風(fēng)電機(jī)組葉片螺栓斷裂原因分析及處理
2020-10-26閆云強(qiáng)，王鵬鑫，趙英芝
（國電電力內(nèi)蒙古新能源開發(fā)有限公司）
摘 要：某風(fēng)電場在進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組整年定檢力矩維護(hù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)葉片螺栓存在斷裂情況，對斷裂螺栓進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)螺栓伴有典型的疲勞輝紋，結(jié)合螺栓質(zhì)量、強(qiáng)度分析、斷口宏觀觀察等，確定螺栓斷裂特征為疲勞斷裂。針對該問題，從前期運(yùn)輸、現(xiàn)場到貨檢查、施工過程控制以及后期維護(hù)等方面，確定造成葉片螺栓疲勞斷裂的原因?yàn)槿~片在舉車倒運(yùn)過程中螺栓受損，螺栓潤滑劑涂抹不符合要求，以及后期維護(hù)不到位。對損壞的螺栓進(jìn)行了更換，并提出后期維護(hù)建議，以確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。0 引言
某風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組整年定檢維護(hù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)0°位置順時(shí)針第2顆螺栓存在松動跟轉(zhuǎn)情況，用手晃動螺栓發(fā)現(xiàn)螺栓松動嚴(yán)重。用手拔出螺栓后，發(fā)現(xiàn)螺桿從根部（T形螺母連接處）折斷，隨后對整只葉片全部螺栓進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)0°位置順時(shí)針第4顆螺栓螺桿斷裂，斷裂處為螺栓與六角螺母下端連接處。之后對風(fēng)電場所有機(jī)組葉片螺栓進(jìn)行了全面排查，共發(fā)現(xiàn)4臺機(jī)組10顆螺栓斷裂。本文針對風(fēng)電機(jī)組葉片螺栓斷裂原因進(jìn)行分析，并提出處理措施及后期維護(hù)建議。
1 葉片螺栓斷裂的常見原因
風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，開順槳、陣風(fēng)、風(fēng)切變等因素都可能導(dǎo)致葉片根部螺栓受到?jīng)_擊、振動，形成交變載荷，長時(shí)間運(yùn)行后，極易出現(xiàn)葉片螺栓疲勞斷裂，根據(jù)前期對同類型問題的調(diào)查分析，造成葉片螺栓斷裂的可能原因有以下幾種。
1.1 螺栓存在質(zhì)量缺陷
葉片螺栓質(zhì)量問題通常表現(xiàn)在內(nèi)部缺陷及外部損傷。正常葉片螺栓硬度應(yīng)達(dá)到10.9級，芯部要求材質(zhì)為90%以上回火索氏體+回火托氏體，且表面無明顯脫碳現(xiàn)象[1]。如果螺栓本身出廠質(zhì)量達(dá)不到要求，在后期運(yùn)行中極易導(dǎo)致斷裂。另外螺栓外部存在損傷，也是導(dǎo)致斷裂的主要原因，例如螺栓銹蝕。螺栓銹蝕主要源于施工階段螺栓、螺牙表面防腐層與局部機(jī)體受損，降低了螺栓整體抗腐蝕能力，長時(shí)間運(yùn)行就會在機(jī)體受損處出現(xiàn)銹蝕，并進(jìn)一步形成裂紋源，造成螺栓的疲勞斷裂[2]。
1.2 螺栓預(yù)緊力力矩不滿足要求
不同機(jī)型的螺栓扭矩系數(shù)及預(yù)緊力不同，應(yīng)嚴(yán)格按照《風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)場安裝（機(jī)械部分）指導(dǎo)手冊》[3]以及《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組緊固件技術(shù)規(guī)范》[ 4]執(zhí)行，現(xiàn)場安裝及后期維護(hù)中需嚴(yán)格按規(guī)定力矩值進(jìn)行，避免出現(xiàn)過力矩或欠力矩。過力矩會導(dǎo)致螺栓應(yīng)力強(qiáng)度下降，甚至在力矩維護(hù)中發(fā)生直接斷裂；欠力矩長期運(yùn)行會導(dǎo)致螺栓松動，葉片振動加劇，造成葉片斷裂和葉片變槳軸承與輪轂法蘭接觸面間隙變大等問題。
