风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析_张君
35CrMo钢高强螺栓断裂失效分析
35CrMo钢高强螺栓断裂失效分析韩克甲;赵晓辉;李洪伟【摘要】某风电厂铁塔用紧固高强螺栓在使用一个月后于螺纹处出现多根断裂现象.通过宏观检验、化学成分分析、力学性能试验、金相检验、断口分析等方法对螺栓断裂原因进行了分析.结果表明:失效高强螺栓螺纹处表面全脱碳层深度超标,且脱碳层深度极不均匀,在全脱碳层最大深度处容易产生应力集中,并造成螺栓表面部分区域的强度和抗疲劳性能下降,无法承受设计载荷,从而导致高强螺栓在此处出现应力裂纹并最终发生疲劳断裂失效.%The high strength bolts used for tower fastening in a wind power plant, appeared multiple fracture phenomena at the thread position after a month's use.By means of macro examination, chemical composition analysis, mechanical property test, metallographic examination, fracture analysis and so on, the fracture reasons of the bolts were analyzed.The results show that the surface total decarburization layer depth of the failure high strength bolts at the thread position exceeded the standard requirement, and at the same time the decarburization layer depth was very uneven.Stress concentration easily formed at the deepest total decarburization position, and the decarburization also caused the decrease of strength and fatigue property of the bolts at local positions and made the bolts not bear the design load.So stress cracks appeared here and resulted in the final fatigue fracture failure of the high strength bolts.【期刊名称】《理化检验-物理分册》【年(卷),期】2017(053)006【总页数】4页(P434-436,441)【关键词】高强螺栓;脱碳;应力裂纹;疲劳断裂【作者】韩克甲;赵晓辉;李洪伟【作者单位】淄博市新材料研究所, 淄博 255040;淄博市新材料研究所, 淄博255040;淄博市新材料研究所, 淄博 255040【正文语种】中文【中图分类】TH131.3某风电厂采购一批铁塔用紧固高强螺栓，螺栓规格为M24 mm×120 mm。
风电机组变桨连接螺栓断裂原因分析及预防措施
风电机组变桨连接螺栓断裂原因分析及预防措施摘要风力发电机叶片是一个纤维增强复合材料制成的薄壳结构。
叶片工作时，根部承受着复杂的剪切、挤压、弯扭载荷组合作用，应力状态复杂易产生结构失效，所以叶片根部连接必须具有足够的强度、刚度、局部稳定性、胶接强度和疲劳断裂强度。
一旦叶根部位出现连接失效问题，叶片与风力机转子轮毂分离，发电机无法正常工作，甚至导致灾难性的质量和安全事故。
因此，对风机叶片连接螺栓状态进行监测成为了必要的手段，某公司针对风电机组变桨连接螺栓断裂情况，对叶片连接螺栓断裂进行了原因分析，并提出预防及监测措施，以确保机组安全稳定运行。
关键词：变桨连接螺栓；疲劳断裂；预紧力0引言风电叶片是风力发电机组捕获风能的核心部件，其工况复杂、工作载荷很大，设计上要求达到安全运行二十年的使用寿命要求。
