分享：风力发电机组叶片连接螺柱断裂原因

风力发电机组主要由叶轮、传动系统、齿轮箱、发电机、塔架等部件组成[1]。其中，叶轮部分包含叶片、轮毂、变桨轴承等，各部件之间通过高强度螺栓进行连接；在机组运行过程中，这些连接部位承受循环交变载荷，容易导致螺栓断裂[2]。 

某风场机组在检修过程中，发现多颗叶片连接螺柱发生断裂（见图1）。该螺柱规格为M36×750 mm（杆径为28 mm），性能等级为10.9级，材料为42CrMo钢。笔者采用一系列理化检验方法，结合现场调研对螺柱断裂原因开展研究，并对该类问题提出了相应的预防及改进措施。 

图  1  螺柱断裂现场

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1.   理化检验

1.1   宏观观察

对断裂螺柱进行宏观观察，结果如图2所示。由图2可知：裂纹起源于螺纹牙底位置，在断口上可清晰划分出疲劳源区、扩展区及断裂区，且该断口存在明显疲劳辉纹，属于典型的疲劳断口特征；其中，裂纹疲劳源产生于应力集中程度较高的螺纹牙底处；疲劳源形成后，在交变应力的持续作用下，裂纹向扩展区扩展，期间出现明显贝纹线，进一步呈现出疲劳断裂的典型特征[3]；随着裂纹不断扩展，断口面积逐渐增大，螺柱有效承载截面积相应减小；当截面上的实际应力超过材料抗拉强度时，便形成断裂区，该区域断面较为粗糙，可观察到明显的撕裂痕迹。 

图  2  断裂螺柱宏观形貌

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1.2   化学成分分析

依据GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》，对断裂的叶片连接螺柱进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：该螺柱的化学成分符合GB/T 3077—2015《合金结构钢》对42CrMo钢的要求。 

Table  1.  断裂螺柱的化学成分分析结果

项目	质量分数
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni
实测值	0.420	0.240	0.750	0.011	0.003	1.110	0.180	0.023
标准值	0.38~0.45	0.17~0.37	0.50~0.80	≤0.030	≤0.030	0.38~0.45	0.38~0.45	≤0.03

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1.3   金相检验

在断裂螺柱上截取并制备试样，将试样置于光学显微镜下观察，结果如图3所示。由图3可知：螺纹牙顶存在深度为0.125 mm的折叠缺陷，其余部位未观察到明显的表面不连续性缺陷；该螺柱的显微组织为回火索氏体，未发现脱碳层，其牙底半径为0.6 mm，符合GB/T 5779.1—2000《紧固件表面缺陷 螺栓、螺钉和螺柱 一般要求》的要求。 

图  3  断裂螺柱的微观形貌

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1.4   扫描电镜（SEM）分析

在螺柱断口上截取试样，将试样置于扫描电子显微镜下观察，结果如图4~5所示。由图4~5可知：断裂螺柱的疲劳源起始于牙底位置，该疲劳源处表面平整，未观察到明显的氢脆现象及内部缺陷；扩展区可见清晰的河流花样及韧窝，呈典型的疲劳断裂形貌特征。 

图  4  螺柱断口疲劳源区SEM形貌

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图  5  螺柱断口扩展区SEM形貌

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1.5   力学性能测试

依据GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》，对叶片连接螺柱进行力学性能测试，结果如表2所示。由表2可知：断裂螺柱的力学性能符合GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》的要求。 

Table  2.  断裂螺柱的力学性能测试结果

项目	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	断后伸长率/%	断面收缩率/%	-40 ℃低温冲击吸收能量/J	洛氏硬度/HRC	维氏硬度/HV
实测值	1 004	1 129	15.5	54	34.6	36.9	366
标准值	≥940	≥1 040	≥9	≥48	≥27	32~39	320~380

