分享：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) 

摘 要:采用宏观观察、化学成分分析、力学性能测试、金相检验及断口分析等方法对某2 MW 风电机组塔筒基础环35CrMo钢高强螺栓的断裂原因进行分析。结果表明:断裂螺栓表面碳含量 远低于标准要求;螺纹表面存在明显的脱碳层组织,且螺栓表面显微硬度不符合标准要求;螺纹牙 根表面脱碳严重,导致螺栓表面硬度和力学性能降低,并在螺纹根部引起较大的组织应力集中,使 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。建议加强对高强螺栓材料的性能和制造质量的监督检验。

关键词:风电机组;高强螺栓;疲劳断裂;夹杂物;脱碳层 中图分类号:TG157;TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)10-0071-04

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8a。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/T3077—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23.5μm,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15μm。

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/T10561—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471μm,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 VEGA3LM 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368HV,螺栓表面硬度明显低于心部硬度。 根据 GB/T3098.1—2010要求,10.9级螺栓显微硬 度为320~380HV,断裂螺栓表面显微硬度不符合 标准要求

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/T3077—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 23.5μm,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368HV,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8a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。

文章来源：材料与测试网