叶片在运转过程中，同时承受着气动力、重力及离心力等复杂载荷的作用，其中叶片根部连接成为叶片设计中最关键的部分（如图1）。
由于叶根的载荷最大，而且应力状态复杂，承受着复杂的剪切、挤压、弯扭载荷作用，所以叶根连接必须具有足够的机械强度与弯扭刚度。
叶根的受力方式也极为复杂，同时承受拉伸、压缩、扭转及剪切等复杂应力的作用。
叶片根部连接螺栓断裂而导致风电机组运行事故是一种常见的故障模式。
图 1 叶片与轮毂链接示意图1叶片根部连接螺栓断裂的主要故障及根源分析目前，叶根与轮毂链接的的方式主要由三种：“T型螺栓”连接方式，螺栓套筒预埋连接方式，金属制根部连接件连接方式。
在正常工作状态中，叶片叶根螺栓连接是紧连接，承受着交变载荷。
“T 型螺栓”连接( 包含双头螺栓及横向螺母) ，也称“IKEA” 连接，是风机叶片最广泛的螺栓连接结构之一，本文重点考虑“T型螺栓”连接方式。
在叶片根部断面沿叶根节圆均匀分布多组高强度螺栓组，每组螺栓由双头螺杆和交叉螺母组成，叶片根端有两组均匀分布且互相对应螺栓孔和螺母孔，交叉螺母安装在径向螺母孔中，双头螺杆安装在轴向螺栓孔中，双头螺杆一端与交叉螺母连接，另一端伸出断面与主机轮毂连接，从而将叶片与主机联为一体（如图2）。
风力发电机组叶片连接高强螺栓的断裂原因分析
风力发电机组叶片连接高强螺栓的断裂原因分析姚兵印;张志博;马剑民;王玉兴;卢正欣【摘要】某风电场多台3 MW风力发电机组在运行1．5 a (年)后，叶片连接螺栓频繁发生断裂.通过化学成分分析、力学性能测试、金相分析及断口分析等方法，对其中一台风力发电机组的叶片连接螺栓断裂原因进行了分析.结果表明：该风电场叶片连接螺栓的断裂原因主要是材料中存在大量的氧化硅夹杂物，以及制造过程中热处理工艺控制不当导致的晶粒粗大等原因.且叶片连接螺栓安装及定期维护时预紧力分散度较大，使得螺栓在运行中受到复杂的应力条件下发生疲劳断裂失效.%The high-strength bolts,which were applied to the 3 MW Wind turbine blades in a wind power plant,were fractured frequently after running for1 .5 years.The reasons of the fracture were analyzed by means of chemical composition analysis,mechanical properties testing,metallographic analysis,fracture surface analysis, and so on.The results show that the main reasons of the fracture of the bolts were lots of silicon oxide inclusions in the material,bulky grains caused by improper heat treatment,and so on.In addition,the pretightening force was relatively dispersive in the installation and maintenance process,which led to fatigue fracture failure of the bolts under the complicated stress.【期刊名称】《理化检验-物理分册》【年(卷),期】2016(052)005【总页数】6页(P339-344)【关键词】风电场;叶片;高强螺栓;疲劳断裂【作者】姚兵印;张志博;马剑民;王玉兴;卢正欣【作者单位】西安热工研究院有限公司，西安710032;西安热工研究院有限公司，西安710032;西安热工研究院有限公司，西安710032;西安热工研究院有限公司，西安 710032;西安理工大学，西安 710048【正文语种】中文【中图分类】TG115.2;TG142.1某风电场一期工程由16台单机容量为3 MW的变速恒频、变桨距控制、陆上型风力发电机组组成，风力发电机组型号为SL-3000/113。
风力发电机组塔筒螺栓断裂对结构的影响分析
风力发电机组塔筒螺栓断裂对结构的影响分析摘要：随着传统能源的枯竭和环境问题的日益突出，风能作为一种清洁无污染的可再生能源，受到世界各国越来越多的重视。