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2.   现场调研

拆卸周围螺柱后，对断裂螺柱进行观察，结果如图6所示。由图6可知：螺柱杆部与螺柱孔壁存在接触现象，且螺柱孔内壁上留有明显的螺柱螺纹接触痕迹；螺柱孔内孔存在显著错位。对该法兰面其他位置的螺柱进行检查后发现，其螺柱孔同样存在错位问题（见图7），即法兰面存在整体错位情况。上述情况导致螺柱与螺柱孔壁发生接触，使螺柱杆部承受额外径向载荷，进而造成螺柱应力增大，最终影响其疲劳寿命。 

图  6  断裂螺柱外观

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图  7  法兰错位孔外观

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拆卸叶片连接螺柱后，对其润滑剂施工情况进行检查。根据工艺技术文件要求，需在螺柱的螺纹旋合部位、螺母及垫圈的装配面部位涂抹润滑剂，涂抹位置如图8所示。经排查发现，只有叶片连接螺柱螺纹部位才涂抹了润滑剂，螺母部位未按要求有效涂抹，具体实物如图9所示；现场按规范涂抹润滑剂的螺母实物如图10所示。 

图  8  螺柱润滑剂涂抹位置示意

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图  9  未涂抹润滑剂螺母外观

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图  10  涂抹润滑剂螺母外观

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采用检修力矩对断裂螺柱周围的螺柱进行检查，结果发现这些螺柱均存在不同程度的转动现象（见图11），这一情况表明该部位螺柱的预紧力未达到要求。 

图  11  螺柱防松线外观

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3.   综合分析

由上述理化检验结果可知，断裂螺柱的化学成分、显微组织及力学性能均满足设计要求。该螺柱断裂于螺纹牙底位置，断口呈典型的疲劳断裂特征。螺柱与螺母旋合部位的第一扣螺纹牙底存在应力集中现象，叶片连接螺柱在运行过程中受到弯曲应力的作用，于该应力集中处形成疲劳源；在交变载荷的持续作用下，疲劳裂纹不断扩展形成扩展区，随着剩余有效承载截面面积逐渐减小，螺柱最终发生瞬时断裂。 

通过对现场螺柱孔的检查发现，叶片螺柱孔与变桨轴承螺柱孔存在明显错位，这导致螺柱与螺柱孔壁发生接触，使螺柱承受额外的径向载荷，进而造成作用在螺柱上的径向应力增大，最终缩短了螺柱的疲劳寿命。根据金属材料的应力-寿命曲线，当螺柱疲劳应力增大后，其应力幅值-寿命对应点将向左移动至高周疲劳区域，疲劳寿命随之缩短；机组长时间运行后，这种疲劳损伤不断累积，最终导致螺柱发生疲劳断裂。 

螺柱在安装和维护时是采用扭矩法控制其预紧力的，螺柱扭矩与预紧力之间的关系如式（1）所示[4]。 

式中：T为扭矩；k为扭矩系数；F为螺栓初始预紧力；d为螺栓公称直径。 

螺母部位未按要求涂抹润滑剂。在施工力矩固定的情况下，润滑剂涂抹不合格会导致螺柱的扭矩系数k增大，进而造成预紧力F严重不足；预紧力不足会使螺柱的应力增大，最终对其疲劳寿命产生不利影响。 

4.   结语及建议

叶片连接螺柱的断裂形式为疲劳断裂，断裂的主要原因是螺柱与孔壁发生接触，且施工时润滑剂涂抹不合格，这两大因素共同导致螺柱应力增大、疲劳寿命缩短。具体表现为：螺柱牙底位置先形成疲劳源，在交变载荷持续作用下，裂纹从疲劳源处开始扩展，当剩余有效承载截面无法承受外力作用时，螺柱最终发生断裂。 

建议如下：叶片安装阶段需严格按照工艺要求，对螺柱孔对应的两个法兰面进行导正处理，避免出现错孔现象；依据施工工艺规范，在规定位置正确涂抹润滑剂。 

来源--材料与测试网