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螺栓連接是塔筒、齒輪箱、葉片、發(fā)電機(jī)等眾多風(fēng)電設(shè)備基礎(chǔ)構(gòu)件的一種重要緊固方式，螺栓的安全性與可靠性影響著整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用壽命。風(fēng)機(jī)塔筒是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔桿，主要起支撐作用，同時(shí)可以吸收機(jī)組振動(dòng)，多節(jié)塔筒通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接緊固后達(dá)到預(yù)定高度。

 

某風(fēng)場(chǎng)于2 0 1 3年初使用精度檢定合格的定扭力扳手安裝了風(fēng)機(jī)塔筒法蘭螺栓，安裝扭矩為5 800 Nm。 2 0 1 6年5 月，塔筒爬梯位置附近的1 根螺栓斷裂于頭部。該螺栓規(guī)格為M 48 m m X310 m m ，級(jí)別為10. 9 級(jí)，批號(hào)為1204,材料為42C r M 〇A 鋼。螺栓主要生產(chǎn)工藝為:退火—拉拔—下料一鐓頭成型— 熱處理(調(diào)質(zhì)，具體參數(shù)不詳)—滾絲—達(dá)克羅。

 

為查明該螺栓的斷裂原因，加強(qiáng)對(duì)其安全性和可靠性的控制，消除安全隱患，保證風(fēng)機(jī)正常、平穩(wěn)的運(yùn)行，筆者通過(guò)一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)其斷裂原因進(jìn)行了分析。

 

1. 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

斷裂螺栓的宏觀形貌如圖1 所示?？梢娐菟〝嗔延陬^部只角部位，螺桿及螺紋部位未見明顯的塑性變形。由圖2 可見，斷口宏觀形貌較平整，整體呈灰色，局部有斑點(diǎn)狀誘蝕痕跡;可明顯觀察到裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)。

 

裂紋起源于頭部角部位，根據(jù)源區(qū)特征，將其分為A ，B 兩區(qū)，見圖3a)。裂紋源A 區(qū)呈黑褐色弧形特征，長(zhǎng)度約為7 m m ,最深處約為3 mm。擴(kuò)展弧線較淺，間距小，呈浪花狀向螺栓心部擴(kuò)展。裂紋源B區(qū)出現(xiàn)臺(tái)階，擴(kuò)展弧線呈放射狀向心部擴(kuò)展，弧線間距較大。從斷口側(cè)面可見，裂紋源區(qū)存在損傷痕跡，損傷表面斷口較新鮮，判定為斷后損傷，見圖3b )。裂紋擴(kuò)展區(qū)約占斷口面積的9 0 % ，貝殼紋清晰可見。瞬斷區(qū)約占斷口面積的10% ，呈剪切特征。

綜上所述可以判斷，該螺栓的斷裂機(jī)制為疲勞斷裂。斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)面積較大，瞬斷區(qū)面積較小，說(shuō)明螺栓在服役條件下名義工作應(yīng)力較低。從擴(kuò)展弧線形狀可知，裂紋起源時(shí)存在中等應(yīng)力集中現(xiàn)象。從裂紋源A ，B 區(qū)的擴(kuò)展弧線特征及擴(kuò)展距離可見，裂紋起源于A 區(qū)并緩慢擴(kuò)展，在此過(guò)程中，B 區(qū)裂紋萌生，兩區(qū)裂紋匯合后同時(shí)向心部擴(kuò)展[1]。

1 . 2 化學(xué)成分分析

從螺栓斷口下方30 m m 處取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測(cè)結(jié)果見表1?？梢娫摂嗔崖菟ǖ幕瘜W(xué)成分符合G B / T 3077 — 2 0 1 5《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)42C r M 〇A 鋼成分的要求。

1 . 3 力學(xué)性能試驗(yàn)