风能是可再生的清洁能源，随着煤炭资源日益匮乏以及人们环保理念的持续加强，对风能等清洁能源的需求持续增加。
风能资源量大质优，因而风力发电受到社会各界的持续关注。
风电机组的塔式结构使塔筒承担机舱及叶片的自重及风的水平荷载，由于风速的时变特性，导致风电机组运行在交变载荷工况下，随着运行时间的增加，塔筒的连接螺栓承受的交变应力作用易引发其疲劳失效，如果定检过程中没有及时发现将引发较为严重的后果。
基于此，本篇文章对风力发电机组塔筒螺栓断裂对结构的影响进行研究，以供参考。
关键词：风力发电机组；塔筒螺栓断裂；结构；影响分析引言风电已成为我国能源电力领域的一支生力军。
风电塔作为风力发电系统的重要组成部分，是一种新型的高－柔薄壁结构，其上部的机舱、轮毂、叶片质量较大，这种“头重脚轻”的结构形式不利于风机塔承受荷载。
根据风力发电特性，其普遍所处位置与自身高度都处于比较高的位置，所以风电机组的安装成为一件技术性、安全性特别强，且工作量集中的工作，风电塔筒在风力发电机组中主要起支撑和最外层保护作用，同时吸收机组震动，其安装质量的好坏、效率高低直接关系到整个发电机组的正常运行和施工单位的经济效益。
1风力发电机发电能力评估风力发电机的等效风能利用小时数是衡量项目发电性能的重要指标，它就是风力发电机年发电量与容量的比值。
对于单台机组，它是单台风机年发电量与机组容量的比值。
所以可以从分析单台风机的等效风能利用小时数入手。
统计单台机组的发电量，将单台机组发电量加上限电、故障、检修等损失电量折算为等效利用小时数，对风电场同型号机组的等效利用小时数进行排序，并将实际风速与等效利用小时数进行对照分析，可以筛选出相同风速条件下等效利用小时数低于平均值的机组。
风机功率曲线是风力发电机组发电能力的最直接体现。
风电用高强度螺栓常见断裂原因分析
裂 原 因的 分析 讨 论 ．总 结 出 风 电用 高 强 度 螺 栓 断 裂 的 常 见原 因有 ：螺 栓 机械 性 能 不 合 格 、螺 栓 机
械 加 工 质 量不 符 合 要 求 、热 处 理 制 度 不 合 理 、加
作 者 简 介 ：吉 昌兵 （ １ ９ ８ １ 一 ） ， 男 ．工 程 师 ，２ ０ ０ ３年 毕 业 于 东 北 大 学 材 料 物 理 系 ，现 就 职 于 东 方 汽 轮 机 有 限 公 司 材 料 研 究 中心 温 材 料 四 川 省 重 点 实 验 室 ． 主要 从 事 汽 轮 机 材 料 理 化 检 测 工 作 。
ｐ ｏ ｗｅ ｒ ： ｕ ｎ ｑ ｕ ａ ｌ ｉ ｉ ｆ ｅ ｄ ｂ ｏ ｌ ｔ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ，ｕ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｄ ｉ ｚ ｅ ｄ ｂ ｏ ｌ ｔ ｓ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｑ ｕ ａ ｌ ｉ ｔ ｙ ， ｕ ｎ ｒ ｅ ａ ｓ ｏ ｎ ａ ｂ ｌ ｅ ｈ ｅ ａ ｔ ｔ ｒ ｅ ａ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｙ ｓ — ｔ ｅ ｍ， ｕ ｎ ｒ ｅ ａ ｓ ｏ ｎ ａ ｂ ｌ ｅ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｄ ｕ ｒ ｅ ， ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｓ ｅ ｇ ｒ ｅ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｒ ａ ｗ ｍａ ｔ ｅ ｉａ ｒ ｌ ， ｔ ｏ ｏ ｈ ｉ ｇ ｈ ａ ｓ ｓ ｅ ｍｂ ｌ ｙ ｔ ｏ ｒ ｑ ｕ ｅ ， ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｄ ｅ ｃ ａ ｒ ｂ ｕ ｒ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｔ ｃ ．
接 紧 固件 的 正常 运 行 ．是 风 力 发 电机 系 统 正 常 运
