摘 要:采用宏觀(guān)觀(guān)察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)及斷口分析等方法對(duì)某2 MW 風(fēng)電機(jī)組塔筒基礎(chǔ)環(huán)35CrMo鋼高強(qiáng)螺栓的斷裂原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明:斷裂螺栓表面碳含量 遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求;螺紋表面存在明顯的脫碳層組織,且螺栓表面顯微硬度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求;螺紋牙 根表面脫碳嚴(yán)重,導(dǎo)致螺栓表面硬度和力學(xué)性能降低,并在螺紋根部引起較大的組織應(yīng)力集中,使 應(yīng)力集中位置的螺紋牙根部脫碳層的晶界弱化區(qū)萌生微裂紋,內(nèi)部夾雜物含量過(guò)高促進(jìn)了裂紋擴(kuò) 展,最終導(dǎo)致螺栓疲勞斷裂。建議加強(qiáng)對(duì)高強(qiáng)螺栓材料的性能和制造質(zhì)量的監(jiān)督檢驗(yàn)。

關(guān)鍵詞:風(fēng)電機(jī)組;高強(qiáng)螺栓;疲勞斷裂;夾雜物;脫碳層

中圖分類(lèi)號(hào):TG157;TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)10-0071-04

近年來(lái),隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的不斷增 加,螺栓斷裂事故時(shí)有發(fā)生,嚴(yán)重影響了風(fēng)機(jī)和電網(wǎng) 的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。高強(qiáng)螺栓是風(fēng)電機(jī)組重要的 金屬部件,其用量很大[3-4],在基礎(chǔ)與塔筒、機(jī)架與塔 筒、塔筒各段法蘭、葉片與輪轂、輪轂與主軸等之間 起到連接、定位和密封等作用。

在某臺(tái)2 MW 機(jī) 組 定 期 檢 修 中,發(fā) 現(xiàn) 其 塔 筒 基礎(chǔ)環(huán) 外 側(cè) 螺 栓 斷 裂,斷 裂 螺 栓 材 料 為 35CrMo 鋼,尺寸(直徑×長(zhǎng)度)為 42 mm×230 mm,性 能 等級(jí)為10.9級(jí)。該機(jī)組于2013年6月投產(chǎn)運(yùn)行, 目前已累計(jì)運(yùn)行8a。為了研究螺栓斷裂的原因, 筆者對(duì)該斷 裂 螺 栓 進(jìn) 行 了 一 系 列 理 化 檢 驗(yàn),并 提 出預(yù)防措施。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀(guān)觀(guān)察

斷裂螺栓宏觀(guān)形貌如圖1所示,由圖1可知:螺 栓斷裂于螺紋牙根部,斷口整體呈暗灰色,裂紋起始 于螺紋邊沿,初始裂紋源、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)[5]特征清晰可辨;除裂紋源區(qū),斷面整體較為平齊,基本與螺 栓長(zhǎng)度方向垂直,未見(jiàn)明顯的塑性變形;斷口附近及 螺栓整體未見(jiàn)明顯機(jī)械損傷的痕跡。

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂螺栓表面和心部進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié) 果如表1所示。由表1可知:螺栓表面碳含量?jī)H為 0.009%,遠(yuǎn)低于 GB/T3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》 的要求;螺 栓 心 部 的 其 他 元 素 含 量 均 符 合 該 標(biāo) 準(zhǔn) 要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

從 螺 栓 斷 口 縱 截 面 位 置 處 截 取 試 樣,在 DMI5000M 型光學(xué)顯微鏡下觀(guān)察,其顯微組織形貌 如圖2所示。由圖2可知,螺栓斷口的顯微組織為 回火索氏體,并伴有少量塊狀鐵素體。對(duì)螺栓螺紋 脫碳層進(jìn)行觀(guān)察,其顯微組織形貌如圖3所示。由 圖3可知:螺紋表面存在明顯的脫碳現(xiàn)象,其深度較 為均勻,平均脫碳層深度約為23.5μm,高于 GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》 要求的脫碳層深度最大值15μm。

利用光學(xué)顯微鏡對(duì)拋光態(tài)試樣進(jìn)行觀(guān)察,發(fā)現(xiàn) 其顯微組織中含有兩種形態(tài)夾雜物,分別為條狀和 球狀(見(jiàn)圖 4)。依據(jù) GB/T10561—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》, 條狀?yuàn)A雜物為 B 類(lèi),球狀?yuàn)A雜物為 D 類(lèi),B 類(lèi)夾雜 物主要呈直線(xiàn)分布,部分夾雜物聚集長(zhǎng)大且相互交 叉排列,D類(lèi)夾雜物呈不規(guī)則狀分布。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),B 類(lèi)夾雜物單視場(chǎng)下總長(zhǎng)度約為471μm,D 類(lèi)夾雜物 總數(shù)量為35個(gè),B 類(lèi)夾雜物評(píng)級(jí)為2.5級(jí),D 類(lèi)夾 雜物評(píng)級(jí)為3級(jí)。

