风机关键金属部件故障分析与防止措施

2021-11-15曾江卓黄桥生章亚林李家庆牟申周

湖北电力 2021年4期

曾江卓，黄桥生，章亚林，李家庆，陈刚，潘杨，牟申周

（1.国电长源广水风电有限公司，湖北武汉 430066；2.国家能源集团科学技术研究院有限公司，湖北武汉 430066）

0 引言

湖北某新能源公司风电场于2016年9月7日开工建设，2017年12月15日投入使用。近两年，该新能源公司风电场相继发生了几起风机关键金属部件断裂故障，为分析失效原因，避免类似故障的发生，本文对断裂试样进行了全面的解剖分析，并提出了相应的防止措施。

1 齿轮断裂故障

2019 年4 月16 日，机组振动在线监测发现2 号风机齿轮箱振动异常，经检查发现2 号风机中速及小齿轮断齿，齿轮材质为18CrNiMo。为查明轮齿断裂原因，避免同类型事故的再次发生［1-9］，对齿轮断裂进行了失效原因分析。

1.1 宏观检查

齿轮断裂位置为中间轴小齿轮，位置见图1。图2为中间轴断齿宏观形貌照片，断齿长230 mm，断齿块两侧薄，中间最厚。断齿工作面表面完整，可见轻微磨损［10］，仍可见加工痕迹。断齿工作面表面完整，局部轻微磨损，未见腐蚀形貌。整个断齿上无明显的塑性变形，面积较大的断面上可见清晰的贝纹状疲劳弧。整个断齿表面密布疲劳弧线，特别是越靠近断齿两端疲劳弧线越清晰，断口表面也较粗糙，见图3，这种特征与裂纹扩展的应力水平有关，断口为斜断口，断裂方向与齿面夹角约为65°，断口为疲劳断口。

图1 中齿轴位置示意图Fig.1 Transmission chain diagram

图2 齿轮断裂宏观形貌Fig.2 Gear fracture macroscopic morphology

图3 断裂齿宏观形貌Fig.3 Fracture tooth macroscopic morphology

1.2 体式显微镜分析

图4照片为断口裂纹源体式显微镜下照片。体视显微镜下，断面上可见清晰的贝纹状疲劳弧线，断齿断面呈银灰色。

根据中心源区向外辐射放射线以及向主工作面侧发散的疲劳弧线，裂纹源区为深灰色长条，表面粗糙，见图4箭头所示位置。

图4 断口裂纹源形貌Fig.4 Fracture crack source morphology

1.3 化学成分分析

对断裂齿轮进行化学成分检测，结果如表1所示，合金化学成分符合《EN 10084-2008 渗碳钢—交货技术条件》要求值。

表1 断裂齿轮化学成分检验结果（wt%）Table 1 Composition of the broken gear(wt%)

1.4 扫描电镜分析

对断裂齿轮块经酒精超声清洗后，用Quanta FEG450 扫描电镜及能谱仪进行分析。图5（a）为断裂源电镜低倍（35倍）下形貌照片，可见断裂起源于台阶部位；图5（b）为扩展区电镜高倍（3 000 倍）下形貌照片，可见明显疲劳辉纹；图5（c）为断裂源背散色电子像600 倍形貌照片，可见裂纹源存在带状夹杂物；图5（d）为扩展区背散色电子像3000 倍形貌照片，可见扩展区存在点状夹杂物。图6为断口处能谱分析取样位置，表2 为断口能谱分析结果，从结果可知，夹杂元素主要为O、Al 等，夹杂物为氧化铝，夹杂物来源推断为材料冶炼中的脱氧剂未清理干净。

表2 能谱分析结果（wt%）Table 2 Energy spectrum results at the source zone(wt%)

图5 断口扫描电镜照片Fig.5 SEM photo of broken gear

图6 能谱分析取样位置Fig.6 Spectroscopic analysis of sampling locations

1.5 金相检查

对齿轮断口制作金相试样进行检测，通过显微镜观察。图7（a）为试样表面金相组织照片，可见试样表面存在渗碳层，渗碳层组织为回火马氏体+残余奥氏体。图7（b）为试样心部金相组织照片，组织为回火马氏体。金相组织未发现异常。

图7 微观形貌Fig.7 Microscopic morphology

1.6 原因分析

1）断口形貌分析表明，齿轮断裂位置为中间轴小齿轮，断口为斜断口，断齿工作面表面完整，可见轻微磨损，整个断齿上无明显的塑性变形，断面呈银灰色，可见清晰的贝纹状疲劳弧线，未见腐蚀形貌，判断该断口为交变弯曲应力作用下的疲劳断口。

