风电用高强度螺栓常见断裂原因分析.docx

风电用高强度螺栓常见断裂原因分析 风电用高强度螺栓常见断裂原因分析 吉昌兵(东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000)摘 要： 为减少风场常用高强度螺栓产生断裂失效， 通过金相检验、 拉伸性能检测、 硬度测定、 扫描电镜断口检测等手 段， 对几种常见的失效原因进行分析， 总结出风电用高强度螺栓断裂的常见原因有： 螺栓机械性能不合格、 螺栓机械加工 质量不符合要求、 热处理制度不合理、 加工工序不合理、 原材料存在碳偏析、 装配扭矩过大、 表面脱碳等。关键词： 螺栓， 机械性能， 机械加工， 扭矩， 脱碳中图分类号： TG156文献标识码： B文章编号： 1674-9987 （2014） 01-0060-05DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2014.01.011Common Fracture Reasons Analysis of High StrengthBolts Used for Wind PowerJi Changbing（Dongfang Turbine Co., Ltd., Deyang Sichuan, 618000）Abstract： In order to reduce the fracture failure of high strength bolts commonly used in wind field, we analyzed the reason of sev- eral common fracture failure by fracture detection means: metallographic examination, tensile properties testing, hardness testing, and scanning electron microscopy （SEM）. This paper summarized that main fracture reasons of high strength bolts used for wind power: unqualified bolt mechanical properties, unstandardized bolts mechanical processing quality, unreasonable heat treatment sys- tem, unreasonable processing procedure, carbon segregation in raw material, too high assembly torque, surface decarburization etc. Key words： bolts, mechanical properties, mechanical processing, torque, decarburization 0 引 言 高强度螺栓在风力发电机上的应用十分广泛。 叶片、 塔筒、 齿轮箱、 控制系统等关键部件的联 接和锁紧均采用高强度螺栓， 因此， 保证这些联接紧固件的正常运行， 是风力发电机系统正常运 行的重要条件。 本文利用现代检测手段对上述部 位断裂的高强度螺栓进行了综合检测， 通过对断 裂原因的分析讨论， 总结出风电用高强度螺栓断 裂的常见原因有： 螺栓机械性能不合格、 螺栓机 械加工质量不符合要求、 热处理制度不合理、 加作者简介： 吉昌兵 （1981-）， 男， 工程师， 2003 年毕业于东北大学材料物理系， 现就职于东方汽轮机有限公司材料研究中心 长寿命高 温材料四川省重点实验室， 主要从事汽轮机材料理化检测工作。工工序不合理、 原材料存在碳偏析、 装配扭矩过表 1主要化学成分分析wt%机械加工质量引起螺栓断裂 联接螺栓）（风电叶片1大、 表 面 脱 碳 等 ， 为关键部位联接螺栓的设计 、 加工和安装提供了合理的依据。成分C1#0.37实测2#0.36标准 0.38要求 0.45Si 0.260.260.170.37Mn 0.800.810.500.80Cr 0.960.960.901.20Mo 50.251.1 样品性能测试及断口分析所选螺栓样品材质为 42CrMoA， 强度等级为 10.9 级的风电叶片联接螺栓。 