风电机组叶片螺栓断裂原因分析

2021-03-23林将

现代制造技术与装备 2021年2期

林将

（浙江新久力风能设备零部件有限公司，宁波 315200）

某风电场每年在固定的时间检修风电机组一次，并对机组进行日常维修。在一次维修工作中发现0°位置顺时针第2 颗螺栓有松动问题，出现了跟转的状况。工作人员尝试用手晃动螺栓，发现其已经严重松动。工作人员用手拔出螺栓，查看螺杆的根部，发现与螺母所连接的位置已经断裂。鉴于问题的严重性，工作人员又检查了整只叶片的所有螺栓。这个位置的螺栓螺杆不仅只有这一根断裂，顺时针第4 颗螺栓也已断裂，且断裂的具体位置是螺栓与六角螺母下端所连接的位置。之后，工作人员排查了风电场所有的机组叶片螺栓，发现有4 台风电机组存在这种情况，共有10 颗螺栓出现断裂。

1 叶片螺栓产生断裂比较常见的原因

1.1 载荷强度不符合要求

设计风电机组时，叶轮系统载荷的设计结果不符合实际工况。当机组处于运行状态时，叶轮旋转过程中如果扭转力已经超过了整体螺栓设计的强度极限，就会产生螺栓断裂情况。运行中的叶片螺栓的受力载荷不均，当叶片正常运行时，主要由叶根螺栓受力，主要受力部位是0°位置和180°位置。0°位置叶片螺栓受力最大，非常容易产生螺栓断裂。

叶片螺栓自身所存在的性能缺陷需要高度重视。通常叶片螺栓的硬度为10.9 级，且对材料淬透性也有严格要求，即回火索氏体超过90%，表面不能有脱碳问题[1]。特别是热处理设备和工艺选用不当时，会导致淬火过程不可控和不稳定，影响螺栓的质量，造成产品个体间的不稳定，甚至在同一产品的不同部位都不稳定。此时，即使螺栓性能指标满足要求，但产品还是存在潜在失效的可能。

螺栓表面防腐层破坏导致的锈蚀也是潜在失效点。锈蚀问题会导致产品性能指标持续下降，在叶片持续运行中也会导致螺栓疲劳断裂。因此，在螺栓加工的过程中，要选择合适的工艺，采用相应的热处理工艺和防腐工艺，使相关的指标满足设计要求。

1.2 螺栓预紧力力矩不符合要求

在对螺栓进行现场安装及后期的技术维护过程中，需要按照规定的力矩值进行操作，防止出现力矩过大或者力矩不足等问题。力矩过大会降低螺栓应力强度，在维护力矩时会产生断裂。力矩不足会出现螺栓松动现象，在叶片运行中产生剧烈振动时，会导致叶片松动的螺栓断裂。

1.3 润滑不到位导致摩擦系数不符合要求

检查断裂螺栓时，发现产品润滑不足。由于连接部位没有满足摩擦系数的相关指标要求，致使螺栓摩擦系数出现偏差，导致螺栓预紧力不足，最终造成叶片螺栓断裂的问题。

2 叶片螺栓断裂原因的分析

2.1 螺栓性能分析

当螺栓产生断裂时，由第三方检测机构进行失效分析。经检测，断裂表面硬度偏高但表面未发现增碳现象。观察断口处的特点，推测表面硬度增加是由工艺喷丸处理引起的，并不是断裂的根本原因。其他性能技术指标均满足要求，并没有发现质量问题或者强度问题所导致的螺栓断裂[2]。

2.2 断口的分析

由于螺栓断裂不是自身质量问题导致的，因此可以从极限破坏和疲劳破坏两个方面分析断裂的原因。如果螺栓断面直径产生收缩现象，断裂的原因应属于极限破坏。如果螺栓断面直径没有产生收缩现象，断裂的原因应属于疲劳破坏，此时切口呈现鱼鳞片状。

针对某风电场的这次故障，分析螺栓断口，对螺栓断口采用酸蚀的方法除锈。断口的上方有磨光区域，中部和下部的疲劳弧线非常明显。仔细检查发现断口的下部边缘有剪切唇，裂纹源为断口的上部磨光区，最后的断裂区处于下部的剪切唇区，观察断口位置，有明显的疲劳断裂特点。在断口位置还有疲劳辉纹，主要处于裂纹源和扩展区，可以确定叶片螺栓产生断裂是疲劳断裂导致的。

2.3 后期技术维护

对于高强度螺栓，需要每年根据规范定期检查力矩。在检查本机组时，由于现场工具和人员数量不足，并受环境条件的影响，没有按照规定实施定期检查，因此未能及时发现螺栓松动问题，使得螺栓不能较好地发挥其性能。大风速作用下，叶片会对叶根螺栓产生较大的作用力。叶片在力的作用下前后摆动，使得螺栓抗扭强度和抗疲劳强度降低，从而产生微小的裂纹。随着运行时间的延长，裂纹越来越大，超过疲劳极限时，螺栓就会在裂纹位置断裂。

3 叶片螺栓断裂的处理方法及维护技术

3.1 处理方法

如果叶片螺栓产生断裂，需要取下断裂螺栓，更换新的螺栓，避免剩余螺栓继续断裂。具体的处理工作中，可以取出已经损坏的螺栓。需注意，不仅要更换断裂的螺栓，也要更换附近的4 ～5 根螺栓。或者将整个叶片使用吊车吊下来，重新安装叶片，更换所有的根部螺栓。当前多采用前一种方法，但是需要观察螺栓是否存在多次断裂的问题。如果断裂的现象持续存在，就要采用后一种方法。本次采用前一种方法处理螺栓断裂问题，并已经处理完毕。跟踪观察一段时间，没有发现继续断裂的问题，风电机组运行正常。

3.2 维护技术

叶片运行状态会受到变桨、风切变以及阵风等因素的影响，冲击叶片的螺栓，在交变载荷下导致螺栓振动过大。叶片持续运行一段时间会产生螺栓松动问题，增加了螺栓的疲劳载荷，从而缩短其使用寿命。因此，风电场做好叶片螺栓的维护工作非常重要。设计叶片螺栓及安装的过程中，要严格按照工艺要求进行操作。至少每半年对叶片螺栓进行一次维护，包括力矩紧固，而且安装工艺要符合相关的技术要求。技术维护前需要制定科学有效的维护方案，并严格按照方案实施，从而有效避免安装导致的叶片螺栓断裂问题。