风能发电机组结构件的失效分析与预防(待续)第1讲螺栓的失效分析与预防
风能发电机组结构件的失效分析与预防(待续)第1讲螺栓的失效分析与预防WANG Rong【摘要】对风能发电机组的结构进行了简单介绍,对其上经常失效的结构件以及其材料、热处理工艺和失效形式进行了归纳.选取了机组上应用数量较多、作用比较重要的高强度螺栓作为该讲的主要内容,对螺栓在机组上的应用特点、失效特点、结构特点、受力特点及其失效原因进行了较为详细的论述.结合多年的失效分析经验,采用实际案例的方式,重点介绍了机组上螺栓最常出现的两种失效形式——疲劳断裂和氢脆型断裂,并对这两种失效产生的根本原因进行了剖析,最后提出了避免机组上螺栓失效的预防措施.【期刊名称】《理化检验-物理分册》【年(卷),期】2019(055)006【总页数】10页(P371-380)【关键词】风能发电机组;结构件;高强度螺栓;失效分析;疲劳断裂;氢脆断裂【作者】WANG Rong【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】TM614;TG115风能发电机组(以下简称为风电机组或机组,WTGS)的结构如图1所示，经常失效的结构件主要分布于“轮毂”总成、“齿轮箱”总成和“偏航系统”总成3个区域，另塔筒内法兰上的连接螺栓也有较多的失效事故发生。
笔者主要对风能发电机组上失效概率最高的3种构件，即螺栓(第1讲)、齿轮(第2讲)和轴承(第3讲)的失效模式、失效原因以及相应的预防措施进行了概述。
1 风能发电机组概述1.1 机组上经常失效的结构件图1 风能发电机组结构示意图Fig.1 Schematic diagram of structure of the WTGS风能发电机组上常见的失效件有：齿圈、齿轴、齿轮、销轴、轴承、高强度螺栓等。
1.2 失效件受力特点(1) 无风时，机组的叶片停止不动，相当于一个悬臂梁结构。
但由于叶片的质量较大(一般MW级别的机组叶片长度达50多米，重量在20 t以上。
目前世界上风电机组上最长的叶片是丹麦Vestas的V164-7MW风机，叶轮直径长164 m，单个叶片长80 m)，轮毂及其连接部分的螺栓、相互配合的齿轮及轴承等都将承受较大的静载荷。
浅谈风力发电机组叶片螺栓频繁断裂原因及解决方案
浅谈风力发电机组叶片螺栓频繁断裂原因及解决方案发布时间：2022-01-10T07:47:36.554Z 来源：《当代电力文化》2021年29期作者：高翔李晓龙康世勇[导读] 风力发电机组叶片连接的主要方式为螺栓连接高翔李晓龙康世勇国投哈密风电有限公司新疆哈密 839000摘要风力发电机组叶片连接的主要方式为螺栓连接，随着时间推移，部分风力发电机组已运行10年时间，陆续出现叶片螺栓断裂等情况。
螺栓作为风电机组叶片的重要联结件，发生断裂后严重影响风机运行安全性和稳定性，本文对华锐SL1500型风力发电机组叶片螺栓频繁断裂原因及解决方案进行简单介绍。
关键词：风机叶片螺栓断裂应力分析安装工艺；引言近年我国新能源产业速度发展，尤其以风力发电产业发展迅速，随着时间推移，部分风力发电机组已投运10年时间，随着设备老化风力发电机组叶片螺栓断裂现象已普遍存在于各风电场，分析叶片螺栓断裂原因，研究可靠措施已成为当务之急。
一、叶片螺栓装配风电机组叶片材料是由聚酯树脂、胶衣、面层、玻璃纤维织物等材料复合而成的，具有较高的防雨雪、防沙尘、抗磨损及耐低温的性能。
华锐SL1500型机组叶片由54颗高强度叶片螺栓固定于轮毂，螺栓分布情况如下图：二、螺栓断裂有限元分析叶根有限元模型根据《FL-HSN1900DFT _变桨轴承》、《LZ43.5-1.5-圆螺母-20110504》、《LZ43.5-1.5-V2 根部连接图》、《LZ43.5-1.5 双头螺栓》图纸建立叶片根部连接模型。
叶根螺栓连接图如图下图所示。
根据《 1500.029.0101.02D _LZ43.5_SL1589_HH80_TC S blade loads data-20160728》。
叶根最大弯矩为 Mext =5313.5KNm, 叶根最大轴向载荷为 734.1KN。
Fa：有限元模型中，一个螺栓在极限工作载荷作用下的最大力; Mext：叶根最大弯矩 Mext =5313.5KNm；Fz：叶根最大轴向力 Fz=734.1KN；N：螺栓个数（n=54）； d:叶根螺栓节圆直径（d=1.8m）。
