Page 30 - 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

６．１．２ 机组上塔筒法兰连接螺栓的受力特点 都有可能引起螺栓松动 [ １２ ] .
风电机组一般都安装于沿海地区、 较高的山头 ６．１．４ 疲劳断裂分析举例
或者比较空旷的区域.根据某风力发电场提供的数 ６．１．４．１ 案例 １
据 [ ８ ] , 风场全年大风天气多, 且风速变化大, 风速最 某风电机组设备上的连接螺栓在使用过程中发
低 ２０m s , 最高 ２８m s , 可见塔筒法兰螺栓将 生了断裂, 断裂位于螺栓头部与杆部的过渡处, 如
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承受较大的交变载荷.由于风电机组的塔体一般都 图 １７ 所示; 虽然螺栓表面可见黄褐色锈蚀痕迹, 但
比较高, 使得基础连接螺栓常年处于较大的交变应 断口比较洁净, 呈金属断裂后的银灰色, 如图 １８ 所
力作用之下, 这也是基础法兰连接螺栓容易发生疲 示.断口分析结果表明, 螺栓断裂性质为多源双向
劳断裂的主要原因之一. 弯曲疲劳断裂 [ １３ ] .
塔筒内法兰上的连接螺栓在无风的情况下承受
恒定的工作载荷, 如图 １５ 所示.有风时, 塔筒的迎
风面会承受一定的压力.由于塔筒外壁、 塔筒法兰
和法兰连接螺栓的特殊结构和相互制约, 水平方向
的风力可分解为沿z 方向( 垂直方向) 的拉应力 F z
和沿x 方向( 水平方向) 的剪切应力 F x F z 的作用
.
结果将使得法兰连接螺栓产生弯曲变形, 数字模拟
计算结果表明螺栓弯曲变形时, 最大应力点位于与
图 １７ 失效螺栓宏观形貌
螺母配合部分的第一扣螺纹处以及螺栓头部与杆部
Fi g 敭１７ Macromor p holo gy ofthefailurebolts
的过渡处, 如图 １６ 所示 [ ９ ] .

图 １５ 塔筒环形法兰连接示意图 图 １８ 螺栓断口宏观形貌
Fi g 敭１５ Schematicdia g ramofrin g flan g econnectionoftowerbarrel Fi g 敭１８ Macromor p holo gy offracturesurfaceofthebolt
现场勘察时发现, 该设备上的大部分螺栓已经

松动.设备运转时的振动会使螺栓承受交变载荷,
从而导致螺栓发生疲劳断裂.
６．１．４．２ 案例 ２
某风电机组因塔筒与基础之间的连接螺栓发生
断裂导致了倒塌事故 [ ９ ] , 事故现场情况如图 １９ 所

图 １６ 螺栓等效应力计算结果
Fi g 敭１６ Calculationresultsofe q uivalentstressofthebolt
６．１．３ 疲劳断裂的诊断
关于疲劳断裂的诊断可参阅文献[ １０Ｇ１１ ].螺
栓的疲劳断裂一般都与预紧力或螺栓松动有关.导
致螺栓松动的原因较多, 如: 设备运行过程 中的振
动、 高低载荷变化、 冲击, 以及安装时预紧力过低、 未 图 １９ 倒塌的机组塔筒形貌
采取适当的防松措施、 装配方法不当等.这些因素 Fi g 敭１９ Thecolla p sedunittowerbarrel
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