外，安裝工藝方面的問題也不容忽視。下面從設(shè)計(jì)、螺栓材質(zhì)、安裝工藝、載荷等四個方面進(jìn)行原因分析。（一）螺栓設(shè)計(jì)MY2.0-121機(jī)組在設(shè)計(jì)之初，經(jīng)過了北京鑒衡認(rèn)證中心和德國萊茵的聯(lián)合認(rèn)證，葉片根部螺栓計(jì)算見表2-4。由認(rèn)證檢測結(jié)果看出葉片螺栓設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。表2：Comparativeboltstresscalculationagainstyielding表3：Globalcheck,fatigueanalysisresultsforBR-PBbolts表4：Localcheck,fatigueanalysisresultsforBR-PBbolts（二）螺栓材質(zhì)1.生產(chǎn)及材質(zhì)：葉片型號為MY2.0-58.8A1；螺栓廠家為舟山正源；斷裂產(chǎn)品為雙頭螺栓，規(guī)格為M36*575；螺栓材質(zhì)為42CrMoA,強(qiáng)度等級10.9級。生產(chǎn)批次號15-587，該批產(chǎn)品從2015年10月4日開始生產(chǎn)。圖2：螺栓方位圖2.檢測依據(jù)主機(jī)廠家的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)生斷裂情況的螺栓檢測規(guī)范-B》，對螺栓進(jìn)行材料成分、硬度、拉伸、低溫沖擊，以評估產(chǎn)品質(zhì)量是否滿足要求。3.檢測機(jī)構(gòu)包頭北方賽特檢測科技有限責(zé)任公司，是中國兵器工業(yè)華北金屬材料檢測與失效分析中心的對外業(yè)務(wù)窗口。圖34.檢測機(jī)構(gòu)分別對螺栓樣本進(jìn)行了金相分析、材料成分、硬度及拉伸等實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：（1）金相分析對失效件在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，對疲勞斷口試料在掃描鏡下觀察，斷裂源位于試樣邊緣，整斷面均未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，雜質(zhì)含量及基本組織未見異常。（見圖4）圖4（2）材料成分（見表5）表5檢測環(huán)境條件溫度：22.4相對濕度：33%其他：/檢測結(jié)果樣品號CCrMnMoSi/0.401.050.720.160.23說明：此高強(qiáng)度螺栓化學(xué)成分符合GB/T3077-1999，第6條表1,42CrMo：C%（0.38，0.45）、Mn%（0.5,0.8）、S%（0.17,0.37）、Cr%（0.9,1.2）、Mo%（0.15,0.25）。（3）硬度及拉伸硬度及拉伸性能符合GB/T3098.1表3的要求，即洛氏硬度HRC32-39，抗拉強(qiáng)度≥1040，伸長率≥9，斷面收縮率≥48。（三）安裝工藝1.螺栓的潤滑狀態(tài)與原始設(shè)計(jì)要求存在差異。設(shè)計(jì)要求為“半潤滑”，即只在螺栓與螺母嚙合面涂抹二硫化鉬鋰基脂（見圖5）。但現(xiàn)場可見的許多螺栓采用了“全潤滑”方式，即在螺母與墊片間也涂抹了二硫化鉬，見圖6。還有部分螺栓與螺紋嚙合處二硫化鉬涂抹很少，不能起到潤滑作用，幾乎是“未潤滑”見圖7。由于現(xiàn)場螺栓遺失較多，無法統(tǒng)計(jì)具體數(shù)量，初步估算兩類潤滑方式約各占一半。圖5：“半潤滑”方式