超高强度螺栓断裂失效分析
超高强度螺栓断裂失效分析发表时间：2017-07-13T12:00:44.147Z 来源：《基层建设》2017年第8期作者：钱豪[导读] 螺栓的受力特点决定了它是发动机的薄弱零部件。
因此，连杆螺栓的失效分析与预防十分重要。
本文分析超高强度螺栓断裂失效的相关内容。
浙江精功新材料技术有限公司浙江杭州 310018摘要：螺栓作为重要的紧固件，其失效事故发生较多，造成的危害很大。
其中，螺栓的氢脆断裂是较为常见的故障模式，由于氢脆大多与批次性问题有关，因此，危害性较大。
螺纹连接是发动机各部件之间最常用的连接方式，大概占到发动机连接的70%。
螺栓的受力特点决定了它是发动机的薄弱零部件。
因此，连杆螺栓的失效分析与预防十分重要。
本文分析超高强度螺栓断裂失效的相关内容。
关键词：超高强度螺栓；断裂失效；氢脆超高强度螺栓是继铆接、焊接之后发展起来的一种钢结构连接型式。
它具有施工简单、可拆卸、承载大、耐疲劳、较安全等优点。
因此, 高强度螺栓连接已发展成为工程安装的主要手段。
1 实例分析某型号高强度螺栓用于某轴承上，其强度要求很高。
该型螺栓在生产检验合格服役5 个月后，发现个别螺栓相继在螺纹处发生断裂。
该型高强度螺栓为铰制孔螺栓(螺纹长度95 mm)，材料为35CrMnSiA 钢，规格为M56，螺杆长度为235mm，强度要求以GB/T3077-1999为标准。
其制造工艺为：毛坯电渣重熔→预加工→超声波探伤→粗加工(单边留量3～5mm)→调质处理(950℃淬火，630℃回火)→半精加工→淬火热处理(淬火温度为900℃，310℃回火)→力学性能检验→精加工→磁粉探伤(包括螺纹部分)→表面油漆防护→装配。
目前，采用的无损检测手段无法检测出螺栓内部0.2mm 以下的微裂纹。
通过金相检验、氢含量检验和断口电镜扫描分析等相关的手段对断裂的螺栓及未断裂的随机抽取样品进行相应的检验和断裂原因分析。
2 实验方法与结果2.1 实验对象。
实验对象为该型螺栓2 枚，其中包括断裂的铰制孔螺栓，以及对应同型号未断螺栓1 枚。
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张 君等：风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析
图 ４ 螺 栓 心 部 显 微 组 织 Ｆｉｇ．４ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｂｏｌｔ ｃｅｎｔｅｒ
０．００８
０．００５
０．９６５
０．１５８
０．０１４
０．００３
螺栓心部
０．３６９
０．２５１
０．５４２
０．００８
０．００４
０．９３９
０．１５５
０．０１３
０．００２
标准值 ０．３２～０．４０ ０．１７～０．３７ ０．４０～０．７０ ≤０．０３５
≤０．０３５ ０．８０～１．１０ ０．１５～０．２５ ≤０．０３０
２ 综 合 分 析
螺栓机械加工 完 毕 后，要 进 行 淬 火 和 高 温 回 火 处理，并期得到理 想 的 回 火 索 氏 体 组 织。 然 而 化 学 成 分 分 析 结 果 显 示，螺 栓 表 面 的 碳 含 量 仅 为 ０．００９％ ，远 远 低 于 标 准 值 （０．３２％ ～０．４０％ ）和 心 部 的碳含量 ０．３６９％。 由 金 相 检 验 结 果 也 可 知，螺 栓 心部显微组织为细 小 的 回 火 索 氏 体，螺 栓 表 层 则 为 铁 素 体 ；说 明 螺 纹 表 面 发 生 了 全 脱 碳 ，且 脱 碳 层 深 度 较大。显微硬度测 试 结 果 显 示，螺 栓 表 面 硬 度 约 为 １３０ ＨＶ，心部 硬 度 约 为 ３７０ ＨＶ，进 一 步 证 明 螺 栓 表面发生了严重 的 脱 碳。 该 螺 栓 经 过 了 淬 火、高 温 回 火 处 理 ，在 淬 火 加 热 保 温 过 程 中 ，热 处 理 炉 内 碳 浓 度 过 低 ，导 致 零 件 表 面 脱 碳 ，待 整 个 试 样 完 全 奥 氏 体 化 后 ，表 面 形 成 了 超 低 碳 的 奥 氏 体 ，在 淬 火 冷 却 过 程 中 ，螺 栓 心 部 转 变 为 马 氏 体 ，而 螺 栓 表 面 则 转 变 为 铁 素体。在随后的高 温 回 火 过 程 中，马 氏 体 中 析 出 弥 散 细 小 的 碳 化 物 ，螺 栓 心 部 组 织 转 变 为 回 火 索 氏 体 ， 具有良 好 的 综 合 力 学 性 能，而 螺 栓 表 面 仍 然 为 铁 素 体［３－４］。 一 般 来 说 ，螺 栓 螺 纹 根 部 是 应 力 集 中 部 位 ，该 螺 栓表面脱碳，导致了 螺 纹 表 面 硬 度 和 强 度 的 大 大 降 低 。 另 外 螺 栓 在 安 装 时 ，预 紧 力 不 均 匀 ，导 致 受 力 较 大的螺栓在服役过程中风力和风叶转动产生的循环 冲击载荷作用下，于 螺 纹 根 部 出 现 裂 纹 并 疲 劳 扩 展 直至断裂 。 ［５］
