风电用与钢结构用高强度紧固件的差异分解
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张先鸣
近年来，我国风电行业尤其是大容量的兆瓦级别大型
风力发电机组得到快速发展，风电设备用的高强度紧 固件由于长期野外服役，环境恶劣，维修条件差，所 以要求风机稳定性强。正常连续工作情况下，风电设 备紧固件要求必须保证10 a以上的使用寿命。 风电用高强度紧固件的制造工艺，从技术的角度涉及 多学科，从生产的角度涉及各道工序，从管理的角度 涉及多部门、多环节，从措施的角度涉及生产成本。 笔者在研发“风电用高强度紧固件”时，比较了与 “钢结构高强度紧固件”之间存在的差异，以促进风 电用高强度紧固件的发展。
2.2其他标准引用的差异 2.2.1 表面缺陷标准引用的区别 钢结构用高强度螺栓、螺母，表面缺陷分别按GB/T 5779.1[20]、
GB/T 5779.2[21]的规定执行；风电用高强度螺栓、螺母，表面缺 陷除满足上述2个标准外，针对螺栓还有表面探伤的相关要求， 通常引用的标准有JB/T 4730.3—2005[22]和JB/T 4730.4—2005[23]。 2.2.2 其他尺寸及形位公差引用时的差异 钢结构用高强度螺栓、螺母、垫圈的其他尺寸及形位公差应符 合GB/T 3103.1—2002[24]和GB/T 3103.3—2000[25]的C级规定；而 风电用紧固件引用上述2个标准的B级规定。由于风电用高强度 紧固件通常采用达克罗表面处理，故还需满足GB/T 5267.2— 2002[26]的相关要求。
钢结构和风电用高强度螺栓在服役过程中除要求有足够的强度和塑性外，还 要求有足够的韧度。韧度的评价往往采用冲击吸收功AK值来表征。在GB/T 3098.1—2000标准中，对冲击功提出了一定的指标，10.9级高强度螺栓冲击功 AKu≥20 J。钢结构高强度螺栓的冲击功是采用2 mm的U型缺口试件在常温下进 行；而风电用高强度螺栓的冲击功是采用V型缺口试件在-40℃低温检测。因 而，前者冲击功AKu2≥47 J；后者则为AKV（-40℃）≥27 J。 风电用高强度紧固件广泛使用的中碳钢、中碳合金钢在常温下有很好的冲击 韧度，但当使用温度低于某一温度时，其冲击韧度下降，断口特征由纤维状 变为结晶状，断裂机制由微孔聚集型变为穿晶解理型。这是由于体心立方晶 体金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金中，温度的变化改变了位错在 晶体中运动的摩擦阻力。 通过测量冲击吸收功和对冲击试样进行断口分析，可揭示材料的夹渣、偏析、 白点、裂纹以及非金属夹杂物超标等原材料缺陷；检查过热、过烧、回火脆 性和温锻、热处理等加工缺陷；在低温条件下评定风电用高强度紧固件的韧 脆转变特性，使紧固件不在冷脆状态下工作，保证安全服役。 由于环境气候的影响，对我国寒冷地区的风电设备，测定韧脆转变温度为40℃，是从冲击韧度角度选用高强度紧固件的重要依据之一。
紧固件有具体的数据，而对于钢结构用高强度螺栓和风电用高强度螺 栓，都选择10.9级强度。但具体力学性能指标却有差异。钢结构用高 强度螺栓，其硬度值为33~39 HRC，抗拉强度1 040~1 240 MPa，断后 伸长率≥10%，断后收缩率≥42%，冲击功AKu2≥47 J；风电用高强度螺栓， 其硬度值32~39HRC，抗拉强度≥1 040 MPa，断后伸长率≥9%，断后收 缩率≥48%，低温冲击功AKV（-40℃）≥27 J。
3.2 钢材牌号的差异 20MnTiB、35VB、45、35钢是文献[1]、[2]推荐的钢材牌号；而35CrMo、 42CrMo、40CrNiMo、30CrMnSi是GB/T 3077—1999《合金结构钢》中的牌号， B7钢则是美国《ASTM技术规范高低温、高压用栓接材料紧固件》标准中的牌 号，值得注意的是我国多年来自主开发且使用较成熟的35VB钢却一直没有列 入国家材料标准。 对于高强度螺栓经过调质处理，合金元素对力学性能最主要的作用是增加淬 透性，使截面较大的螺栓也可淬透。许多合金元素可使回火转变得缓慢，抗 回火稳定性好，与中碳钢相比需要较高的回火温度，可以得到较好的强度与 韧度的配合。但是，合金元素也给高强度螺栓调质带来了不利影响，其中很 重要的是回火脆性问题，应严格避免，否则会大大降低冲击功值。 高强度螺栓调质淬火时，要求整个截面90%以上获得马氏体组织，即钢材必须 淬透。淬火深度不仅与钢材的化学成分有关，而且也受试样大小、加热温度、 冷却介质、冷却方法等影响。生产中常用临界直径来衡量钢的淬透性。