2）扫描电镜分析表明，轮齿近表层裂纹源位置存在的带状非金属夹杂物。

3）从微观形貌分析表明，局部聚集较多夹杂物。

4）齿轮材质中有缺陷，裂纹将沿着缺陷区域扩展，即由咬合面次表层向咬合面背面下方扩展。

研究表明，非金属夹杂物的尺寸和形状对疲劳寿命的影响很大，其中非金属夹杂物的尺寸是直接影响疲劳裂纹成核的重要因素［11-13］。轮齿近表层裂纹源位置存在的带状非金属夹杂物，会引起局部应力集中，力学性能下降，导致非金属夹杂物周围应力水平超过了材料的疲劳极限，在运行一段时间后，疲劳裂纹从夹杂物位置萌生并不断扩展，最终导致轮齿发生断裂。

2 螺栓断裂故障

2021年1月7日，46号风机复检验收，在验收机舱过程中发现现场风机止推轴承两侧均有螺栓松动，且多颗螺栓存在防松标记偏离，如图8所示；止推轴承与机架连接部位有轻微移位现象，如图9所示；进一步检查轴承12颗螺栓发现已有两颗螺栓内部发生断裂，且断裂部位在机架内部。螺栓材质为42CrMoA，规格为M42×235 mm，螺栓等级为10.9级。

图8 46号风机发电机-轮毂方向左侧Fig.8 No.46 fan generator.-left on hub

2.1 宏观分析

46 号风机主轴止推轴承基座断裂螺栓断裂面见图10，断裂面形貌如图11所示。螺栓断裂处无明显颈缩，断面较平整，断面有向下的放射性条纹，图10中扩展区由左下向上为裂纹扩展方向，裂纹源如图10标识所示，裂纹源产生在螺牙根部。

图10 断裂螺栓断裂面Fig.10 Break bolt

图11 螺栓断裂面形貌Fig.11 Fracture surface morphology of bolt

2.2 成分分析

对断裂螺栓进行成分分析，检测结果见表3，合金元素符合《DL/T439-2018 火力电厂高温紧固件技术导则》要求，C、S、P元素符合DL/T439-2018标准要求。

表3 断裂螺栓成分（wt%）Table 3 Composition of the broken bolt(wt%)

2.3 拉伸力学性能

加工棒状标准拉伸试样，使用万能试验机对试样进行常温力学试验。试验结果见表4，均符合《GB/T3098.1-2010 紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》要求。

表4 常温力学性能结果Table 4 Tensile test results

2.4 冲击性能

在断裂螺栓上取3 个V 型缺口的标准冲击试样在-20°C下测定，冲击试验结果如表5所示，吸收能量值符合GB/T3098.1-2010标准要求。

表5 冲击试验结果Table 5 Results of impact toughness test

2.6 硬度检测

取断裂螺栓螺纹处横截面进行洛氏硬度检测，检测结果见表6。断裂螺栓的洛氏硬度值符合GB/T3098.1-2010标准要求。

表6 硬度检测值Table 6 Rockwell hardness test

2.7 金相组织

取断裂螺栓螺纹处的纵截面（靠近断面）进行金相检测。图12所示为断裂螺栓螺纹处纵截面形貌，在螺牙根部中心有一条横向裂纹，从外缘向芯部扩展；图13 为螺牙根部裂纹金相组织，裂纹长度约2.4 mm，由外向内扩展，在主裂纹的两侧还有数条平行的小裂纹；图14 为螺牙处侧边金相组织，未见明显脱碳层；图15为断裂螺栓螺纹处纵截面金相组织，回火索氏体，为正常组织。

图12 螺纹处纵截面形貌Fig.12 Longitudinal section appearance of fracture bolt thread

图13 断裂螺栓螺牙根部裂纹Fig.13 Fracture Bolt root crack

图14 纵截面螺牙处金相Fig.14 Longitudinal metallography

图15 螺纹处纵截面金相Fig.15 Longitudinal metallography

2.8 原因分析

通过对送检的46 号风机主轴止推轴承基座断裂螺栓的理化检测分析，其化学成分、力学性能、冲击试验符合标准要求；其纵截面金相组织为回火索氏体，组织正常，螺牙未见明显脱碳。

检验发现，在其中一个螺牙根部中心有一条横向裂纹，主裂纹的两侧还有数条平行的小裂纹。表明螺栓的裂纹起源于螺牙根部，由外向内扩展，与断面的形貌特征相一致。机械加工的螺纹其螺牙根部中心位置为应力集中区，且加工过程中局部区域可能产生微缺陷及加工后的热处理，在螺牙根部中心位置的局部区域产生更加明显的应力集中。止推轴承与机架连接部位有轻微移位现象，止推轴承振动偏大；在风机主轴止推轴承基座螺栓的长期使用过程中，在螺牙根部应力集中最大的区域会产生裂纹源，并逐渐扩展，发生疲劳断裂。

综上所述，此次风电场46号风机主轴止推轴承基座螺栓断裂的原因为在轴承振动，在螺栓螺牙根部应力集中最大区域产生裂纹源，在交变应力作用下扩展延伸，最终发生疲劳断裂。