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風(fēng)能發(fā)電機(jī)組上高強(qiáng)度螺栓的常見失效形式

2019-09-19 09:18:12 作者：王榮來(lái)源：《理化檢驗(yàn)—物理分冊(cè)》分享至：

疲勞斷裂

螺栓連接的預(yù)緊力

螺栓的疲勞斷裂失效一般都與螺栓的松動(dòng)有關(guān)，而螺栓的松動(dòng)則與螺栓的預(yù)緊力和振動(dòng)有關(guān)。為了使螺栓緊固連接具有高度可靠性并能抵抗變動(dòng)的載荷，設(shè)計(jì)原則規(guī)定，緊固螺栓必須施加一定的預(yù)緊力P0，并應(yīng)滿足如下條件

式中：P為載荷；Ps為螺栓的屈服強(qiáng)度；K0為系數(shù)，靜載荷時(shí)K0＝1.2~2.0，有交變載荷時(shí)K0＝2.0~4.0。為了使螺栓在服役過(guò)程中盡可能不產(chǎn)生往復(fù)晃動(dòng)，螺栓預(yù)緊力應(yīng)足夠大；但預(yù)緊力過(guò)大時(shí)，如果再附加上外部載荷，螺栓總的受力可能會(huì)超過(guò)其屈服強(qiáng)度，反而會(huì)喪失預(yù)緊力的效果。

機(jī)組上塔筒法蘭連接螺栓的受力特點(diǎn)

風(fēng)電機(jī)組一般都安裝于沿海地區(qū)、較高的山頭或者比較空曠的區(qū)域。根據(jù)某風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)提供的數(shù)據(jù)，風(fēng)場(chǎng)全年大風(fēng)天氣多，且風(fēng)速變化大，風(fēng)速最低20m·s-1，最高28m·s-1，可見塔筒法蘭螺栓將承受較大的交變載荷。由于風(fēng)電機(jī)組的塔體一般都比較高，使得基礎(chǔ)連接螺栓常年處于較大的交變應(yīng)力作用之下，這也是基礎(chǔ)法蘭連接螺栓容易發(fā)生疲勞斷裂的主要原因之一。

塔筒內(nèi)法蘭上的連接螺栓在無(wú)風(fēng)的情況下承受恒定的工作載荷，如圖1所示。

圖1 塔筒環(huán)形法蘭連接示意圖

有風(fēng)時(shí)，塔筒的迎風(fēng)面會(huì)承受一定的壓力。由于塔筒外壁、塔筒法蘭和法蘭連接螺栓的特殊結(jié)構(gòu)和相互制約，水平方向的風(fēng)力可分解為沿z方向（垂直方向）的拉應(yīng)力Fz和沿x方向（水平方向）的剪切應(yīng)力Fx 。Fz的作用結(jié)果將使得法蘭連接螺栓產(chǎn)生彎曲變形，數(shù)字模擬計(jì)算結(jié)果表明螺栓彎曲變形時(shí)，最大應(yīng)力點(diǎn)位于與螺母配合部分的第一扣螺紋處以及螺栓頭部與桿部的過(guò)渡處，如圖2所示。

圖2 螺栓等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

疲勞斷裂的診斷

關(guān)于疲勞斷裂的診斷可參閱文獻(xiàn)。螺栓的疲勞斷裂一般都與預(yù)緊力或螺栓松動(dòng)有關(guān)。導(dǎo)致螺栓松動(dòng)的原因較多，如：設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)、高低載荷變化、沖擊，以及安裝時(shí)預(yù)緊力過(guò)低、未采取適當(dāng)?shù)姆浪纱胧⒀b配方法不當(dāng)?shù)取＿@些因素都有可能引起螺栓松動(dòng)。

疲勞斷裂分析舉例

案例1

某風(fēng)電機(jī)組設(shè)備上的連接螺栓在使用過(guò)程中發(fā)生了斷裂，斷裂位于螺栓頭部與桿部的過(guò)渡處，如圖3所示；雖然螺栓表面可見黃褐色銹蝕痕跡，但斷口比較潔凈，呈金屬斷裂后的銀灰色，如圖4所示。斷口分析結(jié)果表明，螺栓斷裂性質(zhì)為多源雙向彎曲疲勞斷裂。

圖3 失效螺栓宏觀形貌

圖4 螺栓斷口宏觀形貌

現(xiàn)場(chǎng)勘察時(shí)發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備上的大部分螺栓已經(jīng)松動(dòng)。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)會(huì)使螺栓承受交變載荷，從而導(dǎo)致螺栓發(fā)生疲勞斷裂。