3 材料选用的差异 3.1 材料选用的区别 目前，一般情况下钢结构螺栓材料的选用为：小于等于M24的产品，材料选用 20MnTiB钢；M27、M30的螺栓选用35VB钢。而风电用高强度螺栓的材料一般 都选用42CrMo、B7、40CrNiMo钢，少量产品也允许使用20MnTiB、 30CrMnSi、35VB钢。 一般情况下钢结构螺母选用45、35钢；而风电用螺母除使用上述材料外，有些 产品指定用35CrMo钢。 一般情况下垫圈材料均为45钢。 20MnTiB、35VB和35CrMo钢属于低淬透性合金钢，油淬临界直径一般不大于 Ø 25mm,因此只适宜M 24～M 30以下钢结构紧固件制造。30CrMnSi钢是推荐 用于高强度紧固件的替代钢种，它有较好的综合性能，在调质状态下具有较 高的强度和足够的韧度，淬透性并不高，油淬临界直径为Ø 25mm；而风电用 高强度螺栓直径均大于Ø 30mm，则必须选用42CrMo、B7和40CrNiMo钢，在 截面很大时仍有较高的性能。B7化学成分相当于42CrMo钢，42CrMo钢的油 淬临界直径为Ø 42mm；40CrNiMo钢的油淬临界直径为Ø 45mm，与其他钢种 相比，具有更好的冲击韧度和淬透性。对于超过临界直径的大截面螺栓必须 采用水溶液淬火，以保证淬硬层深度。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1 采用标准的差异 目前，国内的钢结构领域采用的高强度紧固件标准通常有9个标准[1-9]。
而风力发电机上用的高强度紧固件国内目前常用的标准也为9个 [10-18]。 此外还有一些来图定制的非标紧固件、叶片螺栓、T型螺母、莫氏垫 圈等等。
2. 引用标准差异 2.1 引用GB/T 3098.1—2000标准的差异[19] GB/T 3098.1—2000《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》中对各等级
近年来，我国风电行业尤其是大容量的兆瓦级别大型
风力发电机组得到快速发展，风电设备用的高强度紧 固件由于长期野外服役，环境恶劣，维修条件差，所 以要求风机稳定性强。正常连续工作情况下，风电设 备紧固件要求必须保证10 a以上的使用寿命。 风电用高强度紧固件的制造工艺，从技术的角度涉及 多学科，从生产的角度涉及各道工序，从管理的角度 涉及多部门、多环节，从措施的角度涉及生产成本。 笔者在研发“风电用高强度紧固件”时，比较了与 “钢结构高强度紧固件”之间存在的差异，以促进风 电用高强度紧固件的发展。
2.2其他标准引用的差异 2.2.1 表面缺陷标准引用的区别 钢结构用高强度螺栓、螺母，表面缺陷分别按GB/T 5779.1[20]、
GB/T 5779.2[21]的规定执行；风电用高强度螺栓、螺母，表面缺 陷除满足上述2个标准外，针对螺栓还有表面探伤的相关要求， 通常引用的标准有JB/T 4730.3—2005[22]和JB/T 4730.4—2005[23]。 2.2.2 其他尺寸及形位公差引用时的差异 钢结构用高强度螺栓、螺母、垫圈的其他尺寸及形位公差应符 合GB/T 3103.1—2002[24]和GB/T 3103.3—2000[25]的C级规定；而 风电用紧固件引用上述2个标准的B级规定。由于风电用高强度 紧固件通常采用达克罗表面处理，故还需满足GB/T 5267.2— 2002[26]的相关要求。
