国产在线观看911_久久国产福利免费_人妻无码精品免费在线_国产操B视频在线观看

摘要：近年來，我國風力發(fā)電發(fā)展迅速，隨著大量風電機組 的投入運行，因風電機組高強螺栓斷裂導致的事故時有發(fā) 生，本文通過一起風電機組倒塔事故，利用力學性能試驗、 金相組織分析、掃描電鏡分析等試驗手段，分析高強螺栓 在運行中失效的原因，并提出了避免發(fā)生此類事故的建議。

作者：趙海1，胡冰2 （1華電電力科學研究院有限公司；2北方重工集團輸送設備分公司 ）

來源：《風能》2018年3月

試驗與分析

圖1 為某風力發(fā)電場風電機組倒塔事故的現(xiàn)場照片，倒塔是由風電機組基礎與塔架連接螺栓斷裂造成的，試驗用的4 根高強螺栓為本次事故中的斷裂螺栓，螺栓設計材質為42CrMoA，規(guī)格M36，將這4 根螺栓分別編號為1# － 4#。試驗項目包括：宏觀形貌檢查、光譜成分分析、金相及夾雜物檢驗、斷口SEM 分析及力學性能試驗。

一、宏觀形貌檢查

圖2 為4 根斷裂螺栓的斷口宏觀形貌照片，可見4 根螺栓全部在螺紋部位斷裂。1# 樣品斷口表面可見由螺紋根部向螺栓內(nèi)部擴展的疲勞輝紋，具有明顯的疲勞斷裂特征；2# － 4# 樣品斷口的宏觀形貌相似，均為在大的剪切應力作用下發(fā)生的瞬時斷裂斷口特征。由于風電機組特殊的工作環(huán)境，特別是在倒塔事故發(fā)生時正值陰雨天氣，斷口表面氧化比較嚴重。

圖1 風電機組倒塔現(xiàn)場照片

1#樣品

2#樣品

3#樣品

4#樣品

二、光譜成分分析

采用Spectrolab-M11 型直讀光譜儀對4 根斷裂螺栓進行化學成分分析，其結果如表1 所示。螺栓設計材質為42CrMoA，根據(jù)試驗結果，除Mn 含量略高于GB/T3077 － 2015《合金結構鋼》要求的成分上限外，主要合金元素Cr、Mo 含量與設計材質相符，S、P 含量不超標。

三、金相及夾雜物檢驗

采用Olympas GX71 金相顯微鏡對試樣進行夾雜物測定及金相顯微組織分析，由圖3a 可見，1# 樣品中存在少量夾雜物，其尺寸不超過20μm，參照GB/T10561 － 2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，夾雜物評級為C 類0.5 級。

螺栓基體金相組織為回火馬氏體（圖3b），在螺紋處存在由螺紋根部向螺栓內(nèi)部擴展的微裂紋（圖3c）。圖4 為2# － 4# 樣品母材基體內(nèi)夾雜物形態(tài)照片，可見3 個樣品中均存在少量尺寸不超過5μm 的夾雜物，參照GB/T10561 － 2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，夾雜物評級為D 類0.5 級。

圖 5 為2# － 4# 樣品金相組織照片，3 個樣品金相組織均為回火馬氏體，組織未見異常。

四、斷口SEM分析

采用JXA-8530F 場發(fā)射電子探針對1# 試樣進行斷口形貌觀察分析，圖6a、6b 中黑色虛線區(qū)域內(nèi)可見明顯的疲勞裂紋擴展區(qū)，圖6c 為中心撕裂區(qū)域照片，依據(jù)斷口的特征，1# 樣品具有比較明顯的疲勞斷裂特征，裂紋由螺栓的螺紋根部向螺栓內(nèi)部擴展，導致螺栓斷裂。

圖7 為1# 樣品斷口表面夾雜物處及母材的能譜分析位置，圖8 －圖10 分別為圖7 中3 個位置的能譜分析結果，可見圖譜10 位置Ti 元素含量較高，為含Ti 的夾雜物；其余2 個位置主要元素均為Fe、O，為螺栓母材的氧化產(chǎn)物。

五、力學性能試驗

采用WDW3000 材料試驗機及JBW-500 擺錘沖擊試驗機分別進行拉伸及沖擊試驗。拉伸試驗和沖擊試驗的試樣尺寸如圖11、圖12 所示。試驗結果見表2。

圖7 能譜分析位置示意圖

圖8 譜圖10位置能譜分析結果

圖9 譜圖11位置能譜分析結果

圖10 譜圖12位置能譜分析結果

圖11 拉伸試樣圖形狀及尺寸

圖12 沖擊試樣圖形狀及尺寸

根據(jù)試驗結果，1#、3# 試樣屈服強度（Rp0.2）低于GB/T3077 － 2015《合金結構鋼》要求，2#、3# 試樣抗拉強度（Rm）低于GB/T3077 － 2015《合金結構鋼》要求，其余拉伸試驗結果合格。

