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風電螺栓檢測試驗及斷裂失效分析

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浏覽:- 發布日期:2020-11-13 15:45:38【

風電機組的基礎套件包括:塔筒、機艙、輪毂、葉片,風電機組基礎。以及葉片鍊接的關鍵部件。這些零部件常常使用螺紋規格在M30以上的高強度螺栓進行鍊接。螺栓緊固件的性能關乎着,整台風電機組的使用性能。但是目前國内的高強度螺栓相應标準往往出自于不同的部門。有的由于标準的年代久遠已經跟不上目前的形式。所以在日常檢測中,現場會出現大量的資質問題。

風電高強螺栓的主要連接方式有以下三種:高強度螺栓、螺釘連接。組成由螺栓和平墊圈組成。高強度螺栓由六角頭螺栓、一個螺母和兩個平墊圈組成。高強度螺栓連接的構成是1個螺栓、1個螺母以及一個平墊圈構成。因此高強度螺栓也叫雙頭螺栓或者雙頭螺柱。

不同或者相同的風電主機廠家,風電螺栓的規格和數量與扭矩值各不相同。進行安裝時需要以具體的作業指導書為準。

常見的螺栓以及錨栓鍊接副,都有抽檢項目以及抽檢數量規定。GB/T1231-2009規定,同批高強度螺栓的最大數量為3000套,《結構鋼高強度螺栓技術規程》中JGJ 82-2011則指出高強度螺栓連接副進場檢驗屬于複驗。最大檢驗批次同樣不能超過3000套,且最大批次不宜超過兩個批次為6000套,需要注意的是該規範與GB/T 1231-2009中螺栓試驗參數僅适用于M12-M30之間的高強度螺栓,并且不适用于雙頭螺柱。

《風電機組塔架用高強度螺栓連接副》NB/T31082-2016檢驗規則中6.7規定“抽檢以螺栓連接副批次為單位,同批螺栓連接副最大數量為5000套。”該規範中螺栓試驗參數規格為M36-M64。

綜上所述,建議螺紋規格M36及以上的高強螺栓進場後每批次抽檢不超過5000套;螺紋規格M36以下的每批次抽檢不超過6000套。

根據相關規範要求,高強螺栓抽檢試驗一般包括以下項目:螺栓楔負載試驗、螺母保證荷載試驗、螺母硬度試驗、墊圈硬度試驗、螺栓連接副扭矩系數試驗,上述試驗抽檢數量均為8件。螺紋脫碳試驗試件數量為3件。螺栓送檢時應附制造廠的質量檢驗出廠報告,報告中應包括批号、規格、數量、材料、爐号、化學成分、試件拉力試驗和沖擊試驗數據、實物機械性能試驗數據、連接副扭矩系數測試數據等内容。

需要注意的是潤滑劑應随螺栓一起送試驗室,并嚴格按照安裝指導手冊要求進行塗敷。某風電場高強螺栓送檢時,未告知試驗人員在墊片與螺母、螺栓頭接觸面塗敷潤滑劑,緻使扭矩系數超出規範規定的平均值0.110~0.150範圍。重新送檢并按照安裝指導手冊要求塗敷潤滑劑後檢測合格。《風力發電機組高強螺紋連接副安裝技術要求》GB/T 33628-2017(2017年5月12日發布,2017年12月1日實施)指出,抗咬合劑推薦使用二硫化钼含量大于30%的潤滑劑。螺栓外螺紋潤滑劑塗敷厚度約為螺紋深度的1/2,螺母及墊片接觸面上的潤滑劑塗敷厚度約為0.1mm。

高強螺紋連接副安裝指導要求

風電機組内高強螺紋連接副安裝程序各個風電機組廠家會有所不同,某風電機組廠家螺栓安裝指導程序如下:

首先用快槍1000N.m完成初擰,再按扭矩設計值75%米字形對稱分區複擰,最後終擰至扭矩設計值。GB/T 33628-2017中規定三次施擰扭矩值分别為10%扭矩值、50%扭矩值、100%扭矩值。一般情況下企業标準高于國家标準,建議按風電機組廠家指導手冊執行。

