Page 31 - 理化检验-物理分册2019年第六期
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王 荣: 风能发电机组结构件的失效分析与预防
示.断 裂 的 螺 栓 强 度 等 级 为 １０．９ 级, 材 料 为 裂面, 为首断裂件, 如图 ２０ 所示; 其他断裂螺栓断口
４２CrMoA 钢, 规格为 M３６ mm .现场勘察 时发现 均比较粗糙, 存在明显的弯曲变形和塑性变形特征,
有 ４ 个螺栓的断口上存在与螺栓轴向大致垂直的断 为后断裂件.
图 ２０ 塔筒连接螺栓断口宏观形貌
Fi g 敭２０ Macromor p holo gy offracturesurfaceoftheconnectin gboltsforthetowerbarrel
肉眼观察可见, 图 ２０ 中 ４ 个螺栓的断口特征基 为２．９４N ( ０．３k g f );“ E ” 和“ H１ 可依据螺栓的强度
”
本相似, 断口上均包含了两个特征比较明显的区域. 等级和 螺 距 从 GB / T３０９８．１－２０１０ 中 的 表 １８ 获
一部分断口大致与螺栓轴线方向垂直, 相对较为平 得; E 为螺纹未脱碳层的高度, mm ; H１ 为最大实体
坦、 细腻, 为断裂起始区域; 另一部分断口相对较为 条件下外螺纹的牙型高度, mm .
粗糙, 断裂面大致与轴线方向成 ４５° 角, 具有剪切特 未脱碳判据为: H V ２ ) ≥H V １ ) －３０ ; 未增碳
(
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征, 为最后的一次性瞬断区域. 判据为: H V ３ ≥H V １ －３０ .
扫描电镜( SEM ) 形貌观察结果显示, ４ 个断口 ６．２．２ 氢脆型断裂的诊断
上相对较为平坦的区域均存在疲劳辉纹, 与轴线成 关于氢脆型断裂的诊断可参阅文献[ １０ ].
４５° 角的区域断口形貌为韧窝.可见引发该起事故 ６．２．３ 氢脆型断裂分析举例
的原因是基础连接螺栓发生了疲劳断裂. 某风电机组的连接螺栓强度等级为 １０．９ 级, 规
６．２ 氢脆型断裂 格为 M３３mm×２ ８０mm , 材料为 ４２CrMo 钢, 表面
６．２．１ 氢脆型断裂的影响因素 镀锌.该螺栓的加工流程为: 原材料拉拔 → 下料 →
我国著名的物理冶金学家李薰于 ２０ 世纪 ４０ 年 倒角 → 热锻 → 头部倒角 → 挤压中径 → 挤压螺纹 → 热
代在英国从事钢中氢的研究时, 找出了钢中氢含量 处理 → 喷砂 → 热浸镀锌( 无酸洗过程).该螺栓安装
与材料强度及发裂之间的关系, 即当钢中氢含量为 时的扭矩要求为 １０００N m , 每台机器安装 ８４ 个.
２m g１００g 钢时, 就足以降低钢的塑性.可是, 在 安装２d ( 天) 后检查时发现螺栓有断裂现象, 最严重
/
的一台机器上断裂螺栓数量为 ７ 个, 其他几台都是
一般 情 况 下 冶 炼 的 钢, 其 氢 含 量 均 为 ４~６ m g /
１００g 钢左右.可见钢的氢脆是难以避免的, 这与 ２ 个或 １ 个.螺栓断裂位置相同, 基本上都位于头
钢的强度水平、 内应力大小以及晶粒取向有关. 部与杆部的过渡圆角处, 如图 ２２a ) 所示.
６．２．２ 螺栓的增、 脱碳控制 ６．２．３．１ 理化检验结果
脱碳会造成表面疲劳强度降低, 容易萌生疲劳 ( １ )化学成分分析结果表明, 断裂螺栓的化学
裂纹源.增碳会造成表面强度升高, 使螺栓的氢脆 成分符合 GB / T３０７７－１９９９ 对 ４２CrMo 钢成分的
型断裂敏感性增强. GB / T３０９８．１－２０１０ 对高强度 技术要求, 也符合 GB / T３０９８．１－２０００ 中对 １０．９ 级
螺栓的增碳和脱碳检测都进行了 规定, 如图 ２１ 所 螺栓材料的技术要求.
( ２ )该批螺栓的拉伸性能、 宏观硬度、 楔负载抗
示.图 ２１ 中,“ １ ”“ ２ ”“ ３ ” 为维氏硬度测试点, 试验力
拉强度( 拉断载 荷) 以 及 显 微 硬 度 等 均 符 合 GB / T
３０９８．１－２０００ 中对 １０．９ 级螺栓的技术要求.
( ３ )断口宏观分析结果表明, 裂纹起源于螺栓
头部与杆部的过渡圆角处, 裂纹源区颜色泛白, 存在
数条台阶, 具有多源断裂特征, 如图 ２２b ) 中标识区
图 ２１ 脱碳试验和增碳试验的硬度测试位置 域所示.
Fi g 敭２１ Hardnesstestlocationsofdecarbonizationtest ( ４ )断口微观分析结果表明, 裂纹源区断面存
andcarburizationtest
在 异物覆盖层, 能谱分析结果表明该覆盖层主要元
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