風電螺栓檢測試驗及斷裂失效分析

風電機組的基礎(chǔ)套件包括：塔筒、機艙、輪轂、葉片，風電機組基礎(chǔ)。以及葉片鏈接的關(guān)鍵部件。這些零部件常常使用螺紋規(guī)格在M30以上的高強度螺栓進行鏈接。螺栓緊固件的性能關(guān)乎著，整臺風電機組的使用性能。但是目前國內(nèi)的高強度螺栓相應標準往往出自于不同的部門。有的由于標準的年代久遠已經(jīng)跟不上目前的形式。所以在日常檢測中，現(xiàn)場會出現(xiàn)大量的資質(zhì)問題。

風電高強螺栓的主要連接方式有以下三種：高強度螺栓、螺釘連接。組成由螺栓和平墊圈組成。高強度螺栓由六角頭螺栓、一個螺母和兩個平墊圈組成。高強度螺栓連接的構(gòu)成是1個螺栓、1個螺母以及一個平墊圈構(gòu)成。因此高強度螺栓也叫雙頭螺栓或者雙頭螺柱。

不同或者相同的風電主機廠家，風電螺栓的規(guī)格和數(shù)量與扭矩值各不相同。進行安裝時需要以具體的作業(yè)指導書為準。

常見的螺栓以及錨栓鏈接副，都有抽檢項目以及抽檢數(shù)量規(guī)定。GB/T1231-2009規(guī)定，同批高強度螺栓的最大數(shù)量為3000套，《結(jié)構(gòu)鋼高強度螺栓技術(shù)規(guī)程》中JGJ 82-2011則指出高強度螺栓連接副進場檢驗屬于復驗。最大檢驗批次同樣不能超過3000套，且最大批次不宜超過兩個批次為6000套，需要注意的是該規(guī)范與GB/T 1231-2009中螺栓試驗參數(shù)僅適用于M12-M30之間的高強度螺栓，并且不適用于雙頭螺柱。

《風電機組塔架用高強度螺栓連接副》NB/T31082－2016檢驗規(guī)則中6.7規(guī)定“抽檢以螺栓連接副批次為單位，同批螺栓連接副最大數(shù)量為5000套。”該規(guī)范中螺栓試驗參數(shù)規(guī)格為M36－M64。

綜上所述，建議螺紋規(guī)格M36及以上的高強螺栓進場后每批次抽檢不超過5000套；螺紋規(guī)格M36以下的每批次抽檢不超過6000套。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，高強螺栓抽檢試驗一般包括以下項目：螺栓楔負載試驗、螺母保證荷載試驗、螺母硬度試驗、墊圈硬度試驗、螺栓連接副扭矩系數(shù)試驗，上述試驗抽檢數(shù)量均為8件。螺紋脫碳試驗試件數(shù)量為3件。螺栓送檢時應附制造廠的質(zhì)量檢驗出廠報告，報告中應包括批號、規(guī)格、數(shù)量、材料、爐號、化學成分、試件拉力試驗和沖擊試驗數(shù)據(jù)、實物機械性能試驗數(shù)據(jù)、連接副扭矩系數(shù)測試數(shù)據(jù)等內(nèi)容。

需要注意的是潤滑劑應隨螺栓一起送試驗室，并嚴格按照安裝指導手冊要求進行涂敷。某風電場高強螺栓送檢時，未告知試驗人員在墊片與螺母、螺栓頭接觸面涂敷潤滑劑，致使扭矩系數(shù)超出規(guī)范規(guī)定的平均值0.110～0.150范圍。重新送檢并按照安裝指導手冊要求涂敷潤滑劑后檢測合格?！讹L力發(fā)電機組高強螺紋連接副安裝技術(shù)要求》GB/T 33628－2017（2017年5月12日發(fā)布，2017年12月1日實施）指出，抗咬合劑推薦使用二硫化鉬含量大于30%的潤滑劑。螺栓外螺紋潤滑劑涂敷厚度約為螺紋深度的1/2，螺母及墊片接觸面上的潤滑劑涂敷厚度約為0.1mm。

高強螺紋連接副安裝指導要求

風電機組內(nèi)高強螺紋連接副安裝程序各個風電機組廠家會有所不同，某風電機組廠家螺栓安裝指導程序如下：

首先用快槍1000N.m完成初擰，再按扭矩設(shè)計值75%米字形對稱分區(qū)復擰，最后終擰至扭矩設(shè)計值。GB/T 33628－2017中規(guī)定三次施擰扭矩值分別為10%扭矩值、50%扭矩值、100%扭矩值。一般情況下企業(yè)標準高于國家標準，建議按風電機組廠家指導手冊執(zhí)行。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)程》GB 50205－2001中規(guī)定，高強度螺栓終擰后螺栓絲扣應外露2～3扣，其中允許有10%的螺栓絲扣外露1扣或者4扣。

