摘 要:采用宏觀觀察、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗及斷口分析等方法對某2 MW 風電機組塔筒基礎環(huán)35CrMo鋼高強螺栓的斷裂原因進行分析。結果表明:斷裂螺栓表面碳含量 遠低于標準要求;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準要求;螺紋牙 根表面脫碳嚴重,導致螺栓表面硬度和力學性能降低,并在螺紋根部引起較大的組織應力集中,使 應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)部夾雜物含量過高促進了裂紋擴 展,最終導致螺栓疲勞斷裂。建議加強對高強螺栓材料的性能和制造質(zhì)量的監(jiān)督檢驗。

關鍵詞:風電機組;高強螺栓;疲勞斷裂;夾雜物;脫碳層

中圖分類號:TG157;TG115.5 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)10-0071-04

近年來,隨著國內(nèi)風電機組裝機容量的不斷增 加,螺栓斷裂事故時有發(fā)生,嚴重影響了風機和電網(wǎng) 的安全穩(wěn)定運行[1-2]。高強螺栓是風電機組重要的 金屬部件,其用量很大[3-4],在基礎與塔筒、機架與塔 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2 MW 機 組 定 期 檢 修 中,發(fā) 現(xiàn) 其 塔 筒 基礎環(huán) 外 側 螺 栓 斷 裂,斷 裂 螺 栓 材 料 為 35CrMo 鋼,尺寸(直徑×長度)為 42 mm×230 mm,性 能 等級為10.9級。該機組于2013年6月投產(chǎn)運行, 目前已累計運行8a。為了研究螺栓斷裂的原因, 筆者對該斷 裂 螺 栓 進 行 了 一 系 列 理 化 檢 驗,并 提 出預防措施。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂螺栓宏觀形貌如圖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 栓長度方向垂直,未見明顯的塑性變形;斷口附近及 螺栓整體未見明顯機械損傷的痕跡。

1.2 化學成分分析

對斷裂螺栓表面和心部進行化學成分分析,結 果如表1所示。由表1可知:螺栓表面碳含量僅為 0.009%,遠低于 GB/T3077—2015 《合金結構鋼》 的要求;螺 栓 心 部 的 其 他 元 素 含 量 均 符 合 該 標 準 要求。

1.3 金相檢驗

從 螺 栓 斷 口 縱 截 面 位 置 處 截 取 試 樣,在 DMI5000M 型光學顯微鏡下觀察,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。對螺栓螺紋 脫碳層進行觀察,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。

利用光學顯微鏡對拋光態(tài)試樣進行觀察,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(見圖 4)。依據(jù) 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》, 條狀夾雜物為 B 類,球狀夾雜物為 D 類,B 類夾雜 物主要呈直線分布,部分夾雜物聚集長大且相互交 叉排列,D類夾雜物呈不規(guī)則狀分布。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),B 類夾雜物單視場下總長度約為471μm,D 類夾雜物 總數(shù)量為35個,B 類夾雜物評級為2.5級,D 類夾 雜物評級為3級。

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)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)3個典型區(qū)域。圖5b)為裂紋源區(qū) A 附近的微觀 形貌,裂紋形成于螺紋牙根處,有多源開裂特征;圖 5c)為擴展區(qū)B附近的微觀形貌,擴展區(qū)可見大量的 孔洞以及裂紋擴展臺階,這些擴展臺階呈不同方向 的同心圓弧分布;圖5d)為瞬斷區(qū) C 附近的微觀形 貌,斷面形貌比較粗糙,存在撕裂棱以及二次裂紋。 為進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,并對其進行觀察,結果如圖 6所示,在裂紋源區(qū)可見沿著螺紋牙根向內(nèi)部擴展 的微裂紋。

1.5 顯微硬度測試

利用402MVD型硬度計在螺栓截面外表面及 其心部位置進行顯微硬度測試,各測試5點硬度再 取平均值,結果如表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級螺栓顯微硬 度為320~380HV,斷裂螺栓表面顯微硬度不符合 標準要求。

2 綜合分析

化學成分分析結果表明: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 栓表面碳含量僅為 0.009%,遠低于標準要求。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 學成分 分 析 結 果 一 致,其 平 均 脫 碳 層 深 度 約 為 23.5μm,遠高于標準要求。顯微硬度測試結果顯 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,進一步證明了螺栓表面 發(fā)生了嚴重的脫碳,螺栓表面顯微硬度不符合標準 要求。表面脫碳層的形成會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)的不同會在螺紋根部引起較大的應力集 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,在機械加工完成后要對螺栓進行調(diào)質(zhì)處理, 以提高螺栓的強度和抗疲勞性能[8-9]。斷裂螺栓顯 微組織中含有過多線性分布的條狀夾雜物和無規(guī)則 分布的球狀夾雜物。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,夾雜物周圍易形成 應力集中,從而引起夾雜物本身開裂或使基體與夾 雜物界面處開裂[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。 斷口上的擴展區(qū)占據(jù)大部分面積,擴展區(qū)可見明顯 大量的微小孔洞以及裂紋擴展臺階,直至瞬斷區(qū)。 經(jīng)過分析可知,螺栓的斷裂是服役8a以來內(nèi)部損 傷不斷積累引起的,而非瞬時過載斷裂。

一般情況下,螺栓受力較復雜,特別是基礎環(huán)與 第一節(jié)塔筒連接的高強螺栓,其不僅要承受風力變 化時產(chǎn)生的軸向應力和彎矩產(chǎn)生的彎曲應力,還要 承受扭轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的剪切應力,當螺栓安裝擰緊力不 均勻時,受力較大的螺栓在三向應力作用下受到循環(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,并逐漸擴展直至最后發(fā)生疲勞斷裂[13-15]。

3 結論與建議

(1)螺紋牙根表面脫碳嚴重,導致螺栓表面硬 度和抗拉強度降低,并在螺紋根部引起較大的應力 集中,在循環(huán)沖擊載荷作用下,應力集中位置的螺紋 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 高 促 進 了 裂 紋 擴 展,最 終 導 致 螺 栓 疲 勞 斷裂。

(2)建議加強高強螺栓材料性能和制造質(zhì)量的 檢驗,嚴把入廠質(zhì)量關,防止螺栓存在表面脫碳層深 度過大等問題。

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