雖然4 根試樣的常溫沖擊性能滿足GB/T3077 － 2015《合金結構鋼》要求，但發(fā)生疲勞斷裂的1# 螺栓沖擊功明顯低于其他螺栓。

疲勞斷裂的影響因素分析

大型風電機組是由一些相關部件通過一定的聯(lián)接方式組成的一臺整機。其中高強度螺栓是聯(lián)接這些主要零部件的重要元件之一，因此螺栓聯(lián)接是否可靠，將直接關系到風電機組運行的安全。

通過對斷裂的高強螺栓進行試驗分析，可判斷本次風電機組倒塔事故是由于風電機組基礎與塔架連接螺栓的疲勞斷裂（1# 螺栓）造成的。風電機組基礎與塔架由若干螺栓進行聯(lián)接，當個別螺栓產(chǎn)生疲勞裂紋并斷裂后，由于應力分布的變化，使其他螺栓承受的應力增大，進而在螺紋根部等應力集中處形成裂紋，導致這一部分螺栓的相繼開裂。當剩余未斷裂螺栓承載能力無法滿足風電機組基礎與塔架聯(lián)接要求時，就會發(fā)生倒塔事故。本次試驗中2# － 4#螺栓斷口形貌明顯為大載荷拉裂特征，就是在倒塔事故中被瞬時的巨大載荷拉斷所致。

1# 螺栓的疲勞斷裂為本次倒塔事故的直接原因，螺栓產(chǎn)生疲勞裂紋與以下幾個因素有關：

（1）應力集中

風電機組的工作環(huán)境為常年風力較大的區(qū)域，由于風電機組塔體較高且風力經(jīng)常變化，使基礎螺栓承受交變載荷。螺栓螺紋根部成為應力集中大的部位，如果在此部位存在損傷、夾雜物等缺陷，則極易成為裂紋源，裂紋在交變載荷的作用下逐漸擴展，終導致螺栓的斷裂。在對1# 樣品的試驗中發(fā)現(xiàn)的螺紋根部裂紋及C 類夾雜物也證明了此推斷。

（2）交變載荷

根據(jù)風力發(fā)電場提供的數(shù)據(jù)，倒塔風電機組位于沿海地區(qū)，全年大風天氣多，且風速變化大，在此風電機組發(fā)生倒塔前的3 個月，風速低20m/s，高28m/s，可見風電機組基礎螺栓常年處于交變應力的作用之下，增大了產(chǎn)生疲勞裂紋的幾率。

（3）材料的力學性能

在對4 根螺栓的力學性能試驗中發(fā)現(xiàn)1#、3# 螺栓屈服強度（Rp0.2）低于GB/T3077 － 015《合金結構鋼》要求，2#、3# 螺栓抗拉強度（Rm）低于GB/T3077 － 2015《合金結構鋼》要求；雖然4 根試樣的常溫沖擊性能滿足GB/T3077 － 2015《合金結構鋼》要求，但發(fā)生疲勞斷裂的1#螺栓沖擊功明顯低于其他螺栓。沖擊功是衡量材料韌性的重要指標，是材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，沖擊功越低，材料表現(xiàn)出來的脆性越高，韌性越低。沖擊功偏低使螺栓在應力作用下更易產(chǎn)生裂紋，產(chǎn)生裂紋后，裂紋的擴展速度更快。

（4）其他原因

風電機組基礎與塔架連接螺栓為42CrMoA 高強螺栓，化學成分檢驗中發(fā)現(xiàn)，4 根螺栓Mn 元素含量均高于產(chǎn)品合格證要求上限，在鋼中加入Mn 可以提高鋼件強度，并在一定程度上提高可淬性。即在淬火時增加了淬硬滲入的強度，Mn 還能改進表面質量，但是太多的Mn 對延展性不利，Mn 含量超標對螺栓裂紋的產(chǎn)生與擴展會有一定影響。

結論與建議

通過對斷裂螺栓宏觀形貌及各項試驗數(shù)據(jù)的分析，可以得出以下結論與建議：

螺栓的斷裂性質為疲勞斷裂，應力集中及螺栓承受的交變載荷是螺栓斷裂的主要原因；螺栓力學性能超標及Mn元素含量偏高，為螺栓斷裂的次要影響因素。建議根據(jù)現(xiàn)場實際情況，制定檢驗計劃，定期利用超聲波探傷對現(xiàn)役螺栓進行檢驗，發(fā)現(xiàn)存在裂紋螺栓及時更換（Jason：我建議定期使用超聲螺栓軸力測量技術對螺栓軸力進行檢測）；在新螺栓安裝前必須進行100% 超聲波探傷，并抽取一定比例螺栓進行化學成分、金相組織及力學性能試驗。