1.4 斷口分析

用超 聲 波 清 洗 螺 栓 斷 口 試 樣,在 TESCAN VEGA3LM 型掃描電鏡(SEM)下觀(guān)察。螺栓斷口 的SEM 形貌如圖5所示。由圖5可知:斷口呈典型 的脆性斷裂特征,斷面分為裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)3個(gè)典型區(qū)域。圖5b)為裂紋源區(qū) A 附近的微觀(guān) 形貌,裂紋形成于螺紋牙根處,有多源開(kāi)裂特征;圖 5c)為擴(kuò)展區(qū)B附近的微觀(guān)形貌,擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)大量的 孔洞以及裂紋擴(kuò)展臺(tái)階,這些擴(kuò)展臺(tái)階呈不同方向 的同心圓弧分布;圖5d)為瞬斷區(qū) C 附近的微觀(guān)形 貌,斷面形貌比較粗糙,存在撕裂棱以及二次裂紋。 為進(jìn)一步分析螺栓斷裂原因,從斷口裂紋源區(qū)至瞬 斷區(qū)方向縱向截取試樣,并對(duì)其進(jìn)行觀(guān)察,結(jié)果如圖 6所示,在裂紋源區(qū)可見(jiàn)沿著螺紋牙根向內(nèi)部擴(kuò)展 的微裂紋。

1.5 顯微硬度測(cè)試

利用402MVD型硬度計(jì)在螺栓截面外表面及 其心部位置進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,各測(cè)試5點(diǎn)硬度再 取平均值,結(jié)果如表2所示。由表2可知:螺栓表面 顯微硬度平均值為133 HV,螺栓心部顯微硬度平 均值為368HV,螺栓表面硬度明顯低于心部硬度。 根據(jù) GB/T3098.1—2010要求,10.9級(jí)螺栓顯微硬 度為320~380HV,斷裂螺栓表面顯微硬度不符合 標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 綜合分析

化學(xué)成分分析結(jié)果表明:斷裂螺栓心部位置各 元素含量均符合 GB/T3077—2015的要求,但是螺 栓表面碳含量?jī)H為 0.009%,遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。螺 栓心部截面顯微組織為回火索氏體,伴有少量塊狀鐵素體。螺紋表面存在明顯的脫碳層組織,這與化 學(xué)成分 分 析 結(jié) 果 一 致,其 平 均 脫 碳 層 深 度 約 為 23.5μm,遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求。顯微硬度測(cè)試結(jié)果顯 示,螺栓截面心部顯微硬度約為368HV,而螺栓表 面顯微硬度約為133 HV,進(jìn)一步證明了螺栓表面 發(fā)生了嚴(yán)重的脫碳,螺栓表面顯微硬度不符合標(biāo)準(zhǔn) 要求。表面脫碳層的形成會(huì)降低螺紋表面材料的性 能,尤其在螺紋牙根處,脫碳層組織與基體組織之間 膨脹系數(shù)的不同會(huì)在螺紋根部引起較大的應(yīng)力集 中,使螺紋表面形成微裂紋[6-7]。

為了改善螺栓顯微組織,得到理想的回火索氏 體組織,在機(jī)械加工完成后要對(duì)螺栓進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理, 以提高螺栓的強(qiáng)度和抗疲勞性能[8-9]。斷裂螺栓顯 微組織中含有過(guò)多線(xiàn)性分布的條狀?yuàn)A雜物和無(wú)規(guī)則 分布的球狀?yuàn)A雜物。有研究[10-11]表明:夾雜物與基 體的彈塑性存在較大差異,夾雜物的存在破壞了金 屬基體的均勻性和連續(xù)性;另外,夾雜物周?chē)仔纬?應(yīng)力集中,從而引起夾雜物本身開(kāi)裂或使基體與夾 雜物界面處開(kāi)裂[12],使夾雜物發(fā)生破碎、脫落而形 成微小孔洞,螺栓承載面積減小,其服役性能降低。 斷口上的擴(kuò)展區(qū)占據(jù)大部分面積,擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)明顯 大量的微小孔洞以及裂紋擴(kuò)展臺(tái)階,直至瞬斷區(qū)。 經(jīng)過(guò)分析可知,螺栓的斷裂是服役8a以來(lái)內(nèi)部損 傷不斷積累引起的,而非瞬時(shí)過(guò)載斷裂。