· ９３４ ·
型高度，Ｈ１ ＝１．５ ｍｍ），螺 纹 牙 底 存 在 ０．０５３ ｍｍ 的全脱碳层。根 据 ＧＢ／Ｔ ３０９８．１－２０００《紧 固 件 机 械性 能 螺 栓、螺 钉 和 螺 柱 》的 要 求，Ｇ 的 最 大 值 为 ０．０１５ｍｍ，Ｅ 的 最小高度为２／３ Ｈ１，即１．０ｍｍ。可 见该两项指标均不满足标准技术要求。 １．５ 硬 度 试 验
图 ５ 牙 根 显 微 组 织 Ｆｉｇ．５ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｔｈｒｅａｄ ｒｏｏｔ
图 ６ 牙 尖 显 微 组 织 Ｆｉｇ．６ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｔｈｒｅａｄ ｃｕｓｐ
计 在 螺 栓 表 面 及 其 心 部 各 测 试 ３ 点 硬 度 ，结 果 如 下 ： 表 面 为 １３５，１２８，１３０ ＨＶ１０；心 部 为 ３７７，３８０， ３６５ ＨＶ１０。可见螺栓表面硬度明显低于心部硬度， 与螺栓表面存在明显的脱碳相吻合。
≤０．０３０
（ａ） 裂 纹 源
（ｂ） 裂 纹 扩 展 区
（ｃ） 瞬 断 区
图 ３ 螺 栓 断 口 扫 描 电 镜 形 貌
Ｆｉｇ．３ ＳＥＭ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｌｔ
（ａ） Ｃｒａｃｋ ｓｏｕｒｃｅ （ｂ） Ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｒｅａ （ｃ） Ｆａｓｔ ｆｒａｃｔｕｒｅ ａｒｅａ
典 型 的 疲 劳 断 裂 特 征 ，且 有 两 个 裂 纹 源 ，疲 劳 裂 纹 扩 展区约占整个断口的８０％，瞬 断区 约 占 整 个 断 口 的 ２０％ 。 由 螺 栓 断 口 宏 观 形 貌 可 以 断 定 其 为 双 向 疲 劳 断 裂［１］。 １．２ 化 学 成 分 分 析
在 断裂螺栓上取 样 ，分 别 对 螺 栓 表 面 及 心 部 位
１ 理 化 检 验
１．１ 宏 观 检 验 图１为其中一 根 断 裂 螺 栓 的 宏 观 形 貌，可 见 断
裂位于有螺纹的部 位，螺 栓 螺 纹 根 部 恰 好 是 应 力 集 中位置。 图２是螺栓断 口 宏 观 形 貌，发 现 断 裂 部 位 正 好 处 于 螺 纹 牙 根 位 置 ，断 口 上 存 在 明 显 的 贝 纹 线 ，呈 现
ＺＨＡＮＧ Ｊｕｎ，ＷＥＮ Ｂａｏ－ｆｅｎｇ，ＺＨＡＯ Ｊｉａｎｇ－ｔａｏ，ＳＨＩ Ｗｅｉ （Ｌａｎｓｈｉ Ｔｅｓｔ Ｃｅｎｔｅｒ，ＬＳ Ｇｒｏｕｐ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ａ ｒｏｕｔｉｎｇ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐａｎｙ，ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｆａｓｔｅｎｉｎｇ ｂｏｌｔｓ ｓｅｒｖｉｃｉｎｇ ｆｏｒ ４ｙｅａｒｓ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｏｌｔ；ｆａｔｉｇｕｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ；ｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ；ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