根據《鋼結構工程施工質量驗收規程》GB 50205-2001中規定,高強度螺栓終擰後螺栓絲扣應外露2~3扣,其中允許有10%的螺栓絲扣外露1扣或者4扣。

風電機組螺栓的斷裂類型

通過受力分析,結合前述文獻,不難看出,風電機組螺栓斷裂的主要形式是過載斷裂和疲勞斷裂。過載斷裂是由外荷載引起的螺栓應力因超過其設計強度而形成的斷裂,宏觀斷口形狀分為3 個區:纖維區、放射區和剪切唇。疲勞斷裂是由交變荷載引起的斷裂,宏觀斷口形狀也分為3 個區:裂紋源區、擴展區和瞬斷區(見圖1 ) 。

風電機組斷口疲勞示意圖

 引起風電機組螺栓斷裂的原因分析

引起風電螺栓斷裂因素的影響

引起風電機組螺栓斷裂的因素有外因和内因之分(見圖2 )。


因素

外部因素除外荷載過大以外,還包括安裝時對預緊力的不當控制,例如:扳手力矩誤差導緻預緊力施加不合理;螺栓擰緊順序不當導緻整圈螺栓預緊力分布不均;潤滑劑選用不當或塗抹不當導緻力矩系數與設計産生偏差;安裝工藝執行不到位;等等。為了消除外部因素,用戶除了要制定并實施合理的安裝工藝以外,還要加強與風機供應商和螺栓制造廠的溝通,做好技術交底。

 内部

内部因素都産生于制造過程,包括原材料因素、機加工質量和熱處理質量。

( 1 ) 原材料因素可細分為脫碳層、材料化學成分、沖擊韌性、夾雜物等。

① 脫碳層的影響。熱處理中可能會造成脫碳,全脫碳層的硬度和疲勞強度都會下降,在交變荷載作用下将在全脫碳層最大深度處産生應力集中。某風電機組塔筒螺栓(規格M2 4、材質3 5 CrMo) 僅投運1 個月就出現多根螺栓螺紋處斷裂,經失效分析發現斷裂部位處于全脫碳層最深處。

② 材料化學成分的影響。如材料中的一些強化元素如Mn的含量超标将對裂紋的産生和擴展有一定影響。

③ 沖擊韌性的影響。材料的沖擊功偏低将加快螺栓在應力作用下裂紋的産生和擴展速度。

④ 夾雜物的影響。材料中的夾雜物破壞了基體的連續性,在受力情況下夾雜物周圍形成應力集中。某風電場多台3 M W 機組運行1.5 a 後頻繁發生螺栓斷裂,分析結果表明,斷裂原因與材料中存在大量的氧化矽夾雜物有關。

( 2 ) 機加工質量因素主要表現在以下3 個方面。

① 機加工留下的刀痕導緻應力集中。如某風電機組材質4 2 CrMoA發生疲勞斷裂,分析其原因是機加刀痕在滾絲機加工螺紋後未消除,導緻刀痕在螺紋底部産生應力集中形成裂紋源。

② 金屬流線破壞。某機組螺栓由于螺紋加工未采用滾絲導緻金屬流線破壞,切斷了金屬的流線,降低了強度導緻疲勞斷裂。

③ 加工精度、表面粗糙度不夠導緻螺紋根部應力集中。

( 3 ) 熱加工質量因素主要表現在以下2 個方面。

① 熱處理工藝執行不到位,導緻材料組織性能不過關。這類問題多發生在安裝階段,如某風電機組安裝中螺栓斷裂,經光學顯微鏡觀察到心部存在少量小塊狀鐵素體,經分析是調質時加熱不足造成,與網帶爐的裝料量過大、裝料不均勻、運行速度大等有直接關系。某風電機組螺栓斷裂後經金相分析發現螺栓顯微組織為上貝氏體組織,熱處理組織不正常,力學性能不足導緻失效。

② 熱鍛加工時控制不到位。如六角螺栓在熱鍛成型後應對六角頭R 角倒角,以防止後續熱處理因應力集中而産生裂紋,此時若破壞金屬流線,則會降低強度。

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