二连倒塔原因初探

二连风场#7风机倒塔原因初探工程学是一门应用学科，是用数学和其他自然科学的原理来设计有用物体的进程.工程学的开展是和事故分不开的,从这个角度说,事故是财富.翻开财富的钥匙,是找出引发事故的真正原因.遵从这一原那么,我们分析一下二连#7风机倒塔原因.2023年2月28日18时33分二连风电场#7风机塔筒在1-2节联接处折断，断口在第一节塔筒上端，距法兰下平面10mm。#7风机倒塌前状态：有功1350kw，〔90%负荷〕风速10.0m/s。图1事故现场塔架是风力发电组的重要承载部件，它承受的载荷有塔架自重，机舱及风轮的重力载荷、风轮反作用力及风力载荷、风轮的振动载荷、启动和停机的惯性力、偏航系统启动和制动的惯性力、阵风变化、塔影效应等，此外还要考虑正常工作时叶片突然断裂引起的故障载荷，叶片结冰而引起的振动载荷等。风机运行中,对应每一种工况塔架的受力状态是不一样的，应力差异很大,最大应力所在区域不同。所以可以通过分析断裂位置来推断塔架断裂前的工作状态.1.塔架受力分析针对风机运行特点,在有限元分析中,我们把风机运行分成9个工况，分别分析各个工况下的塔架应力状态：表1风机运行的9个工况ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨ额定发电额定发电+地震1额定发电+地震2切出风速极限风速故障停机额定发电+叶片断，加力在上额定发电+叶片断一片，加力在中额定发电+叶片断，加力在下图29个工况的应力表29个工况的最大应力工况编号Ⅰ正常Ⅱ地震1Ⅲ地震2Ⅳ切出Ⅴ极限Ⅵ故障Ⅶ上加力Ⅷ中加力Ⅸ下加力最大应力(MPa)156.4188.0175.5277.8108.3176.1150.9123304.8有限元分析结果说明，最危险工况是上叶片断裂时，加力向下,应力为304.8MPa,危险部位是第一节塔架上部。这种工况下塔架的应力有一个突变过程,当叶片发生断裂,风载荷突然卸载,塔架在弹性作用下,使主机迎风回弹,同时未断裂叶片的离心力及重力加速度对塔架产生一个附加弯矩,塔架迎风面由拉应力变为压应力,而背风面的塔筒那么由压应力变为拉应力。这种工况相当于一根头部有一重物的钢管被一根线拉弯,突然砍断拉线,钢管将倒向拉线的另一方.也就是塔架将迎风倒下。最大应力为何发生在第一节塔筒上部，由于叶片断裂引起的载荷变化时间极短,只有1-2秒,属于冲击载荷.塔筒压应力来不及完全释放,抵消一局部外界拉力,因此危险部位不在由根底法兰附近,而是向上转移,下列图是叶片断裂后塔筒背风面应力示意图:图3塔筒背风面应力示意图拉应力压拉应力压应力最大拉应力最大拉应力应力﹣应力﹢应力﹣应力﹢由于叶片断裂引发塔架倒塌事故时有发生，下面看几个实例。2023年2月1日3:18分，大唐左云风场43#风机在接近满发时无任何报警信息发生了倒塌，塔架从中、下段法兰连接处折断。主机随同塔筒上段和中段朝着主导风〔向北偏西60度〕方向倒塌，法兰盘脖颈距端部12mm处撕裂。此前，曾经对风机叶片主梁进行加强工作。倒塌前，变桨系统处于故障状态，曾发出桨叶1快速收桨太慢等多个报警。图42023年1月24日，通辽华能宝龙山风电场30号机组，发生飞车引发的火灾和倒塔事故。监控系统报“发电机超速，转速为2700转/分〞(正常运行时应小于1700转/分)，高速轴刹车未能抱死刹车盘。随着转速的不断增大，高速轴上的刹车盘摩擦产生大量热量，出现火花导致机舱着火。现场查看风机时，发现塔筒折断。见下列图。图5事故现场