在斷裂螺栓上截取拉伸試樣、沖擊試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。取樣位置位于D / 4 處（D 為螺栓直徑），試驗(yàn)結(jié)果見表2 。可見斷裂螺栓的力學(xué)性能(屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率、斷后伸長(zhǎng)率、沖擊吸收能量、洛氏硬度）符合G B / T 3098.1 —2 0 1 0《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》的技術(shù)要求。

1.4 金相檢驗(yàn)

分別從螺栓心部和裂紋源A ，B 處沿縱截面取樣，按G B / T 13298 — 2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》制樣，隨后置于光學(xué)顯微鏡下觀察[2]。裂紋源A 處的微觀形貌見圖4 和圖5。從拋光態(tài)形貌可見，在距斷口表面約200um處，存在平行于斷口的微裂紋，裂紋較寬且間隙中填滿了致密氧化皮。采用4 % (體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精溶液浸蝕后可見，R角表面存在不完全脫碳現(xiàn)象，脫碳層深度約為105um 。裂紋主要以穿晶方式擴(kuò)展，兩側(cè)未見脫碳現(xiàn)象。裂紋源B處的微觀形貌見圖6 和圖7,從拋光態(tài)形貌可見，斷口下方存在兩條微裂紋，裂紋形態(tài)崎嶇，略有分叉，且裂紋中間略寬于兩邊，其中填滿了致密氧化皮。浸蝕后可見，R角表面同樣存在不完全脫碳現(xiàn)象，裂紋穿晶擴(kuò)展，兩側(cè)未見脫碳現(xiàn)象。

根據(jù)G B / T 10561 — 2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定-標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》中的實(shí)際檢驗(yàn)A 法進(jìn)行非金屬夾雜物級(jí)別評(píng)定，螺栓心部的非金屬夾雜物級(jí)別為八0.5,30,0)，00.5，材料純凈度良好。螺栓心部顯微組織為回火索氏體+ 少量鐵素體，屬正常組織。

綜上所述可見，螺栓心部顯微組織及非金屬夾雜物級(jí)別均正常。微裂紋形態(tài)不一，略有分叉，裂紋源表面及微裂紋間隙中均存在氧化皮，說(shuō)明該裂紋可能產(chǎn)生于鐓頭成型或熱處理工序中。氧化皮致密且近乎封閉于尺角表面，可推斷出該裂紋為鐓頭成型過(guò)程中形成的氧化皮折疊類缺陷[3]。

1 . 5 低倍檢驗(yàn)

在螺栓頭部沿縱向截取試樣，在斷口下方沿橫向截取試樣，根據(jù)G B / T 226 — 2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法》，經(jīng)磨拋后使用體積比為1 :1的工業(yè)鹽酸水溶液進(jìn)行熱酸蝕試驗(yàn)。螺栓頭部流線清晰隨形，無(wú)明顯的鍛造缺陷，見圖8 。與G B / T1979—2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖》中的評(píng)級(jí)圖對(duì)比，斷裂螺栓低倍組織缺陷評(píng)定級(jí)別為中心疏松0.5級(jí)， 一般疏松0.5級(jí)，見圖9。

1.6 斷口形貌及微區(qū)成分分析

將螺栓斷口清洗后置于掃描電子顯微鏡(S E M )下進(jìn)行微觀形貌觀察W 。裂紋源A 處存在半弧形暗黑色痕跡，疲勞貝紋線由黑色部位向四周擴(kuò)展，放大后可見該部位發(fā)生了氧化，無(wú)明顯斷裂特征，見圖10。裂紋源B 處存在疲勞臺(tái)階，未見明顯缺陷，見圖1 1。裂紋擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞輝紋，輝紋細(xì)膩緊密，說(shuō)明裂紋擴(kuò)展速度較慢，呈高周疲勞特征，見圖1 2。

使用能譜儀對(duì)裂紋源A 處進(jìn)行微區(qū)成分分析，結(jié)果見圖13。裂紋源A 處半弧形黑色區(qū)域主要含有鐵和氧兩種元素，即斷口表面物質(zhì)以氧化物為主。

