Page 26 - 理化检验-物理分册2019年第六期

王 荣: 风能发电机组结构件的失效分析与预防

表 ２ 螺栓的强度等级与其公称直径和质量
４ 高强度螺栓的失效特点
Tab敭２ Stren g thg radeofboltsandtheirnominaldiameterandq ualit y
强度等级 １ ) 公称直径 公称质量
风电机组上使用的高强度螺栓的强度等级一般
公称抗拉强度 / MPa
４．８ ４００ １．７D ３m
有 ８．８ , ９．８ , １０．９ , １２．９ 级 ４ 个级别, 通常为调质处理
６．８ ６００ １．４D ２m
的碳钢或中碳合金钢, 其中 １０．９ 级的高强度螺栓应
１０．９ １０００ １．１D １．２m
用较多.高强度螺栓属于缺口零件, 具有很高的缺
１２．９ １２００ D m
口敏感性, 容 易 在 缺 口 应 力 集 中 部 位 发 生 氢 脆 型
１ )参见 GB / T３０９９．１－１９９８ 中的表 ３
断裂 [ １ ] .
随着强度等级的降低, 螺栓的公称直径和质量都在 虽然螺栓是最简单的机械零件, 但使用在关键
增加, 特别是质量几乎成倍增加.螺栓直径增加就 部位的螺栓如果发生了断裂, 就会引发严重的事故.
要求与其配合的部位有足够的尺寸, 这不利于设备 从图 ４ 可以看出, 螺栓的断裂几乎涉及了机械零部
的小型化设计; 另外风电机组上有上千个螺栓, 单个 件全部的断裂失效形式.
螺栓质量的增加也会大大增加设备的整体质量. 表３中列出了螺栓的主要失效形式及失效原因.

图 ４ 螺栓的服役环境、 受力状态及其失效形式
Fi g 敭４ Theserviceenvironments stressstatesandfailuret yp esofthebolts
表 ３ 螺栓的主要失效形式及原因
Tab敭３ Themainfailuret yp esandcausesofthebolts
失效形式 失效原因
韧性断裂 ① 强度等级过低; ② 实际负荷过大
脆性断裂 ① 成分不符合要求; ② 表面增碳; ③ 设计不当, 硬度过高;
氢脆型断裂 ① 原材料氢含量过高; ② 生产制造过程中吸入过量的氢; ③ 环境中的氢进入; ④ 强度等级过高
延迟型断裂 应力腐蚀断裂 ① 生产过程中产生的残余应力过大; ② 装配时预紧力过大; ③ 腐蚀环境的影响
液态金属脆断 ① 生产过程中引入低熔点金属; ② 服役温度过高
腐蚀失效 ① 设计不当, 表面防护层不合理; ② 腐蚀环境的影响
高温条件下的断裂失效 ① 蠕变失效; ② 二次回火致脆失效
疲劳失效 ① 预紧力不合适; ② 表面粗糙度过高; ③ 加工过程中产生的残余应力过大

寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现
５ 螺栓的结构特点和受力特点
象, 多出现于构件的尖角、 孔洞、 缺口、 沟槽、 有刚性
５．１ 应力集中 约束处及其邻近位置.应力集中容易引发裂纹的产
应力集中是指受力构件由于几何形状、 外形尺 生, 成为断裂失效的导火索, 有时可直接引发断裂

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