从图 1 所示的宏观 图片及图 2 的断口分析图片看， 断口为典型的疲从表 1 可以看出， 除 C 含量较标准值稍微偏 低外， 其他化学成分含量均在标准范围内， 不影 响螺栓性能。表 2力学性能测试劳断口， 断口无缩颈。 通过对断裂螺栓进行失效分析， 认为螺栓表面加工质量差， 刀痕明显， 螺试样编号Rp0.2拉伸试验RmAZ冲击KV2纹根部留下的刀痕是螺栓断裂的主要原因。断裂螺栓 同批完好 标准要求（MPa）975955940（MPa）106010601040（%）15.017.59（%）62.562.048（J）84 86 8689 79 8620从表 2 可以看出， 样品各项力学性能均优于 标准值。表 3硬度均匀性检测结果 （HV0.3）试样编号 断裂螺栓135923563338435853336360图 1 断口宏观照片 同 批 完 好 359 331 331 359 361 361 硬度均匀性检测结果 （见表 3） 表明， 样品硬 度均匀性较好， 符合标准要求。表 4金相分析（a） 1#（b） 2#图 2 断口 SEM 照片试样编号1#2#组织类型 回火索氏体 回火索氏体晶粒度66样品晶粒度及金相组织均合格 （见表 4）。1.2 分析、 讨论与建议螺栓的化学成分 、 力 学 性 能 、 硬 度 均 匀 性 、 金相组织、 晶粒度均合格。 从 SEM 扫描电镜照片（见图 2） 来看， 螺栓的断裂是从螺纹根部启裂 ， 逐渐扩展， 最后发生断裂， 断裂方式为多源疲劳 断裂。 从宏观照片 （见图 1） 上分析， 螺栓的表面 可见明显刀痕， 带有加工刀痕的螺栓圆棒直接由 滚丝机挤压成型加工螺纹 ， 但未完全消除刀痕 ，这些刀痕在螺纹底部形成应力集中， 在使用过程 中产生疲劳源， 从而发生断裂。建议提高螺栓表面加工质量， 在滚制螺纹前 保证螺栓的表面粗糙度达到要求。试样编号D-1W-1表 7金相分析组织类型 回火索氏体 回火索氏体晶粒度56预紧力过大导致螺栓断裂 螺栓）（齿轮箱联接2图 3 硬度均匀性检测 （HV0.3）2.1 样品性能测试及断口分析所选螺栓样品材质为 42CrMoA， 强度等级为 12.9 级。 通过宏观、 微观金相、 力学性能、 断口 分析等检测， 分别对断裂 （D-1） 和同批完好螺栓W-1D-1（a） 螺栓宏观形貌（b） 断裂螺栓头断口形貌图 4 宏观照片（W-1） 进行了分析， 断裂螺栓有缩颈情况， 螺栓 表面无脱碳， 分析认为该螺栓断裂为预紧力过大 造成。表 5 主要化学成分分析 (标准值参照表 1) wt%化学成分D-1实测W-1C 0.410.39Si 0.230.23Mn 0.620.59Cr 0.960.96Mo 0.170.16（a） 100X（b） 2 300X图 5 断口 SEM 照片从表 5 可以看出， 样品化学成分测试值均在 标准范围内。表 6力学性能测试试样编号D-1W-1标准要求Rp0.2（MPa）1 1501 100拉伸试验Rm（MPa）-1 2301 220A（%）12.58Z（%）55.044硬度HB 385/393401/390366414从表 6 可以看出， 除断裂 （D-1） 螺栓样品拉 伸试验未做外， 其他拉伸及硬度性能均符合要求。2.2 分析、 讨论与建议螺 栓 的 化 学 成 分 、 力 学 性 能 、 硬 度 均 匀 性（见图 3）、 金相 （见表 7） 等结果均合格。 从螺栓 宏观形貌 （见图 4） 发现断裂处有缩颈现象， 且从 断口 SEM 照 片 （ 见 图 5） 上 看 ， 均 为 韧 性 断 口 ， 综合分析判断该螺栓为预紧力过大造成螺栓损伤， 并在运行后扩展断裂。 建议在螺栓把紧时采用预 紧扳手， 同时预紧力要达到标准的要求。3 热处理制度不合理造成的螺栓断裂（穿心螺杆断裂）（a） 瞬断区 200X（b） 瞬断区 1 000X图 7 断口 SEM 照片3.1 样品性能测试及断口分析所 选 螺栓样品材质为 42CrMo， 强 度 等 级 为 8.8 级 。 通过对断裂螺栓进行化学 成 分 、 力 学 性 能、 金相分析、 断口分析等检测， 发现螺栓显微 组织为上贝氏体组织， 检测人员认为： 该螺栓由 于显微组织不正常， 导致螺栓力学性能下降， 造 成失效。3.2 分析、 讨论与建议螺栓化学成分合格 （见表 8）， 断口分析时发 现瞬断区呈解理断裂形貌 （见图 7）， 硬度均匀性（见表 9）， 金相分析 （见表 10、 图 6） 表明螺栓显 微组织为上贝氏体。 螺栓组织不正常是螺栓断裂 的主要原因。