圖6：“全潤滑”方式圖

圖7：“未潤滑”方式2.螺栓擰緊力矩與預(yù)緊力關(guān)系：根據(jù)高強(qiáng)螺栓計(jì)算規(guī)范VDI2230，扭矩扳手預(yù)緊時擰緊力矩MA與螺栓預(yù)緊力FM的關(guān)系式如下：其中：P為螺距,d2為中徑，μG為螺紋摩擦系數(shù)，μK為頭部或螺母摩擦系數(shù)，DKm為頭部或螺母的摩擦直徑。對于平面圓環(huán)承壓區(qū)域，式中考慮了螺母的倒角直徑Da、夾緊件的倒角直徑dha，以及孔的直徑dh和平面頭部支承區(qū)域的內(nèi)徑da?？梢姡瑵櫥课坏牟町?，會導(dǎo)致同樣的扭矩產(chǎn)生不同的預(yù)拉力。3.葉根螺栓在“全潤滑”和“未潤滑”情況下疲勞強(qiáng)度計(jì)算。由于“全潤滑”和“未潤滑”分布無規(guī)律，如果建立實(shí)體模型，工作量非常大，因此我們先假定所有螺栓為“未潤滑”的狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，考慮其中的部分螺栓全潤滑，可推出其參考結(jié)論。計(jì)算采用MY2.0-121量產(chǎn)化及認(rèn)證機(jī)型載荷工況，預(yù)緊力計(jì)算參考VDI2230，假定“未潤滑”情況下摩擦系數(shù)為0.2，則螺栓M36參考扭矩系數(shù)可取0.251，現(xiàn)場扭矩按半潤滑進(jìn)行力矩操作（1520Nm）則對應(yīng)的預(yù)拉伸載荷為168.5kN。此時葉根螺栓（計(jì)算預(yù)緊力168.5kN，疲勞分項(xiàng)系數(shù)1.25）的最大疲勞損傷為16.38（螺紋），對應(yīng)的理論疲勞壽命1.22年。通過上述分析發(fā)現(xiàn)，按給定擰緊力矩值及相關(guān)參數(shù)計(jì)算，未潤滑螺栓的預(yù)緊力較低，螺栓疲勞壽命遠(yuǎn)低于機(jī)組設(shè)計(jì)壽命。（四）現(xiàn)場載荷分析1.武穴風(fēng)電場70米高度50年一遇大風(fēng)風(fēng)速為36.6m/s,極大風(fēng)速為43.9m/s，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測風(fēng)切變指數(shù)，推算到輪轂高度50年一遇極大風(fēng)速為44.6m/s。由實(shí)測風(fēng)資料推算風(fēng)電場輪轂高度15m/s風(fēng)速段下的代表湍流強(qiáng)度為0.096，屬于偏弱湍流強(qiáng)度。原微觀選址報(bào)告可見湍流強(qiáng)度均小于0.14，在機(jī)組設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。2.采用9252測風(fēng)塔實(shí)測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核，計(jì)算數(shù)據(jù)顯示，葉片螺栓斷裂機(jī)組點(diǎn)位湍流強(qiáng)度值、綜合入流角、綜合風(fēng)切變均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。3.分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，有短期特征湍流強(qiáng)度超出0.14情況，但出現(xiàn)時間比較短，不能代表完整運(yùn)行時間段。通過CFD軟件仿真測算，都未超出原設(shè)計(jì)湍流強(qiáng)度。(五)結(jié)論1.葉片螺栓受力復(fù)雜，除了受到風(fēng)載荷造成的拉伸、壓縮應(yīng)力作用外，還受到機(jī)艙偏航、葉片變槳的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力造成的剪切應(yīng)力作用，風(fēng)力變化時及旋轉(zhuǎn)過程中還受到葉片重力及旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力作用。在螺栓預(yù)緊力不足時會造成此疲勞應(yīng)力幅值過大，導(dǎo)致葉片螺栓的早期疲勞失效。2.施工階段，螺栓安裝、緊固工藝不規(guī)范(全潤滑或未潤滑)導(dǎo)致實(shí)際施加到螺栓上的預(yù)緊力有很大的分散性，在轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的循環(huán)沖擊載荷作用下，導(dǎo)致受力較大的螺栓在螺紋根部出現(xiàn)裂紋并疲勞擴(kuò)展直至斷裂。四、采取的措施

（一）技術(shù)措施1.對于葉片螺栓潤滑狀態(tài)不良的情況，將損傷大于0.45的所有螺栓進(jìn)行更換，參考如圖5。機(jī)組正常停機(jī)，葉片順槳后，以葉片零位為基準(zhǔn)，葉片螺栓第1根至19根、第31根至40根以及第62根至64根進(jìn)行更換，每臺機(jī)組每個葉片32根螺栓需要全部更換。更換新螺栓時按半潤滑方式進(jìn)行潤滑并施以對應(yīng)力矩（第一次緊固力矩為終緊值的50%；第二次緊固力矩值為終緊值的100%）。對于圖8范圍以外的螺栓，需要排查每根螺栓的潤滑狀態(tài)，對于已是“全潤滑”狀態(tài)的螺栓，則需要進(jìn)行更換，半潤滑螺栓則重新按半潤滑方式進(jìn)行潤滑，并施以相應(yīng)力矩。圖8：需要更換螺栓的分布2.按照規(guī)范要求對螺栓更換后，要求廠家對更換的每顆螺栓進(jìn)行軸力（預(yù)緊力）檢測，確保螺栓預(yù)緊力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。3.對全場每臺機(jī)組三個變槳電機(jī)最大溫差進(jìn)行監(jiān)控，三相繞組溫差超過5℃報(bào)警，超過10℃停機(jī)，繞組溫度取30秒平均值。4.風(fēng)電機(jī)因振動停機(jī)后,原因未查明前嚴(yán)禁啟動。（二）管理措施1.加強(qiáng)風(fēng)電機(jī)金屬技術(shù)監(jiān)督工作。因葉片主要承受風(fēng)載荷，、重力和離心力，在葉片根部載荷最大，容易疲勞失效，另外，葉片易遭雷擊或開裂、脫膠。需明確葉片及螺栓檢驗(yàn)項(xiàng)目、內(nèi)容、周期及依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。同時，結(jié)合運(yùn)行時間，不定期針對性開展葉片及葉片螺栓的專項(xiàng)檢查。2.加強(qiáng)設(shè)備管理，發(fā)現(xiàn)任一螺栓損壞應(yīng)更換該機(jī)組同一法蘭面螺栓,禁止將拆卸下來的螺栓重復(fù)使用，同時立即對安裝同批次螺栓進(jìn)行擴(kuò)大檢查，斷裂的螺栓和更換下的螺栓應(yīng)立即送到有關(guān)技術(shù)監(jiān)督部門，對螺栓的材質(zhì)、強(qiáng)度進(jìn)行檢測，并進(jìn)行受損原因分析。3.保證現(xiàn)場維護(hù)使用的液壓力矩扳手處于檢驗(yàn)周期內(nèi)，以確保螺栓力矩的準(zhǔn)確性，避免螺栓預(yù)緊力過大或不足。4.加強(qiáng)對運(yùn)維人員安全、技術(shù)教育，提高日常巡視中的警惕性，防患于未然。提升從業(yè)人員的能力，提升他們辨識安全風(fēng)險(xiǎn)隱患、防范事故發(fā)生的能力。5.運(yùn)行人員加強(qiáng)對風(fēng)電機(jī)的監(jiān)視和檢查，發(fā)現(xiàn)振動、溫度、轉(zhuǎn)速超限的機(jī)組立即停機(jī)處理。6.風(fēng)電機(jī)400米范圍處設(shè)置“風(fēng)電機(jī)運(yùn)行，禁止停留”安全警示牌。五、總結(jié)

通過對本次葉片螺栓斷