 

2. 分析與討論

該10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓的斷裂機(jī)制為高周疲勞斷裂，其疲勞性能主要有以下幾個(gè)影響因素[5]:

(1 ) 材料成分及性能。螺栓的化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合G B / T 3 0 9 8 . 1 _ 2 0 1 0中對(duì)10.9級(jí)螺栓的技術(shù)要求。螺栓非金屬夾雜物級(jí)別及心部顯微組織均正常，表明該螺栓的材料性能較好，對(duì)螺栓疲勞性能的影響較小。

(2 ) 表面狀態(tài)。由于疲勞裂紋一般都產(chǎn)生在零件的表面，故表面狀態(tài)的優(yōu)劣對(duì)材料疲勞性能有較大的影響。表面狀態(tài)越差，應(yīng)力集中源越多，裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的越早，疲勞強(qiáng)度越低。該斷裂螺栓在R角部位存在折疊微裂紋，降低了螺栓承載的截面積。同時(shí)，微裂紋的存在加劇了螺栓頭部R角部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而形成了早期裂紋源。

( 3 ) 加載方式及環(huán)境介質(zhì)。該螺栓用于連接風(fēng)機(jī)塔筒法蘭，長(zhǎng)期承受振動(dòng)應(yīng)力，應(yīng)力大小主要與塔筒所受風(fēng)頻有關(guān)。當(dāng)風(fēng)頻較高時(shí)，螺栓處于循環(huán)交變應(yīng)力作用下，這為疲勞裂紋的擴(kuò)展提供了有效的動(dòng)力源。

對(duì)螺栓生產(chǎn)線調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在鐓頭成型工序中，螺栓的加熱方式為局部感應(yīng)。但在加熱過(guò)程中，夾持螺栓的夾具也會(huì)升溫，因此需要對(duì)夾具進(jìn)行實(shí)時(shí)冷卻。當(dāng)外部振動(dòng)或工人操作不慎時(shí)，冷卻夾具的水可能會(huì)飛濺到螺栓上，使其頭部表面形成氧化皮。隨后在鐓頭時(shí)， 角部位的氧化皮因流線的改變折疊到螺栓次表面，形成了折疊缺陷。

 

3. 結(jié)論及建議

該10.9級(jí)螺栓斷裂機(jī)制為高周疲勞斷裂。裂紋源為頭部尺角部位的折疊微裂紋，該裂紋產(chǎn)生于螺栓鐓頭成型工序中。在服役過(guò)程中，螺栓長(zhǎng)期受交變工作應(yīng)力作用，導(dǎo)致微裂麵一步擴(kuò)展，最終造成斷裂。建議加強(qiáng)螺栓鐓頭工藝過(guò)程的控制，改變鐓頭成型工序中夾具的冷卻方式，由外部冷卻改為內(nèi)部冷卻，以減少尺角部位形成氧化皮的可能性;加強(qiáng)對(duì)服役螺栓的定期維護(hù)與檢修，防止螺栓出現(xiàn)松動(dòng)，從而減小附加交變應(yīng)力的影響。

 

 

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] 桂立豐.機(jī)械工程材料測(cè)試手冊(cè)（物理金相卷）[M]. 沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

[ 2 ] 滕巍，梁博，孫曉庭，等. 42CrM o鋼高強(qiáng)度螺栓軸向開裂失效分析[J] . 理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2017,53(4)：296-298.

[ 3 ] 陶春虎.緊固件的失效分析及其預(yù)防[M] .北京:航空工業(yè)出版社，2013.

[ 4 ] 孫洪濤.金相檢驗(yàn)[ M ] . 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2010.

[ 5 ] 孟文華，曾偉傳,顧靜青，等. 1 0 . 9 級(jí)螺栓早期疲勞斷裂失效分析[J] . 理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)），2017,53(5):365-367.