Page 32 - 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

图 ２２ 断裂螺栓宏观形貌
Fi g 敭２２ Macromor p holo gy ofthefracturedbolt
a thewhole b thefracturesurface
素成分为锌, 说明镀锌前螺栓的过渡圆角处就已经 域; 断口上较大面积的粗糙区域 SEM 形貌主要为
存在老裂纹, 在热浸镀锌时, 锌渗入到裂纹内部.断 韧窝, 此区域为螺栓最后的一次性瞬断区域.
裂源区具有沿晶特征, 存在二次裂纹; 裂纹扩展区断 ６．２．３．４ 结论
口微观形貌为准解理 ＋ 少量韧窝, 亦存在二次裂纹; ( １ )该断裂螺栓的化学成分、 拉伸性能、 宏观硬
较粗糙的瞬断区 SEM 形貌主要为韧窝. 度、 微观硬度以及同批次未断裂螺栓的楔负载抗拉
( ５ )金相分析结果表明, 螺栓材料非金属夹杂 强度均符合 １０．９ 级高强度螺栓的技术要求.
物级别不高, 存在轻微的带状组织偏析, 显微组织为 ( ２ )该断裂螺栓在热浸镀锌之前就已经存在裂
回火索氏体和少量铁素体, 断裂源区以及断裂面未 纹( 老裂纹), 老裂纹的存在大大加剧了螺栓头部与

见明显增、 脱碳现象. 杆部过渡圆角处的应力集中程度, 并改变了氢的分
６．２．３．２ 受力情况分析 布, 最终导致螺栓在预紧力的作用下发生了氢致延
安装后螺栓的旋拧扭矩 T 为 １０００N m , 扭矩 迟断裂.
系数 K 平 均 值 为 ０．１１０~０．１５０ , 螺 栓 直 径 d 为
７ 预防螺栓失效的措施
T
３３mm . 根据公式 K ＝ 可以估算, 螺栓的预紧
P d 为了避免风电机组上的螺栓发生早期失效, 可
力 P 为 ２０２~２７５kN .与断裂螺栓同批次未断裂 采取以下措施:
螺栓的楔负载抗拉强度测试结果为 １１５０ MPa ( 拉 ( １ )结构设计要合理.
断载荷为 ７９８kN ), 大于其预紧力, 表明螺栓在安装 ( ２ )加强工序间的质量检验, 确保螺栓在交付
时未过载. 使用之前本身无超出技术要求的原材料缺陷和各种
６．２．３．３ 综合分析 类型的加工制造缺陷.
能谱分析结果表明, 断裂源区的断裂面以及靠 ( ３ )装配时采用定力矩板子, 保证螺栓的预紧
近断裂面的次生裂纹中均含有较高含量的锌元素, 力在设计范围之内.
说明该断裂螺栓在热浸镀锌时就已经存在老裂纹. ( ４ )对于高强度螺栓, 在其加工制造过程中应
带有老裂纹的螺栓一旦投入使用, 不但裂纹尖端会 尽量避免接触析氢环节( 如酸洗、 电镀等), 若需经历
产生极大 的 应 力 集 中, 产 生 极 高 的 应 力 强 度 因 子 这些环节, 必 须 做 好 严 格 的 除 氢 处 理 和 氢 脆 控 制
K Ⅰ 而且还由于氢具有应力诱导扩散特性, 即便材 试验.
,
料整体氢含量不高, 但在存在应力梯度的条件下, 材 ( ５ )做好螺栓的表面防护, 确保螺栓在服役过
料中以及环境中的原子氢便会富集在裂纹尖端局部 程中不受外界环境介质的腐蚀.
区域, 当有效氢含量达到临界值时, 可以使局部区域 ( ６ )对承受交变载荷的螺栓要定期进行检查,
的表观屈服强度明显下降, 并在较低的 K Ⅰ 作用下 防止螺栓松动.
产生氢致滞后塑性并导致滞后断裂.螺栓断口上靠
８ 结束语
近断裂源区较为平坦区域的 SEM 形貌为准解理 ＋
少量韧窝, 且存在二次裂纹, 此区域为氢致 断裂区 螺栓在服役时一般情况下只承受恒定的拉应
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