某电力公司在对风力发电机进行检修的过程中 发现，风机塔筒架底 部 起 固 定 作 用 的 个 别 螺 栓 出 现 了断裂现象。风力发电机塔筒底部连接法兰与风机 基 础 ，一 台 风 力 发 电 机 塔 筒 底 座 法 兰 共 由 ４８ 根 螺 栓 均匀分布连接，检修 时 发 现 在 一 个 方 位 相 邻 的 ３ 根 螺 栓 都 发 生 了 断 裂 ，且 都 断 裂 于 螺 纹 部 位 ，如 图 １ 所 示 。 该 批 螺 栓 已 使 用 了 ４ａ（年 ），由 同 一 家 供 货 商 提 供，螺栓材料为３５ＣｒＭｏ钢，螺 纹 规 格 Ｍ２０，性 能 等 级 １０．９ 级 。 为 查 明 该 螺 栓 断 裂 原 因 ，以 便 采 取 措 施 避免类似失效的再 次 发 生，笔 者 对 其 进 行 了 检 验 和 分析。
张 君等：风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析
置进行化学 成 分 分 析，结 果 见 表 １。 可 见 螺 栓 表 面 碳含量仅为 ０．００９％，明 显 低 于 ＧＢ／Ｔ ３０７７－１９９９ 对３５ＣｒＭｏ钢碳含量 的 技 术 要 求；而 螺 栓 心 部 各 元 素含量均在标准要求范围之内。
图 ２ 螺 栓 断 口 宏 观 形 貌 Ｆｉｇ．２ Ｍａｃｒｏ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｌｔ
１．３ 断 口 微 观 检 验 将螺栓断口清洗后使用扫描电镜进行观察。由
图 ３ 可 见 ，图 ２ 中 两 个 裂 纹 源 区 断 口 形 貌 相 似 ，该 两 个区域靠近 螺 栓 表 面，位 于 牙 根，牙 根 曲 率 半 径 最 小 ，是 应 力 集 中 部 位 ，因 而 容 易 形 成 裂 纹 。 且 该 区 域 贝纹线相对于疲劳 扩 展 区 更 为 密 集 光 亮，可 以 断 定
关 键 词 ：高 强 度 螺 栓 ；疲 劳 断 裂 ；脱 碳 ；调 质 处 理
中 图 分 类 号 ：ＴＧ１１５；ＴＧ１４２．１ 文 献 标 志 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１００１－４０１２（２０１４）１２－０９３３－０３
Ｆａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｂｏｌｔｓ ｆｏｒ Ｆａｓｔｅｎｉｎｇ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ
收 稿 日 期 ：２０１４－０５－１４ 作者简介：张 君（１９８３－），男，工程师，学士。 通 讯 作 者 ：温 宝 峰 （１９８６－ ），男 ，工 程 师 ，硕 士 。
图 １ 断 裂 螺 栓 宏 观 形 貌
Ｆｉｇ．１ Ｍａｃｒｏ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｂｏｌｔ · ９３３ ·
风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析
张 君 ，温 宝 峰 ，赵 江 涛 ，史 伟
（兰石集团 兰石测试中心，兰州 ７３００５０）
摘 要：某电力公司风力发电机塔筒底座紧固用高强螺栓使用 ４ａ（年）后，在 进 行 检 修 时 发 现 个 别 断 裂 现 象 。 通 过 对 螺 栓 断 口 进 行 宏 观 检 验 以 及 扫 描 电 镜 分 析 ，并 对 螺 栓 材 料 进 行 化 学 成 分 分 析 、 金相检验以及硬度测试，查明了螺栓断裂原因。结果表明：该螺 栓 断 裂 属 于 低 应 力 高 周 疲 劳 断 裂， 螺 栓 在 调 质 处 理 过 程 中 发 生 严 重 的 表 面 脱 碳 ，导 致 螺 栓 表 面 硬 度 和 强 度 降 低 ，于 是 在 应 力 集 中 的 螺 纹 根 部 萌 生 裂 纹 ，并 疲 劳 扩 展 直 至 断 裂 。
表 １ 螺 栓 表 面 、心 部 化 学 成 分 （质 量 分 数 ）
Ｔａｂ．１ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｌｔ（ｍａｓｓ）
％
位置
Ｃ
Ｓｉ
Ｍｎ
Ｐ
Ｓ
Ｃｒ
Ｍｏ
Ｃｕ
Ｎｉ
螺栓表面
０．００９
０．２６６
０．５５７