風電機組螺栓的斷裂類型

通過受力分析，結(jié)合前述文獻，不難看出，風電機組螺栓斷裂的主要形式是過載斷裂和疲勞斷裂。過載斷裂是由外荷載引起的螺栓應力因超過其設(shè)計強度而形成的斷裂，宏觀斷口形狀分為3 個區(qū)：纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇。疲勞斷裂是由交變荷載引起的斷裂，宏觀斷口形狀也分為3 個區(qū)：裂紋源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)（見圖1 ) 。

 引起風電機組螺栓斷裂的原因分析

引起風電機組螺栓斷裂的因素有外因和內(nèi)因之分（見圖2 )。

外部因素

外部因素除外荷載過大以外，還包括安裝時對預緊力的不當控制，例如：扳手力矩誤差導致預緊力施加不合理；螺栓擰緊順序不當導致整圈螺栓預緊力分布不均；潤滑劑選用不當或涂抹不當導致力矩系數(shù)與設(shè)計產(chǎn)生偏差；安裝工藝執(zhí)行不到位；等等。為了消除外部因素，用戶除了要制定并實施合理的安裝工藝以外，還要加強與風機供應商和螺栓制造廠的溝通，做好技術(shù)交底。

 內(nèi)部因素

內(nèi)部因素都產(chǎn)生于制造過程，包括原材料因素、機加工質(zhì)量和熱處理質(zhì)量。

( 1 ) 原材料因素可細分為脫碳層、材料化學成分、沖擊韌性、夾雜物等。

① 脫碳層的影響。熱處理中可能會造成脫碳，全脫碳層的硬度和疲勞強度都會下降，在交變荷載作用下將在全脫碳層最大深度處產(chǎn)生應力集中。某風電機組塔筒螺栓（規(guī)格M2 4、材質(zhì)3 5 CrMo) 僅投運1 個月就出現(xiàn)多根螺栓螺紋處斷裂，經(jīng)失效分析發(fā)現(xiàn)斷裂部位處于全脫碳層最深處。

② 材料化學成分的影響。如材料中的一些強化元素如Mn的含量超標將對裂紋的產(chǎn)生和擴展有一定影響。

③ 沖擊韌性的影響。材料的沖擊功偏低將加快螺栓在應力作用下裂紋的產(chǎn)生和擴展速度。

④ 夾雜物的影響。材料中的夾雜物破壞了基體的連續(xù)性，在受力情況下夾雜物周圍形成應力集中。某風電場多臺3 M W 機組運行1.5 a 后頻繁發(fā)生螺栓斷裂，分析結(jié)果表明，斷裂原因與材料中存在大量的氧化硅夾雜物有關(guān)。

( 2 ) 機加工質(zhì)量因素主要表現(xiàn)在以下3 個方面。

① 機加工留下的刀痕導致應力集中。如某風電機組材質(zhì)4 2 CrMoA發(fā)生疲勞斷裂，分析其原因是機加刀痕在滾絲機加工螺紋后未消除，導致刀痕在螺紋底部產(chǎn)生應力集中形成裂紋源。

② 金屬流線破壞。某機組螺栓由于螺紋加工未采用滾絲導致金屬流線破壞，切斷了金屬的流線，降低了強度導致疲勞斷裂。

③ 加工精度、表面粗糙度不夠?qū)е侣菁y根部應力集中。

( 3 ) 熱加工質(zhì)量因素主要表現(xiàn)在以下2 個方面。

① 熱處理工藝執(zhí)行不到位，導致材料組織性能不過關(guān)。這類問題多發(fā)生在安裝階段，如某風電機組安裝中螺栓斷裂，經(jīng)光學顯微鏡觀察到心部存在少量小塊狀鐵素體，經(jīng)分析是調(diào)質(zhì)時加熱不足造成，與網(wǎng)帶爐的裝料量過大、裝料不均勻、運行速度大等有直接關(guān)系。某風電機組螺栓斷裂后經(jīng)金相分析發(fā)現(xiàn)螺栓顯微組織為上貝氏體組織，熱處理組織不正常，力學性能不足導致失效。

② 熱鍛加工時控制不到位。如六角螺栓在熱鍛成型后應對六角頭R 角倒角，以防止后續(xù)熱處理因應力集中而產(chǎn)生裂紋，此時若破壞金屬流線，則會降低強度。