表 8 主要化学成分分析 (标准值参照表 1) wt%化学成分0977C 0.37Si 0.19Mn 0.49Cr 0.89Mo 0.15Cu 0.18上贝氏体形成于贝氏体转变区较高温度范围 内， 中、 高碳钢大约在 350550 之间形成。 上表 9硬度均匀性 （HV0.3）贝氏体的形成温度较高， 铁素体条粗大， 碳的过试样编号0977129322853293429552896285饱和度低， 因而强度和硬度较低。 另外， 碳化物颗粒粗大， 且呈断续条状分布于铁素体条间， 铁 素体条和碳化物的分布具有明显的方向性， 这种试样编号0977表 10金相分析组织类型 上贝氏体晶粒度7组织状态使铁素体条间易产生脆断， 同时铁素体 条本身也可能成为裂纹扩展的路径。 所以上贝氏 体的冲击韧性较低。0977 200X图 6 螺栓金相组织形貌因此， 在工程材料中一般应避免上贝氏体组 织的形成1。 在螺栓热处理时， 要注意控制好热处 理温度和保温时间 ， 避免产生组织异常的情况 ， 从而导致螺栓断裂。4 加工工序倒置（导致风电叶片联接螺栓断 裂）4.1 样品性能测试及断口分析所选螺栓样品材质为 42CrMoA， 强度等级为图 9 1078# 螺纹根部金相照片 50X10.9 级的风电叶片联接螺栓。 由于螺栓加工工序 倒置， 致使螺纹流线遭到破坏 ， 削 弱 螺 纹 强 度 ， 最后从螺纹根部的刀痕处断裂。4.2 分析讨论（a） 1078# 裂纹源区 100X（b） 1078# 启裂部位刀痕 800X图 10 断口 SEM 照片螺栓的化学成分 （见表 11）、 力学性能、 硬度 均匀性（见图 8）、 金相组织（见表 12）均合格。 从 SEM 扫描电镜结果（见图 10）来看， 螺栓的断裂是 从螺纹根部启裂， 逐渐扩展， 最后发生断裂， 断 裂方式为多源疲劳断裂 ， 刀痕是疲劳源萌生地 。 将 1078# 螺栓的螺纹根部与其他批次的组织形态 进行比较 ， 1078# 没有明显辊轧的方向性 （ 见 图 9）， 分析原因为： 厂家没有采用辊丝机加工螺纹， 而是在完成热处理后采用其他机械方法加工， 这 种方式会切断轧制流线组织 ， 削弱螺纹的强度 ， 同时刀具在加工过程中的磨损和振动会导致螺纹 及根部加工不均匀， 在运行过程中各螺纹的受力 不均匀， 导致螺纹根部启裂。表 11主要化学成分分析(标准值参照表 1)wt%化学成分1078实测1079C 0.410.41Si 0.250.25Mn 0.570.57Cr 0.960.97Mo 0.160.16表 11 中， 样品 1078 为断裂螺栓， 样品 1079为完好螺栓。 5 结论 与 建 议 试样编号1078表 12金相分析组织类型 回火索氏体晶粒度5通过对上文 4 种失效情况的分析讨论， 总结 出风电高强度螺栓断裂原因有以下几种：（a） 1078 螺栓头（b） 1079 螺栓头图 8 硬度均匀性测试（1）螺栓的机械加工表面未达到规范要求， 存 留有较深刀痕， 在辊制螺纹后仍未消除， 最后在 螺纹根部产生应力集中， 导致螺栓断裂； 1079 回 火 索 氏 体 5 （下转第 74 页）64 3 结 语 DF 2000 系统自投运以来 ， 经与本特利专用 便携式振动仪测试数据的多次对比， 测试数据吻 合； 十几年来在全国各电厂的稳定运行表明， DF 2000 系统与美国 BN 公司 3500 系统、 德国 EPRO 公司 MMS 6000 系统性能基本相当， 满足 API 670 标准的要求， 是目前国内性价比较高的旋转机械 监测保护系统， 由于国内外制造工艺和材料上的 差距， 国产化系统与国外公司 TSI 产品在稳定性 和一致性等方面存在一定的差距， 这也是我国制造业普遍存在的问题之一。 DF 2000 系统可满足我 国大型汽轮机组对先进 TSI 系统的要求。参考文献1Bently Nevada, LLC. Bently 3500 Monitoring System-Rack Hardware Installation, Operations, and Maintenance Manual. 20022epro ELEKTRONIK & SYSTEMTECHNIK GmbH. epro MMS 6000 Manual. 20043北京松源艾普科技有限公司. epro 旋转机械检测保护系统.2002（上接第 64 页）（2）在风机装配时， 安装人员未按要求用预紧 扳手对螺栓进行装配， 导致装配时螺栓因预紧力 过大产 生 缩 颈 ， 螺纹根部因应力集中产生裂纹 ， 导致螺栓断裂；（3）螺栓因热处理制度不合理显微组织不正常，