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1、某風電場塔筒連接高強螺栓斷裂原因分析肖劍，段二順，任淮輝，岳文彥f龍源(北京)風電工程技術(shù)有限公司，北京100034]摘要：針對某風電場塔筒連接高強螺栓頻繁斷裂進行了失效分析，結(jié)合現(xiàn)場勘測、有限元計算和理化檢測、金相檢驗和斷口分析的結(jié)論，確定螺栓斷裂的原因，為風電場的設(shè)備維護提供了理論依據(jù)，以減少和預防同類失效事件的再次發(fā)生。關(guān)鍵詞：有限元；理化檢測；金相檢驗；斷口分析05l舌接的高強螺栓共有138顆(塔簡門底部對應(yīng)螺栓為1號位置，逆時針方向編號遞增)，螺栓孑L位置如圖風電用塔筒高強螺栓是風電機組重要的連接1所示。螺栓斷裂位置多處于機組迎風的主風向及件，螺栓的正常使用直接影響風
2、電機組的運行安全，主風向側(cè)附近位置。因此高強螺栓的力矩檢查是定期維護中的重要項曰。某風電場地處沿海，風電機組受鹽霧腐蝕較為嚴重。2013年該風電場17號機組連續(xù)發(fā)生多次螺栓斷裂現(xiàn)象：3月l5日，現(xiàn)場工作人員進行巡檢時發(fā)現(xiàn)17號機組塔底基礎(chǔ)環(huán)與底段塔筒連接螺栓有、兩根斷裂；4月27日，運檢人員再次對17號風機進行力矩檢查，發(fā)現(xiàn)上次斷裂螺栓旁邊又有兩顆螺栓松動；此外，重新檢查塔底基礎(chǔ)環(huán)與底段塔筒連接的所有螺栓力矩時，根螺栓發(fā)生斷裂，另有11根螺栓在緊同過程巾發(fā)生軸轉(zhuǎn)。為了查明高強螺栓斷裂圖1塔筒螺栓分布圖的原因，以采取合理的改進措施，避免同類事故的再1．2法蘭錯位發(fā)，對塔筒高強螺栓
3、進行了失效分析。檢查發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)環(huán)法蘭與底段塔筒法蘭有錯位的1現(xiàn)場勘查現(xiàn)象，最大錯位偏移量達到4．5mm。以塔筒門框正1．1螺栓斷裂位置下方為零點，將塔筒周向均分為8等分進行上下法該型風電機組基礎(chǔ)環(huán)法蘭與底段塔筒法蘭連蘭錯位位移測量，結(jié)果如表1所示。51風力發(fā)電IW)()INWI【)弧表l法蘭錯位測量結(jié)果來越多的銹跡就順著法蘭內(nèi)圓表面流下來。測量點位置錯位情況說明錯位尺寸(順時針)(mm)1群位(門框正下方)聿一蘭O基本平齊法蘭圓周1／4處下蘭4．5突出法蘭圓周3／8處上法3突出法蘭圓周4／8處一蝦法蘭3突出圖2基礎(chǔ)環(huán)與底段塔簡之間縫隙法蘭圓周5／8處法?法蘭42螺栓斷裂失效分析突
4、出2．1螺栓連接副的應(yīng)力分析法蘭圓周6／8處上蘭2突出(1)法蘭錯位受力分析。為了分析基礎(chǔ)環(huán)與底部塔筒法蘭錯位對螺栓應(yīng)法蘭圓周7／8處上蘭3力狀況的影響，創(chuàng)建M36X205．10．9級高強螺栓及突出連接副的三維有限元模型，分別實現(xiàn)螺栓螺紋根部應(yīng)力分析和基礎(chǔ)環(huán)法蘭與底部塔筒法蘭發(fā)生4mm基礎(chǔ)環(huán)法蘭和底段塔筒法蘭的螺栓孑L直徑以上尺寸錯位條件下的應(yīng)力分析，評估螺栓的安全為西39，螺栓規(guī)格為M36×205．1O．9，上下法蘭的系數(shù)。錯位(最大錯位饈為4．5mm)，導致部分螺栓無法根據(jù)螺栓型號計算螺栓預緊力，即直接安裝至上下法蘭通孔。如果強行安裝，螺栓：As(1)緊固之后，螺栓受到來自
5、法蘭較大的橫向剪切作其中用力。As=×。／4(2)綜合分析測量數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，17號基礎(chǔ)環(huán)法蘭與底段塔簡法蘭除了存在安裝錯位的問題，還存在(0．5～0．7)(3)偏移和翹曲變形的問題，使得上下對應(yīng)法蘭無法完式中——螺栓材料的屈服極限N／mm(與強度等級相關(guān)，材質(zhì)決定)。全與測量數(shù)據(jù)吻合。因此，上下法蘭的螺栓強行連接造成螺栓橫向剪切的同時，法蘭本身的變形也存通過計算得到螺栓的預緊力約為506661．12N。在一定的預應(yīng)力。將該預緊力施加到塔筒螺栓界面，在ABAQUS有限元分析軟件中實現(xiàn)螺栓的預應(yīng)力分析。1．3法蘭端面腐蝕情況1)施加螺栓預緊力_T況螺栓應(yīng)力。如圖2所示，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)
6、基礎(chǔ)環(huán)法蘭內(nèi)圓表提取M36X205—10．9及高強螺栓組件，查看螺面出現(xiàn)銹跡，其銹痕來自塔筒上、下法蘭接觸面。這栓應(yīng)力狀況，如圖3所示。由螺栓組件應(yīng)力狀態(tài)可說明上下法蘭之間存在了縫隙，雨水、潮氣或鹽霧在以看出，螺栓根部與底部墊片的壓應(yīng)力應(yīng)力水平較法蘭連接面已經(jīng)形成銹蝕跡象，隨著時間的積累，越高。螺紋根部出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力和52經(jīng)驗共享ExperienceSharing切向應(yīng)力等效應(yīng)力達到725．0MPa，螺栓安全系數(shù)為成螺栓疲勞裂紋的擴展。1．29，符合螺栓預緊力設(shè)計要求。上述高強螺栓副的應(yīng)力狀態(tài)是由螺栓安裝或更換過程中強行安裝形成的。此外，一定數(shù)量的法蘭通孔錯位還
7、將導致基礎(chǔ)環(huán)法蘭和塔簡底部法蘭的整體結(jié)構(gòu)變形，從而增大法蘭之間的間隙，螺栓更容易受到來自塔架的疲勞載荷作用，使螺栓發(fā)生疲勞斷裂。2．2塔筒螺栓檢測和斷裂失效分析為了更全面地了解該風電場塔筒螺栓斷裂的原因，對斷裂螺栓進行理化檢測、金相檢驗和斷口分析等檢測和分析。(1)理化檢測。1)化學成分分析。圖3高強螺栓組件以及螺紋根部應(yīng)力狀態(tài)從斷裂螺栓上取樣進行化學成分分析，檢測結(jié)2)施加法蘭錯位位移工況螺栓應(yīng)力。果如表2(儀器型號：ARL4460)所示。根據(jù)現(xiàn)場測量的結(jié)果，塔架外基礎(chǔ)環(huán)法蘭和底表2化學成
