风机叶片和变桨轴承连接高强螺柱断裂原因分析

2019-09-12王振海

设备管理与维修 2019年9期

王振海

（山西省机电设计研究院，山西太原 030009）

0 引言

某风电场对投入运行2 年的风力发电机组轮毂内叶片和变桨轴承连接高强度双头螺柱进行年检维护时，发现某机组3 个叶片中有2 个叶片前缘各有一件位置相同的双头螺柱断裂。该风电场提供了叶片和变桨轴承连接高强度双头螺柱分布编号示意图（图1），其中一个叶片的断裂双头螺柱（32#）及螺母、相邻完整双头螺柱（30#）及螺母（图2、图3），对双头螺柱断裂原因进行分析。

图1 叶片与变桨轴承连接双头螺柱编号分布

图2 断裂双头螺柱（32#）及螺母

图3 相邻完整双头螺柱（30#）及螺母

1 双头螺柱及螺母检查

1.1 32#断裂双头螺柱及螺母

双头螺柱一端断裂部位位于距螺杆端部第12 圈～第13圈螺纹之间的螺纹根部位置（图4）。另一端螺杆部分安装1 件25 mm 厚的螺母，螺纹长度115 mm，端部有1 个内六方扭力孔。两端螺杆均为M30。

图4 32#螺柱螺纹的断裂处宏观形貌

1.2 30#相邻完整双头螺柱及螺母

双头螺柱一端螺杆安装1 件25 mm 厚的螺母，螺纹长度115 mm，端部有1 个内六方扭力孔，距端部70 mm 长度范围内螺纹沟槽内有黑色油泥物。双头螺柱两端螺纹长度不一致。另一端螺纹长度87 mm，端部15 mm 长度范围内螺纹部分沟槽内有黑色及黄色物质；距端部15～40 mm 的长度范围内呈较干净状态的螺纹部分应该是该端螺杆与叶片根端连接螺母螺孔结构之间相互拧紧连接的部位；距端部40～56 mm的长度范围内螺纹部分沟槽内有黑色及黄色类似环氧树脂的物质。双头螺柱中部杆径25.3 mm。双头螺柱两端螺纹经清洗后仔细观察未发现存在裂纹。

2 试验分析

2.1 宏观断口分析

32#双头螺柱断裂部位位于距螺杆端部第12 圈至第13 圈螺纹之间的螺纹根部位置。断口面大部分呈稍凸的平面，有1/4区域为突变斜面。断口分析表明，断口属双向弯曲疲劳断裂，双侧裂源区为对面的两个区域，分别在两条螺纹根部线性区域。其中，主裂纹疲劳扩展区占断面的3/4 区域，对面1/4 斜面断口区域中表面区域呈磨光的疲劳特征，并有明显的应力集中，其他区域为快速扩展的终断区（图4）。同时在斜面断口裂源区下一条螺纹根部发现环向小裂纹，深度较浅、长度类似于裂源区线源长度，认为此裂纹为使用中产生的疲劳裂纹。

2.2 化学成分及力学性能测试

化学成分及力学性能试验结果见表1～表3。

试验结果表明：①32#双头螺柱材料采用42CrMo 中碳合金钢，所有元素成分均符合要求，按10.9 级螺栓选材要求满足标准要求；②32#双头螺柱力学性能指标均符合材料标准要求，同时符合10.9 级螺栓性能等级要求；③32#双头螺柱截面规定部位硬度符合要求，两个螺母硬度符合标准要求。

表1 32#双头螺柱基体化学成分试验分析结果

表2 32#双头螺柱力学性能试验结果

表3 32#和30#螺柱及配套螺母硬度试验 HRC

2.3 显微组织分析

32#双头螺柱非金属夹杂、组织、晶粒度、脱碳层试验结果表明，该螺柱钢中纯净度合格，组织状态正常，晶粒细小均匀，螺纹顶部总脱碳层0.15 mm，全脱碳层无，符合要求（表4、图5）。同时，螺纹齿顶和齿沟表面冷变形组织分布形态可以确定螺柱是采用热处理及滚齿工艺制造。

表4 32#双头螺柱的组织性能试验结果

图5 32#双头螺柱的显微组织分析

2.4 扫描电镜断口分析

主裂纹侧断口微观分析表明，开裂起源于螺纹齿沟外表面的一条弧线上，裂源区微观花样为平坦的疲劳平面加二次裂纹组成的疲劳条纹，裂源区螺纹齿面上分布有涂层和固形物，疲劳扩展区仍可见大面积的疲劳平面，疲劳扩展后期疲劳条纹逐渐粗糙呈现疲劳波纹，及疲劳扩展韧窝，直至与对面疲劳区形成突变的变截面区（图6）。说明疲劳扩展速度开始较慢后来逐渐较快，属典型的高周、脉动的循环弯曲疲劳断裂。

对面断口区微观分析表明，开裂起源于外表面一条弧线上，竖棱状的多个裂纹源，代表裂源区应力集中严重，微观断口花样也为疲劳平面，每个竖棱状源区都有密集的沟槽条纹及伴生的二次裂纹，同时看见裂源区螺纹齿面上存在多条小裂纹且分布有涂层和固形物，疲劳扩展区较短尺寸大约3～4 mm，之后是终断区，终断区较小为准解理花样（图7）。说明双向循环弯曲疲劳扩展速度并不对等，起裂时间也不尽相同，有明显的应力集中，竖棱状源区都有密集伴生的二次裂纹应属压缩裂纹。