案例2

某風(fēng)電機(jī)組因塔筒與基礎(chǔ)之間的連接螺栓發(fā)生斷裂導(dǎo)致了倒塌事故，事故現(xiàn)場(chǎng)情況如圖5所示。

圖5 倒塌的機(jī)組塔筒形貌

斷裂的螺栓強(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí)，材料為42CrMoA鋼，規(guī)格為M36mm。現(xiàn)場(chǎng)勘察時(shí)發(fā)現(xiàn)有4個(gè)螺栓的斷口上存在與螺栓軸向大致垂直的斷裂面，為首斷裂件，如圖6所示；其他斷裂螺栓斷口均比較粗糙，存在明顯的彎曲變形和塑性變形特征，為后斷裂件。

圖6 塔筒連接螺栓斷口宏觀形貌

肉眼觀察可見，圖6中4個(gè)螺栓的斷口特征基本相似，斷口上均包含了兩個(gè)特征比較明顯的區(qū)域。一部分?jǐn)嗫诖笾屡c螺栓軸線方向垂直，相對(duì)較為平坦、細(xì)膩，為斷裂起始區(qū)域；另一部分?jǐn)嗫谙鄬?duì)較為粗糙，斷裂面大致與軸線方向成45°角，具有剪切特征，為最后的一次性瞬斷區(qū)域。

掃描電鏡（SEM）形貌觀察結(jié)果顯示，4個(gè)斷口上相對(duì)較為平坦的區(qū)域均存在疲勞輝紋，與軸線成45°角的區(qū)域斷口形貌為韌窩。可見引發(fā)該起事故的原因是基礎(chǔ)連接螺栓發(fā)生了疲勞斷裂。

氫脆型斷裂

氫脆型斷裂的影響因素

我國(guó)著名的物理冶金學(xué)家李薰于20世紀(jì)40年代在英國(guó)從事鋼中氫的研究時(shí)，找出了鋼中氫含量與材料強(qiáng)度及發(fā)裂之間的關(guān)系，即當(dāng)鋼中氫含量為2mg/100g鋼時(shí)，就足以降低鋼的塑性。可是，在一般情況下冶煉的鋼，其氫含量均為4~6mg/100g鋼左右。可見鋼的氫脆是難以避免的，這與鋼的強(qiáng)度水平、內(nèi)應(yīng)力大小以及晶粒取向有關(guān)。

螺栓的增、脫碳控制

脫碳會(huì)造成表面疲勞強(qiáng)度降低，容易萌生疲勞裂紋源。增碳會(huì)造成表面強(qiáng)度升高，使螺栓的氫脆型斷裂敏感性增強(qiáng)。GB/T 3098.1－2010對(duì)高強(qiáng)度螺栓的增碳和脫碳檢測(cè)都進(jìn)行了規(guī)定，如圖7所示。

圖7 脫碳試驗(yàn)和增碳試驗(yàn)的硬度測(cè)試位置

圖7中，“1”“2”“3”為維氏硬度測(cè)試點(diǎn)，試驗(yàn)力為2.94N（0.3kgf）；“E”和“H1”可依據(jù)螺栓的強(qiáng)度等級(jí)和螺距從GB/T 3098.1－2010中的表18獲得；E 為螺紋未脫碳層的高度，mm；H1為最大實(shí)體條件下外螺紋的牙型高度，mm。

未脫碳判據(jù)為：HV（2）≥HV（1）－30；未增碳判據(jù)為：H V（3）≥HV（1）－30。

氫脆型斷裂分析舉例

某風(fēng)電機(jī)組的連接螺栓強(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí)，規(guī)格為M33mm×280mm，材料為42CrMo鋼，表面鍍鋅。該螺栓的加工流程為：原材料拉拔→下料→倒角→熱鍛→頭部倒角→擠壓中徑→擠壓螺紋→熱處理→噴砂→熱浸鍍鋅（無(wú)酸洗過(guò)程）。該螺栓安裝時(shí)的扭矩要求為1000N·m，每臺(tái)機(jī)器安裝84個(gè)。安裝2d（天）后檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)螺栓有斷裂現(xiàn)象，最嚴(yán)重的一臺(tái)機(jī)器上斷裂螺栓數(shù)量為7個(gè)，其他幾臺(tái)都是2個(gè)或1個(gè)。螺栓斷裂位置相同，基本上都位于頭部與桿部的過(guò)渡圓角處，如圖8a）所示。

圖8 斷裂螺栓宏觀形貌

1理化檢驗(yàn)結(jié)果

（1）化學(xué)成分分析結(jié)果表明，斷裂螺栓的化學(xué)成分符合GB/T 3077－1999對(duì)42CrMo鋼成分的技術(shù)要求，也符合GB/T 3098.1－2000中對(duì)10.9級(jí)螺栓材料的技術(shù)要求。

（2）該批螺栓的拉伸性能、宏觀硬度、楔負(fù)載抗拉強(qiáng)度（拉斷載荷）以及顯微硬度等均符合GB/T 3098.1－2000中對(duì)10.9級(jí)螺栓的技術(shù)要求。

