蒋冬俊
江苏海上龙源风力发电有限公司 江苏省南通市 226000
摘 要：风力发电场经常会发生叶片螺栓断裂问题，螺栓断裂部位主要发生在变桨轴承侧的螺纹部分(螺母与变桨轴承的接触位置)，部分螺栓断裂部位在螺杆部分。基于此，本文以某风电场为例，着重研究风电机组叶片螺栓断裂的原因。
关键词：风电机组；叶片；螺栓；断裂
0概述
某风电场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。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]。为了分析是否由于叶片螺栓质量问题导致叶片螺栓断裂，我们现场取了两颗断裂螺栓，其中1颗断裂位置位于螺纹部位，如图1所示;另1颗断裂位置位于螺杆部位，如图2所示。分别对两根螺栓进行化学成分、力学性能、金相组织、断口形貌等检查。
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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。举例而言，1#、2#螺栓断裂形式均为疲劳断裂，断口形貌如图3所示，1#螺栓疲劳源位于牙根部位，2#螺栓疲劳源位于螺杆表面。
图3螺栓宏观断口
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 安装维护技术
螺栓在安装、维护过程中，紧固力矩过大或者过小将影响螺栓的使用寿命。预紧力过大，可能造成螺栓拉伸应力超过螺栓材料屈服强度极限，而产生塑性变形，甚至断裂。预紧力过小，将增加螺栓疲劳载荷循环幅值(连接件在工作载荷作用下产生分离，降低连接体的刚度)，降低螺栓与连接件之间的摩擦力，使得螺栓连接副达不到设计要求的锁紧功能，在工作载荷作用下，螺栓连接件之间产生相对运动，使螺栓承受额外弯矩、拉伸和剪切等复杂的交变载荷，加剧螺栓的失效。螺栓松动也会增加螺栓的疲劳载荷，降低螺栓使用寿命。叶片在运行过程中，变桨、阵风、风切变等因素将使叶片螺栓受到冲击、振动等交变载荷，因此叶片在运行一段时间后，不可避免出现连接螺栓松动，也会增加螺栓的疲劳载荷，降低使用寿命。经检查确认，该风电场叶片螺栓均按照设计和工艺要求进行安装，并按照半年一次的频率进行维护，紧固力矩、安装工艺、维护方案均符合技术要求，可以排除安装及维护原因导致叶片螺栓断裂。
4 结语
通过研究可知，疲劳是螺栓产生断裂的一个重要原因。如果现场安装工艺不符合相关要求，螺栓的摩擦系数就会产生偏差，影响螺栓的预紧力而造成螺栓断裂。此外，如果现场施工的过程中监督指导和后期维护工作不到位，会导致螺栓力矩减小，也会大幅降低螺栓抵抗疲劳的能力，需引以注意。
参考文献
[1]闫云强，王鹏鑫，赵英芝.风电机组叶片螺栓断裂原因分析及处理[J].内蒙古电力技术，2018（6）：51-53，58.
[2]赵迪，李云龙，张刚.风电机组高强度连接螺栓断裂原因分析及优化[J].装备制造技术，2020（3）：203-205
［3］顾富斌，付长江．风电机组轮毂与延长节连接螺栓断裂原因分析探讨［J］．风能产业，2015(5)．