风电机组高强螺栓断裂原因

王甲安, 石 岩, 乔立捷

(华电电力科学研究院有限公司, 杭州 310030)

近年来，随着国内风电机组装机容量的不断增加，螺栓断裂事故时有发生，严重影响了风机和电网的安全稳定运行[1-2]。高强螺栓是风电机组重要的金属部件，其用量很大[3-4]，在基础与塔筒、机架与塔筒、塔筒各段法兰、叶片与轮毂、轮毂与主轴等之间起到连接、定位和密封等作用。

在某台2 MW机组定期检修中,发现其塔筒基础环外侧螺栓断裂，断裂螺栓材料为35CrMo钢，尺寸(直径×长度)为42 mm×230 mm，性能等级为10.9级。该机组于2013年6月投产运行，目前已累计运行8 a。为了研究螺栓断裂的原因，笔者对该断裂螺栓进行了一系列理化检验，并提出预防措施。

1 理化检验

1.1 宏观观察

断裂螺栓宏观形貌如图1所示，由图1可知：螺栓断裂于螺纹牙根部，断口整体呈暗灰色，裂纹起始于螺纹边沿，初始裂纹源、扩展区和瞬断区[5]特征清晰可辨；除裂纹源区，断面整体较为平齐，基本与螺栓长度方向垂直，未见明显的塑性变形；断口附近及螺栓整体未见明显机械损伤的痕迹。

1.2 化学成分分析

对断裂螺栓表面和心部进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：螺栓表面碳含量仅为0.009%，远低于GB/T 3077—2015 《合金结构钢》的要求；螺栓心部的其他元素含量均符合该标准要求。

1.3 金相检验

从螺栓断口纵截面位置处截取试样，在DMI5000M型光学显微镜下观察，其显微组织形貌如图2所示。由图2可知，螺栓断口的显微组织为回火索氏体，并伴有少量块状铁素体。对螺栓螺纹脱碳层进行观察，其显微组织形貌如图3所示。由图3可知:螺纹表面存在明显的脱碳现象，其深度较为均匀，平均脱碳层深度约为23.5 μm，高于GB/T 3098.1—2010 《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》要求的脱碳层深度最大值15 μm。

表1 断裂螺栓的化学成分分析结果 %

利用光学显微镜对抛光态试样进行观察，发现其显微组织中含有两种形态夹杂物，分别为条状和球状(见图4)。依据GB/T 10561—2005 《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》，条状夹杂物为B类，球状夹杂物为D类，B类夹杂物主要呈直线分布，部分夹杂物聚集长大且相互交叉排列，D类夹杂物呈不规则状分布。统计发现，B类夹杂物单视场下总长度约为471 μm，D类夹杂物总数量为35个，B类夹杂物评级为2.5级，D类夹杂物评级为3级。

1.4 断口分析

用超声波清洗螺栓断口试样，在TESCAN VEGA3 LM型扫描电镜(SEM)下观察。螺栓断口的SEM形貌如图5所示。由图5可知：断口呈典型的脆性断裂特征，断面分为裂纹源区、扩展区和瞬断区3个典型区域。图5b)为裂纹源区A附近的微观形貌，裂纹形成于螺纹牙根处，有多源开裂特征；图5c)为扩展区B附近的微观形貌，扩展区可见大量的孔洞以及裂纹扩展台阶，这些扩展台阶呈不同方向的同心圆弧分布；图5d)为瞬断区C附近的微观形貌，断面形貌比较粗糙，存在撕裂棱以及二次裂纹。为进一步分析螺栓断裂原因，从断口裂纹源区至瞬断区方向纵向截取试样，并对其进行观察，结果如图6所示，在裂纹源区可见沿着螺纹牙根向内部扩展的微裂纹。

1.5 显微硬度测试

利用402MVD型硬度计在螺栓截面外表面及其心部位置进行显微硬度测试，各测试5点硬度再取平均值，结果如表2所示。由表2可知:螺栓表面显微硬度平均值为133 HV，螺栓心部显微硬度平均值为368 HV，螺栓表面硬度明显低于心部硬度。根据GB/T 3098.1—2010要求，10.9级螺栓显微硬度为320～380 HV，断裂螺栓表面显微硬度不符合标准要求。

表2 螺栓截面试样显微硬度测试结果 HV

2 综合分析

化学成分分析结果表明：断裂螺栓心部位置各元素含量均符合GB/T 3077—2015的要求，但是螺栓表面碳含量仅为0.009%，远低于标准要求。螺栓心部截面显微组织为回火索氏体，伴有少量块状铁素体。螺纹表面存在明显的脱碳层组织，这与化学成分分析结果一致，其平均脱碳层深度约为23.5 μm，远高于标准要求。显微硬度测试结果显示，螺栓截面心部显微硬度约为368 HV，而螺栓表面显微硬度约为133 HV，进一步证明了螺栓表面发生了严重的脱碳，螺栓表面显微硬度不符合标准要求。表面脱碳层的形成会降低螺纹表面材料的性能，尤其在螺纹牙根处，脱碳层组织与基体组织之间膨胀系数的不同会在螺纹根部引起较大的应力集中，使螺纹表面形成微裂纹[6-7]。

为了改善螺栓显微组织，得到理想的回火索氏体组织，在机械加工完成后要对螺栓进行调质处理，以提高螺栓的强度和抗疲劳性能[8-9]。断裂螺栓显微组织中含有过多线性分布的条状夹杂物和无规则分布的球状夹杂物。有研究[10-11]表明：夹杂物与基体的弹塑性存在较大差异，夹杂物的存在破坏了金属基体的均匀性和连续性；另外，夹杂物周围易形成应力集中，从而引起夹杂物本身开裂或使基体与夹杂物界面处开裂[12]，使夹杂物发生破碎、脱落而形成微小孔洞，螺栓承载面积减小，其服役性能降低。断口上的扩展区占据大部分面积，扩展区可见明显大量的微小孔洞以及裂纹扩展台阶，直至瞬断区。经过分析可知，螺栓的断裂是服役8 a以来内部损伤不断积累引起的，而非瞬时过载断裂。

一般情况下，螺栓受力较复杂，特别是基础环与第一节塔筒连接的高强螺栓，其不仅要承受风力变化时产生的轴向应力和弯矩产生的弯曲应力，还要承受扭转时产生的剪切应力，当螺栓安装拧紧力不均匀时，受力较大的螺栓在三向应力作用下受到循环冲击载荷，在螺纹根部脱碳层的晶界弱化区产生微裂纹，并逐渐扩展直至最后发生疲劳断裂[13-15]。

3 结论与建议

(1) 螺纹牙根表面脱碳严重，导致螺栓表面硬度和抗拉强度降低，并在螺纹根部引起较大的应力集中，在循环冲击载荷作用下，应力集中位置的螺纹牙根部脱碳层的晶界弱化区萌生微裂纹，内部夹杂物含量过高促进了裂纹扩展，最终导致螺栓疲劳断裂。

(2) 建议加强高强螺栓材料性能和制造质量的检验，严把入厂质量关，防止螺栓存在表面脱碳层深度过大等问题。