1.3 強(qiáng)度不滿足要求
如果在機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)葉輪系統(tǒng)載荷計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況存在差異，機(jī)組運(yùn)行時(shí)葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力超過螺栓設(shè)計(jì)強(qiáng)度極限，在運(yùn)行中也易出現(xiàn)斷裂。影響螺栓強(qiáng)度的因素有很多，如材料、結(jié)構(gòu)、尺寸、工藝、螺紋牙間、載荷分布、應(yīng)力幅度、機(jī)械性能等。因此應(yīng)選擇合適的材料及熱處理工藝，確保材料的強(qiáng)度和塑性指數(shù)達(dá)標(biāo)[5]。同時(shí)載荷分布對葉片螺栓的強(qiáng)度也有很大影響，正常運(yùn)行時(shí)葉片受力全部集中在葉根螺栓；葉片展開時(shí)，在其0°和180°位置葉片螺栓受力最大，因此螺栓斷裂部位多發(fā)生在0°位置。
1.4 過程控制不到位
1.4.1 到貨檢查不到位
機(jī)組吊裝前期應(yīng)留有葉片到貨、轉(zhuǎn)運(yùn)以及吊裝等環(huán)節(jié)的檢驗(yàn)記錄，特別是螺栓質(zhì)量檢測以及外觀檢查記錄，同時(shí)留有影像資料，以備后續(xù)記錄調(diào)查。如前按要求進(jìn)行到貨檢查并保存記錄，機(jī)組運(yùn)行過程中發(fā)生相關(guān)故障時(shí)，將很難確認(rèn)葉片在安裝前是否已存在缺陷，從而影響后期的故障分析和調(diào)查。
1.4.2 潤滑劑涂抹控制不到位
在對部分?jǐn)嗔崖菟z查時(shí)發(fā)現(xiàn)存在螺栓和墊片無潤滑劑，或潤滑劑涂抹不均勻的情況，如圖1所示。按要求螺栓潤滑劑應(yīng)全涂抹，如果潤滑劑涂抹存在不規(guī)范會導(dǎo)致螺栓扭矩系數(shù)偏差，進(jìn)一步造成預(yù)緊力的不一致與不均勻，為葉片螺栓斷裂埋下隱患。
葉片吊裝期間所用的工器具必須按要求進(jìn)行備案檢查，留有完整的工器具信息，如信息缺失，設(shè)備狀態(tài)不詳，就不能確定其實(shí)際輸出是否滿足要求，特別是用于打力矩的液壓站和力矩扳手，都需進(jìn)行校驗(yàn)，確保設(shè)備狀態(tài)良好，滿足現(xiàn)場安裝要求。
1.4.4 維護(hù)標(biāo)識異常
按要求每次力矩維護(hù)后都需用不同顏色標(biāo)識力矩標(biāo)識線，標(biāo)識線需覆蓋螺桿、螺母及墊片，如果機(jī)組維護(hù)期間所采用的力矩標(biāo)識線混亂，不符合規(guī)范要求，就無法保證異常情況（如螺栓松動）的及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理。
2 螺栓斷裂原因分析
2.1 螺栓質(zhì)量、強(qiáng)度分析
針對風(fēng)電場螺栓斷裂問題，主機(jī)廠家委托第三方檢測機(jī)構(gòu)對螺栓質(zhì)量、強(qiáng)度進(jìn)行了相關(guān)檢測，未發(fā)現(xiàn)故障螺栓存在相關(guān)質(zhì)量問題。
2.2 斷口宏觀分析
如螺栓本身不存在質(zhì)量問題，螺栓斷裂通常源于疲勞破壞或極限破壞。對于極限破壞的螺栓，斷面直徑會有所收縮，而疲勞破壞不會收縮，只會形成類似魚鱗片的切口[6]。
對螺栓斷口進(jìn)行宏觀分析，螺栓斷口經(jīng)酸蝕除銹后（如圖2宏觀形貌），斷口表面與軸向垂直、平齊，斷口上方存在磨光區(qū)，中部及下部存在較為明顯的疲勞弧線，斷口下部邊緣存在剪切唇。經(jīng)分析認(rèn)為斷口的上部磨光區(qū)為裂紋源區(qū)，下部的剪切唇區(qū)為最后斷裂區(qū)，斷口具有疲勞斷裂的特征。同時(shí)發(fā)現(xiàn)斷口有貝紋，裂紋源和裂紋擴(kuò)展區(qū)有疲勞輝紋，可以確定該葉片螺栓的斷裂屬于疲勞斷裂。疲勞斷裂是在受周期性高應(yīng)力作用下造成的一種斷裂。
