风电螺栓检测试验及断裂失效分析

风电机组的基础套件包括：塔筒、机舱、轮毂、叶片，风电机组基础。以及叶片链接的关键部件。这些零部件常常使用螺纹规格在M30以上的高强度螺栓进行链接。螺栓紧固件的性能关乎着，整台风电机组的使用性能。但是目前国内的高强度螺栓相应标准往往出自于不同的部门。有的由于标准的年代久远已经跟不上目前的形式。所以在日常检测中，现场会出现大量的资质问题。

风电高强螺栓的主要连接方式有以下三种：高强度螺栓、螺钉连接。组成由螺栓和平垫圈组成。高强度螺栓由六角头螺栓、一个螺母和两个平垫圈组成。高强度螺栓连接的构成是1个螺栓、1个螺母以及一个平垫圈构成。因此高强度螺栓也叫双头螺栓或者双头螺柱。

不同或者相同的风电主机厂家，风电螺栓的规格和数量与扭矩值各不相同。进行安装时需要以具体的作业指导书为准。

常见的螺栓以及锚栓链接副，都有抽检项目以及抽检数量规定。GB/T1231-2009规定，同批高强度螺栓的最大数量为3000套，《结构钢高强度螺栓技术规程》中JGJ 82-2011则指出高强度螺栓连接副进场检验属于复验。最大检验批次同样不能超过3000套，且最大批次不宜超过两个批次为6000套，需要注意的是该规范与GB/T 1231-2009中螺栓试验参数仅适用于M12-M30之间的高强度螺栓，并且不适用于双头螺柱。

《风电机组塔架用高强度螺栓连接副》NB/T31082－2016检验规则中6.7规定“抽检以螺栓连接副批次为单位，同批螺栓连接副最大数量为5000套。”该规范中螺栓试验参数规格为M36－M64。

综上所述，建议螺纹规格M36及以上的高强螺栓进场后每批次抽检不超过5000套；螺纹规格M36以下的每批次抽检不超过6000套。

根据相关规范要求，高强螺栓抽检试验一般包括以下项目：螺栓楔负载试验、螺母保证荷载试验、螺母硬度试验、垫圈硬度试验、螺栓连接副扭矩系数试验，上述试验抽检数量均为8件。螺纹脱碳试验试件数量为3件。螺栓送检时应附制造厂的质量检验出厂报告，报告中应包括批号、规格、数量、材料、炉号、化学成分、试件拉力试验和冲击试验数据、实物机械性能试验数据、连接副扭矩系数测试数据等内容。

需要注意的是润滑剂应随螺栓一起送试验室，并严格按照安装指导手册要求进行涂敷。某风电场高强螺栓送检时，未告知试验人员在垫片与螺母、螺栓头接触面涂敷润滑剂，致使扭矩系数超出规范规定的平均值0.110～0.150范围。重新送检并按照安装指导手册要求涂敷润滑剂后检测合格。《风力发电机组高强螺纹连接副安装技术要求》GB/T 33628－2017（2017年5月12日发布，2017年12月1日实施）指出，抗咬合剂推荐使用二硫化钼含量大于30%的润滑剂。螺栓外螺纹润滑剂涂敷厚度约为螺纹深度的1/2，螺母及垫片接触面上的润滑剂涂敷厚度约为0.1mm。

高强螺纹连接副安装指导要求

风电机组内高强螺纹连接副安装程序各个风电机组厂家会有所不同，某风电机组厂家螺栓安装指导程序如下：

首先用快枪1000N.m完成初拧，再按扭矩设计值75%米字形对称分区复拧，最后终拧至扭矩设计值。GB/T 33628－2017中规定三次施拧扭矩值分别为10%扭矩值、50%扭矩值、100%扭矩值。一般情况下企业标准高于国家标准，建议按风电机组厂家指导手册执行。

根据《钢结构工程施工质量验收规程》GB 50205－2001中规定，高强度螺栓终拧后螺栓丝扣应外露2～3扣，其中允许有10%的螺栓丝扣外露1扣或者4扣。

风电机组螺栓的断裂类型

通过受力分析，结合前述文献，不难看出，风电机组螺栓断裂的主要形式是过载断裂和疲劳断裂。过载断裂是由外荷载引起的螺栓应力因超过其设计强度而形成的断裂，宏观断口形状分为3 个区：纤维区、放射区和剪切唇。疲劳断裂是由交变荷载引起的断裂，宏观断口形状也分为3 个区：裂纹源区、扩展区和瞬断区（见图1 ) 。

 引起风电机组螺栓断裂的原因分析

引起风电机组螺栓断裂的因素有外因和内因之分（见图2 )。

外部因素

外部因素除外荷载过大以外，还包括安装时对预紧力的不当控制，例如：扳手力矩误差导致预紧力施加不合理；螺栓拧紧顺序不当导致整圈螺栓预紧力分布不均；润滑剂选用不当或涂抹不当导致力矩系数与设计产生偏差；安装工艺执行不到位；等等。为了消除外部因素，用户除了要制定并实施合理的安装工艺以外，还要加强与风机供应商和螺栓制造厂的沟通，做好技术交底。

 内部因素

内部因素都产生于制造过程，包括原材料因素、机加工质量和热处理质量。

( 1 ) 原材料因素可细分为脱碳层、材料化学成分、冲击韧性、夹杂物等。

① 脱碳层的影响。热处理中可能会造成脱碳，全脱碳层的硬度和疲劳强度都会下降，在交变荷载作用下将在全脱碳层最大深度处产生应力集中。某风电机组塔筒螺栓（规格M2 4、材质3 5 CrMo) 仅投运1 个月就出现多根螺栓螺纹处断裂，经失效分析发现断裂部位处于全脱碳层最深处。

② 材料化学成分的影响。如材料中的一些强化元素如Mn的含量超标将对裂纹的产生和扩展有一定影响。

③ 冲击韧性的影响。材料的冲击功偏低将加快螺栓在应力作用下裂纹的产生和扩展速度。

④ 夹杂物的影响。材料中的夹杂物破坏了基体的连续性，在受力情况下夹杂物周围形成应力集中。某风电场多台3 M W 机组运行1.5 a 后频繁发生螺栓断裂，分析结果表明，断裂原因与材料中存在大量的氧化硅夹杂物有关。

( 2 ) 机加工质量因素主要表现在以下3 个方面。

① 机加工留下的刀痕导致应力集中。如某风电机组材质4 2 CrMoA发生疲劳断裂，分析其原因是机加刀痕在滚丝机加工螺纹后未消除，导致刀痕在螺纹底部产生应力集中形成裂纹源。

② 金属流线破坏。某机组螺栓由于螺纹加工未采用滚丝导致金属流线破坏，切断了金属的流线，降低了强度导致疲劳断裂。

③ 加工精度、表面粗糙度不够导致螺纹根部应力集中。

( 3 ) 热加工质量因素主要表现在以下2 个方面。

① 热处理工艺执行不到位，导致材料组织性能不过关。这类问题多发生在安装阶段，如某风电机组安装中螺栓断裂，经光学显微镜观察到心部存在少量小块状铁素体，经分析是调质时加热不足造成，与网带炉的装料量过大、装料不均匀、运行速度大等有直接关系。某风电机组螺栓断裂后经金相分析发现螺栓显微组织为上贝氏体组织，热处理组织不正常，力学性能不足导致失效。

② 热锻加工时控制不到位。如六角螺栓在热锻成型后应对六角头R 角倒角，以防止后续热处理因应力集中而产生裂纹，此时若破坏金属流线，则会降低强度。