一般情況下,螺栓受力較復(fù)雜,特別是基礎(chǔ)環(huán)與 第一節(jié)塔筒連接的高強(qiáng)螺栓,其不僅要承受風(fēng)力變 化時(shí)產(chǎn)生的軸向應(yīng)力和彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力,還要 承受扭轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力,當(dāng)螺栓安裝擰緊力不 均勻時(shí),受力較大的螺栓在三向應(yīng)力作用下受到循環(huán)沖擊載荷,在螺紋根部脫碳層的晶界弱化區(qū)產(chǎn)生 微裂紋,并逐漸擴(kuò)展直至最后發(fā)生疲勞斷裂[13-15]。

3 結(jié)論與建議

(1)螺紋牙根表面脫碳嚴(yán)重,導(dǎo)致螺栓表面硬 度和抗拉強(qiáng)度降低,并在螺紋根部引起較大的應(yīng)力 集中,在循環(huán)沖擊載荷作用下,應(yīng)力集中位置的螺紋 牙根部脫碳層的晶界弱化區(qū)萌生微裂紋,內(nèi)部夾雜 物含量過(guò) 高 促 進(jìn) 了 裂 紋 擴(kuò) 展,最 終 導(dǎo) 致 螺 栓 疲 勞 斷裂。

(2)建議加強(qiáng)高強(qiáng)螺栓材料性能和制造質(zhì)量的 檢驗(yàn),嚴(yán)把入廠(chǎng)質(zhì)量關(guān),防止螺栓存在表面脫碳層深 度過(guò)大等問(wèn)題。

參考文獻(xiàn):

[1] 馬希磊,李彥楠,孫亮.塔筒螺栓斷裂原因分析及解決 措施研究[J].風(fēng)能,2022(2):68-71.

[2] 譚彥顯,黃珂,羅書(shū)徑.風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片連接用高強(qiáng)度 螺栓斷 裂 原 因 [J].理 化 檢 驗(yàn) (物 理 分 冊(cè)),2021,57 (7):52-56.

[3] 齊濤,楊楊,董姝言,等.MW 級(jí)風(fēng)電機(jī)組偏航軸承連 接螺栓 的 強(qiáng) 度 計(jì) 算 [J].可 再 生 能 源,2017,35(2): 285-289.

[4] 張濤,喬欣,謝利明,等.1.5 MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架高 強(qiáng)連接螺栓斷裂研究[J].金屬熱處理,2019,44(4): 247-250.

[5] 蔡珣.材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)[M].上海:上海交通大學(xué) 出版社,2010.

[6] 溫愛(ài)玲,路文娟,王生武.35CrMo螺栓斷裂分析[J]. 理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2014,50(9):674-676.

[7] 張君,溫寶峰,趙江濤,等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒緊固用高 強(qiáng)螺栓斷 裂 失 效 分 析 [J].理 化 檢 驗(yàn) (物 理 分 冊(cè)), 2014,50(12):933-935.

[8] 張先鳴.緊固件螺栓調(diào)質(zhì)的金相檢驗(yàn)[J].金屬制品, 2013,39(5):51-55.

[9] 莫精忠,楊周,毛向陽(yáng),等.正火預(yù)處理對(duì)42CrMoVNb 高強(qiáng)度螺栓鋼耐延遲斷裂性能的影響[J].上海金屬, 2020,42(6):5-8,14.

[10] 宋嘯虹,蔣曉東,董雷云,等.新氫壓縮機(jī)缸蓋螺栓斷 裂機(jī)理及 對(duì) 策 [J].腐 蝕 與 防 護(hù),2017,38(11):894- 897.

[11] 趙勇,蔣濤,張炳奇,等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)漿葉連接螺栓斷 裂原因[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2020,56(10):54- 57.

[12] 姚兵印,張志博,馬劍民,等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片連接 高強(qiáng)螺栓的斷裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)), 2016,52(5):339-344.

[13] 劉永超,郭德瑞,李帥,等.風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓的失 效形式分析[J].太陽(yáng)能,2021(1):44-50.

[14] 王明軍,王獎(jiǎng)勵(lì),王帥.風(fēng)電機(jī)組葉片連接螺栓斷裂分 析[J].東方汽輪機(jī),2020(3):69-72.

[15] 姜招喜,孫國(guó)峰,馮 梅.風(fēng) 電 葉 片 螺 栓 斷 裂 失 效 分 析 [J].熱加工工藝,2015,44(18):243-244.

<文章來(lái)源 > 材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 58卷 > 10期 (pp:71-74)>