采用S600型掃描電鏡對螺栓斷口裂紋微觀形貌進(jìn)行檢測分析，其微觀形貌如圖3所示。圖3顯示斷口區(qū)存在沿晶+準(zhǔn)解理+少量韌窩特征，據(jù)此判斷螺栓斷口上方應(yīng)該為疲勞斷口，裂紋源位于斷口上方磨光表面區(qū)域，最終斷裂區(qū)位于斷口下方的剪切唇區(qū)。斷口的微觀形貌主要呈沿晶+準(zhǔn)解理混合斷口特征，具有該特征的螺栓脆性大、抗疲勞強(qiáng)度低。
對現(xiàn)場施工過程相關(guān)資料進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)施工時(shí)本次故障螺栓與六角螺母下端連接處出現(xiàn)過銹蝕現(xiàn)象，通過分析斷裂螺栓圓周位置銹跡分布情況，可以排除運(yùn)輸工裝造成的螺栓銹蝕。同時(shí)經(jīng)查閱機(jī)組吊裝前期相關(guān)工作記錄可知，葉片采用舉車的方式進(jìn)行倒運(yùn)，結(jié)合螺栓銹蝕以及斷裂位置銹跡的分布情況，可確認(rèn)是在葉片倒運(yùn)過程中使得螺栓受損。
2.5 后期維護(hù)分析
高強(qiáng)度螺栓每年需要按規(guī)定的力矩進(jìn)行定期檢查，在對本機(jī)組實(shí)際執(zhí)行過程中，因現(xiàn)場工具、人員和條件等因素限制，未按規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行定期檢查，從而有可能造成部分螺栓松動，導(dǎo)致螺栓性能降低。在大風(fēng)速情況下，由于葉片作用到葉根螺栓的作用力最大，葉片受力后前后擺動時(shí)，易導(dǎo)致螺栓力矩和抗疲勞強(qiáng)度降低，產(chǎn)生微小裂紋，經(jīng)長時(shí)間運(yùn)行，裂紋會不斷擴(kuò)大，超出其疲勞極限時(shí)螺栓就會沿微小裂紋瞬間斷裂[7]。
2.6 結(jié)論
通過以上分析，結(jié)合相關(guān)檢測結(jié)果，可以確定螺栓斷裂特征為疲勞斷裂，主要原因?yàn)椋?br /> （1） 葉片在舉車倒運(yùn)過程中使得螺栓受損；
（2） 現(xiàn)場安裝工藝不滿足要求，螺栓潤滑劑涂抹不符合要求，導(dǎo)致螺栓扭矩系數(shù)偏差，影響螺栓預(yù)緊力；
（3） 現(xiàn)場施工督導(dǎo)及后期維護(hù)不到位，造成螺栓力矩和抗疲勞強(qiáng)度降低。
3 處理措施及后期維護(hù)建議
3.1 處理措施
出現(xiàn)葉片螺栓斷裂后，應(yīng)及時(shí)更換斷裂螺栓，以避免其他螺栓繼續(xù)斷裂，處理方法主要有2種，一是就地在風(fēng)機(jī)上將損壞螺栓取出，將斷裂螺栓及與其鄰近3—5根螺栓均更換為新螺栓；二是使用吊車將整個(gè)葉片吊下，重新進(jìn)行葉片安裝，并更換所有根部螺栓。目前現(xiàn)場多采用第1種方法處理葉片螺栓斷裂問題，但采用第1 種方法后，需進(jìn)行持續(xù)觀察，如仍多次出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，則需采用第2種方法。針對本次螺栓斷裂，采取了第1種方法進(jìn)行處理，對損壞的螺栓及其相鄰的3根螺栓進(jìn)行了更換。更換后截至目前，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行正常，再未出現(xiàn)螺栓斷裂情況。
為避免出現(xiàn)葉片螺栓斷裂事故，除對前期運(yùn)輸、安裝過程加強(qiáng)監(jiān)管外，在后期維護(hù)中還需做到以下幾點(diǎn)：
（1） 定期對全風(fēng)電場葉片螺栓力矩進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理；
（2） 每年對螺栓力矩定期檢查時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照廠家力矩值要求進(jìn)行；
（3） 定檢工具要按時(shí)進(jìn)行力矩校驗(yàn)，特別是力矩扳手和液壓站；
（4） 嚴(yán)格按照廠家維護(hù)手冊規(guī)定周期進(jìn)行力矩維護(hù)。
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來源：《內(nèi)蒙古電力技術(shù)》2018年6期