图6 扫描电镜断口

图7 对面断口区微观图

螺柱断口微区能谱分析表明，裂源区断口基体合金元素正常，主裂纹源区螺纹齿面固形物主要含有C、O 等，主裂纹源区螺纹齿面涂层主要含有Al、Zn及C、O 等，对面裂纹源区螺纹齿面固形物主要含有C、O 等（图8～图10，表5）。说明在裂源区螺纹齿面不仅涂有含Al、Zn 的涂层，还加有含C 和O 属于环氧树脂类固形物。

图8 主裂纹源区断口基体能谱图

图9 主裂纹源区螺纹齿面涂层能谱图

3 讨论分析

风机的3 个叶片中每个叶片和变桨轴承连接螺柱均有64 件，同时送检的32#断裂双头螺柱和30#双头螺柱均只有螺杆螺纹较长端配套螺母，对送检的断裂螺柱及相邻完整的螺柱进行试验分析。

3.1 双头螺柱材料及螺母质量分析

根据螺柱全面材料试验分析结果可以确定，螺柱采用42CrMo 优质中碳合金钢，材料满足螺柱等级要求、成分合格。螺柱组织状态为调质状态，钢中纯净度、表面脱碳层均在要求范围内。同时螺纹齿顶和齿沟表面冷变形组织分布形态可以确定螺柱是采用热处理及滚齿工艺制造，可改善螺纹材料抗疲劳性能。螺柱的力学性能指标符合要求，低温冲击韧性良好，标准要求部位截面硬度符合要求，两个螺母硬度符合标准要求。通常螺栓副配合的螺栓用高强度材料，螺母用塑形良好材料，更有利于螺栓副的使用。

3.2 32#双头螺柱断裂原因分析

图10 对面裂纹源区螺纹齿面固形物能谱图

表5 裂纹源区组织元素含量试验结果

32#叶片双头螺柱断裂在端部无内六方扭力孔的螺杆螺纹部位，断裂部位位于距端部第12 至第13 圈之间的螺纹根部，是螺杆与叶片根端连接螺孔结构内侧位置对应的第一个螺纹部位。断口面大部分呈稍凸的平面，有1/4区域为突变斜面，断口属双向弯曲疲劳断裂，双侧裂源区为对面的二个区域，分别在二条螺纹根部线性区域，其中主裂纹起源于螺纹齿沟外表面的一条弧线上，裂源区微观花样为平坦的疲劳平面加二次裂纹组成的疲劳条纹，疲劳扩展区占断面的3/4 区域，属典型的高周、脉动的循环弯曲疲劳断裂。但双向循环弯曲疲劳扩展速度并不对等，起裂时间也不尽相同，对面1/4 斜面断口区域中表面区域呈磨光的疲劳特征，并有明显的应力集中，其他区域为快速扩展的终断区，竖棱状源区都有密集伴生的二次裂纹应属压缩裂纹。

从宏观、微观及材料质量分析，首先可以排除螺柱材料质量问题造成螺柱断裂的可能性；其次，叶片与变桨轴承螺柱分布示意图显示，以叶片对零标牌位置为起点1#顺时针标记，1#对面的位置是33#，33#及相邻位置螺柱外面应是受风力影响最大部位，是承受叶片自重最大部位。螺柱还承受叶片变桨扭转造成的剪切应力作用。32#螺柱紧邻33#，从相邻的30#双头螺柱完好的状况分析，可排除运行应力过载造成32#双头螺柱断裂的可能性。

机组中叶片和轮毂之间安装的变桨轴承使叶片旋转变桨，变桨轴承的内圈与叶片根端结构连接，变桨轴承外圈固定轮毂上。叶片根端结构与变桨轴承内圈之间连接的双头螺柱紧固件传递承受叶片上的荷载，因此叶片根端连接螺孔结构与双头螺柱螺杆部位的挤压接触面是发生应力集中的重要部位。风机运行过程中双头螺柱主要受到叶片自重和风载荷的影响，第33#及相邻区域双头螺柱属迎风面位置所受载荷最大，是应力幅值最大区域。当螺柱承受的载荷过大、尤其是应力幅值较大时，可使夹紧程度下降，紧固件松动，随后产生疲劳断裂。为使叶片根端连接结构部位的疲劳荷载影响减至最小，标准操作是给双头螺柱紧固件加上一定程度的预紧力，该机组对叶片根端连接结构部位的每个双头螺柱紧固件施加拧紧力矩950 N·m。有预应力的螺柱在工作载荷等于其预应力之前，不会承受更多载荷，只有工作载荷超过预应力时，才有异常交变载荷传递给螺柱。预紧力过大时，也有异常交变载荷传递给螺柱。

综上所述分析认为，造成32#双头螺柱疲劳断裂的主要原因是，叶片连接双头螺柱紧固件预紧力不一致，部分双头螺柱紧固件预紧力不足或过大，造成应力幅值过大，并促使螺柱承受交变载荷增加，使夹紧程度下降，紧固件松动，拧入叶片根端连接螺孔结构的双头螺柱螺杆对应孔口部位受侧向力作用，导致连接螺孔口部螺杆位置内侧接触面处螺纹根部产生应力集中，造成螺柱螺纹一侧产生弯曲疲劳开裂并疲劳扩展，同时对面的区域承受同样大小的挤压应力，由此产生多条挤压疲劳小裂纹，在后续不断循环脉动的拉压应力作用下，形成双向弯曲疲劳断裂。