（3）斷口宏觀分析結(jié)果表明，裂紋起源于螺栓頭部與桿部的過(guò)渡圓角處，裂紋源區(qū)顏色泛白，存在數(shù)條臺(tái)階，具有多源斷裂特征，如圖8b）中標(biāo)識(shí)區(qū)域所示。

（4）斷口微觀分析結(jié)果表明，裂紋源區(qū)斷面存在異物覆蓋層，能譜分析結(jié)果表明該覆蓋層主要元素成分為鋅，說(shuō)明鍍鋅前螺栓的過(guò)渡圓角處就已經(jīng)存在老裂紋，在熱浸鍍鋅時(shí)，鋅滲入到裂紋內(nèi)部。斷裂源區(qū)具有沿晶特征，存在二次裂紋；裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口微觀形貌為準(zhǔn)解理＋少量韌窩，亦存在二次裂紋；較粗糙的瞬斷區(qū)SEM形貌主要為韌窩。

（5）金相分析結(jié)果表明，螺栓材料非金屬夾雜物級(jí)別不高，存在輕微的帶狀組織偏析，顯微組織為回火索氏體和少量鐵素體，斷裂源區(qū)以及斷裂面未見明顯增、脫碳現(xiàn)象。

2受力情況分析

安裝后螺栓的旋擰扭矩T為1000N·m，扭矩系數(shù)K 平均值為0.110~0.150，螺栓直徑d 為33mm。根據(jù)公式

可以估算，螺栓的預(yù)緊力P為202~275kN。與斷裂螺栓同批次未斷裂螺栓的楔負(fù)載抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果為1150 MPa（拉斷載荷為798kN），大于其預(yù)緊力，表明螺栓在安裝時(shí)未過(guò)載。

3綜合分析

能譜分析結(jié)果表明，斷裂源區(qū)的斷裂面以及靠近斷裂面的次生裂紋中均含有較高含量的鋅元素，說(shuō)明該斷裂螺栓在熱浸鍍鋅時(shí)就已經(jīng)存在老裂紋。帶有老裂紋的螺栓一旦投入使用，不但裂紋尖端會(huì)產(chǎn)生極大的應(yīng)力集中，產(chǎn)生極高的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI，而且還由于氫具有應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散特性，即便材料整體氫含量不高，但在存在應(yīng)力梯度的條件下，材料中以及環(huán)境中的原子氫便會(huì)富集在裂紋尖端局部區(qū)域，當(dāng)有效氫含量達(dá)到臨界值時(shí)，可以使局部區(qū)域的表觀屈服強(qiáng)度明顯下降，并在較低的KI作用下產(chǎn)生氫致滯后塑性并導(dǎo)致滯后斷裂。螺栓斷口上靠近斷裂源區(qū)較為平坦區(qū)域的SEM形貌為準(zhǔn)解理＋少量韌窩，且存在二次裂紋，此區(qū)域?yàn)闅渲聰嗔褏^(qū)域；斷口上較大面積的粗糙區(qū)域SEM形貌主要為韌窩，此區(qū)域?yàn)槁菟ㄗ詈蟮囊淮涡运矓鄥^(qū)域。

4結(jié)論

（1）該斷裂螺栓的化學(xué)成分、拉伸性能、宏觀硬度、微觀硬度以及同批次未斷裂螺栓的楔負(fù)載抗拉強(qiáng)度均符合10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓的技術(shù)要求。

（2）該斷裂螺栓在熱浸鍍鋅之前就已經(jīng)存在裂紋（老裂紋），老裂紋的存在大大加劇了螺栓頭部與桿部過(guò)渡圓角處的應(yīng)力集中程度，并改變了氫的分布，最終導(dǎo)致螺栓在預(yù)緊力的作用下發(fā)生了氫致延遲斷裂。

預(yù)防螺栓失效的措施

為了避免風(fēng)電機(jī)組上的螺栓發(fā)生早期失效，可采取以下措施：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理。

（2）加強(qiáng)工序間的質(zhì)量檢驗(yàn)，確保螺栓在交付使用之前本身無(wú)超出技術(shù)要求的原材料缺陷和各種類型的加工制造缺陷。

（3）裝配時(shí)采用定力矩板子，保證螺栓的預(yù)緊力在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

（4）對(duì)于高強(qiáng)度螺栓，在其加工制造過(guò)程中應(yīng)盡量避免接觸析氫環(huán)節(jié)（如酸洗、電鍍等），若需經(jīng)歷這些環(huán)節(jié)，必須做好嚴(yán)格的除氫處理和氫脆控制試驗(yàn)。

（5）做好螺栓的表面防護(hù)，確保螺栓在服役過(guò)程中不受外界環(huán)境介質(zhì)的腐蝕。

（6）對(duì)承受交變載荷的螺栓要定期進(jìn)行檢查，防止螺栓松動(dòng)。

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