美国KlondikeIII風場

August29,2023叶片旋转过快导致风机倒塌。图6倒塌的风机2023-10-25-20:24吉林里程协和镇赉风场21#风机叶片折断。风速12m/s，转速18.1prn，出力1500kw,第二节塔筒迎风面11m处出现皱褶，塔架倾斜20度。〔风机厂家及叶片，新誉〕图7变形的塔架下面是一段珍贵的录像。可以看到塔架倒塌全过程。这是丹麦奥尔胡斯市霍恩斯特一风力发电风机事故录像，2023年2月25日，惊险一幕恰巧被丹麦新闻频道电视2台拍摄。我们可以清楚的看到，一片桨叶开裂0.3-0.6秒后，当另一桨叶转到下方，塔架上部出现扭曲，塔架出现裂纹，开始迎风倾斜，2—3秒，塔架落到地面。下面是塔筒倒塌瞬间的几个截图。图81(0.00s)2(0.15s)3(0.30s)4(0.45s塔筒开始倾斜)5(0.60s)6(0.75s)可以看到，塔筒在零点几秒中发生开裂，叶片断裂引起的载荷是极其危险的冲击载荷。这几起事故有两个共同特点塔架拦腰折断塔筒迎风倒地原因相同，都是桨叶断裂引发的。与有限元分析结果相吻合。可以初步判断，二连风机塔筒倒塌是由于桨叶断裂引发的。纵向开裂的叶片2.断口分析从现场照片分析，断裂开始点位于落地塔筒的正上方。塔筒参与断裂的部位有螺栓、法兰及焊缝热影响区。首先螺栓断裂，下节塔筒将法兰拉长，扭曲，撕裂，螺栓陆续被拉断〔30—40颗〕，同时在冲击载荷作用下，下节塔筒与法兰焊缝热影响区发生脆性断裂，随后，沿着热影响区被撕裂，塔筒倒塌。图9落在地面的塔筒断裂开始点，螺栓断裂，法兰变形，桶壁撕裂断裂开始点，螺栓断裂，法兰变形，桶壁撕裂图10变形的法兰图11脆性断口冲击载荷使塑性变形难于充分进行，材料由韧性状态转为脆性状态，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状。这一点从图10中可以清楚的看到。图12下节塔筒上的撕裂断口下节塔筒上的断口是撕裂断口，晶粒粗大，裂纹呈明显V字型，裂纹走向清晰。为什么裂缝会沿着焊缝热影响区行走，而不是焊缝，也不是母材，看一下焊缝周边结构就清楚了。图13焊缝结构图14热影响区韧性及晶粒母材焊缝热影响区母材焊缝热影响区焊缝两侧处于固态的母材发生明显的组织和性能变化的区域，称为焊接热影响区。热影响区晶粒粗大，韧性降低。晶界是裂纹扩展的阻力，晶粒粗大晶界总面积减少，晶界上杂质浓度增加，容易产生沿晶脆性断裂。现场螺栓断裂有两种，一是疲劳断裂〔断裂前疲劳〕，一是脆断。图15螺栓断裂形式根据有限元分析结果，塔筒断裂时应力到达304.8MPa，而螺栓应力那么到达975.4MPa，大大超过螺栓的许用应力，发生脆断是意料之中的。在冲击载荷下突然开裂，无缩颈，断口晶粒细小，一般发生在螺栓头或螺纹处。断裂前已经疲劳的螺栓，其能够承受的应力就更加低了，疲劳断裂有裂纹源，蚌状裂纹生长区和脆断区。3.螺栓的疲劳断裂在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故。破坏时的应力，远小于材料的屈服极限。疲劳寿命大小主要取决于交变应力幅度和材料的疲劳强度.塔架高强螺栓安装时全部需要施加一个预载荷，为0.61倍的屈服强度。安装时预载荷过高或过低，会加大交变应力幅，造成螺栓早期疲劳，是导致螺栓过早疲劳的关键。由于我们采用力矩法安装，〔F=T/K*d〕螺栓预载荷的数值是分散的图156黑鱼泡2#风机根底法兰高强螺栓预载荷分布有36颗螺栓预载荷偏低，6颗偏高。预载荷偏低、偏高，会加大交变载荷的振幅，加大螺栓的轴力，降低螺栓的疲劳寿命。螺栓预载荷不合格，是导致螺栓过早疲劳的关键。我们看看塔架工作中螺栓和法兰应力变化图17螺栓和法兰应力变化Fc=Fi-Fe*Kc/(KB+Kc)FB=Fi+Fe*KB/(KB+Kc)式中FB螺栓轴力FC法兰张力Fi螺栓预载荷Fe外载荷KB/(KB+Kc)称为螺栓的相对刚度系数KB螺栓刚度系数，Kc法兰刚度系数。螺栓应力和法兰剩余应力随外载荷变化而变化的波动曲线。如外载荷到达C点时，C点纵坐标与FC曲线交点就是法兰剩余应力，与Fb曲线交点就是螺栓应力。当外载荷到达A点时，法兰剩余应力为零〔永远是零〕，法兰间将产生缝隙，螺栓应力不再沿原来的曲线变化，螺栓轴力等于外载荷。4.结论①叶片断裂，离心力、重力产生的附加弯矩，是二连#7风机倒塔的主要外部原因。②局部螺栓早期疲劳形成塔筒内部缺陷，使得裂纹发生在法兰之间。③焊缝的热影响区是塔筒最薄弱环节，使得裂纹沿热影响区扩展。5.几点建议①叶片工作中，应力复杂，交变载荷的频率高，极易疲劳。一定要定期检查叶片外表，发现裂纹，皱褶，掉漆等缺陷，应立即停机更换叶片。②决不能随意解除变桨系统的监控系统，注意观察变桨系统工作状态，尤其在风速到达15m/s以上时，如发现异常，应立即停机维修。③定期检查螺栓，用超声波沿螺栓周边检查