钢结构和风电用高强度螺栓在服役过程中除要求有足够的强度和塑性外，还 要求有足够的韧度。韧度的评价往往采用冲击吸收功AK值来表征。在GB/T 3098.1—2000标准中，对冲击功提出了一定的指标，10.9级高强度螺栓冲击功 AKu≥20 J。钢结构高强度螺栓的冲击功是采用2 mm的U型缺口试件在常温下进 行；而风电用高强度螺栓的冲击功是采用V型缺口试件在-40℃低温检测。因 而，前者冲击功AKu2≥47 J；后者则为AKV（-40℃）≥27 J。 风电用高强度紧固件广泛使用的中碳钢、中碳合金钢在常温下有很好的冲击 韧度，但当使用温度低于某一温度时，其冲击韧度下降，断口特征由纤维状 变为结晶状，断裂机制由微孔聚集型变为穿晶解理型。这是由于体心立方晶 体金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金中，温度的变化改变了位错在 晶体中运动的摩擦阻力。 通过测量冲击吸收功和对冲击试样进行断口分析，可揭示材料的夹渣、偏析、 白点、裂纹以及非金属夹杂物超标等原材料缺陷；检查过热、过烧、回火脆 性和温锻、热处理等加工缺陷；在低温条件下评定风电用高强度紧固件的韧 脆转变特性，使紧固件不在冷脆状态下工作，保证安全服役。 由于环境气候的影响，对我国寒冷地区的风电设备，测定韧脆转变温度为40℃，是从冲击韧度角度选用高强度紧固件的重要依据之一。
紧固件有具体的数据，而对于钢结构用高强度螺栓和风电用高强度螺 栓，都选择10.9级强度。但具体力学性能指标却有差异。钢结构用高 强度螺栓，其硬度值为33~39 HRC，抗拉强度1 040~1 240 MPa，断后 伸长率≥10%，断后收缩率≥42%，冲击功AKu2≥47 J；风电用高强度螺栓， 其硬度值32~39HRC，抗拉强度≥1 040 MPa，断后伸长率≥9%，断后收 缩率≥48%，低温冲击功AKV（-40℃）≥27 J。
3.2 钢材牌号的差异 20MnTiB、35VB、45、35钢是文献[1]、[2]推荐的钢材牌号；而35CrMo、 42CrMo、40CrNiMo、30CrMnSi是GB/T 3077—1999《合金结构钢》中的牌号， B7钢则是美国《ASTM技术规范高低温、高压用栓接材料紧固件》标准中的牌 号，值得注意的是我国多年来自主开发且使用较成熟的35VB钢却一直没有列 入国家材料标准。 对于高强度螺栓经过调质处理，合金元素对力学性能最主要的作用是增加淬 透性，使截面较大的螺栓也可淬透。许多合金元素可使回火转变得缓慢，抗 回火稳定性好，与中碳钢相比需要较高的回火温度，可以得到较好的强度与 韧度的配合。但是，合金元素也给高强度螺栓调质带来了不利影响，其中很 重要的是回火脆性问题，应严格避免，否则会大大降低冲击功值。 高强度螺栓调质淬火时，要求整个截面90%以上获得马氏体组织，即钢材必须 淬透。淬火深度不仅与钢材的化学成分有关，而且也受试样大小、加热温度、 冷却介质、冷却方法等影响。生产中常用临界直径来衡量钢的淬透性。
3 材料选用的差异 3.1 材料选用的区别 目前，一般情况下钢结构螺栓材料的选用为：小于等于M24的产品，材料选用 20MnTiB钢；M27、M30的螺栓选用35VB钢。而风电用高强度螺栓的材料一般 都选用42CrMo、B7、40CrNiMo钢，少量产品也允许使用20MnTiB、 30CrMnSi、35VB钢。 一般情况下钢结构螺母选用45、35钢；而风电用螺母除使用上述材料外，有些 产品指定用35CrMo钢。 一般情况下垫圈材料均为45钢。 20MnTiB、35VB和35CrMo钢属于低淬透性合金钢，油淬临界直径一般不大于 Ø 25mm,因此只适宜M 24～M 30以下钢结构紧固件制造。30CrMnSi钢是推荐 用于高强度紧固件的替代钢种，它有较好的综合性能，在调质状态下具有较 高的强度和足够的韧度，淬透性并不高，油淬临界直径为Ø 25mm；而风电用 高强度螺栓直径均大于Ø 30mm，则必须选用42CrMo、B7和40CrNiMo钢，在 截面很大时仍有较高的性能。B7化学成分相当于42CrMo钢，42CrMo钢的油 淬临界直径为Ø 42mm；40CrNiMo钢的油淬临界直径为Ø 45mm，与其他钢种 相比，具有更好的冲击韧度和淬透性。对于超过临界直径的大截面螺栓必须 采用水溶液淬火，以保证淬硬层深度。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1 采用标准的差异 目前，国内的钢结构领域采用的高强度紧固件标准通常有9个标准[1-9]。
而风力发电机上用的高强度紧固件国内目前常用的标准也为9个 [10-18]。 此外还有一些来图定制的非标紧固件、叶片螺栓、T型螺母、莫氏垫 圈等等。
2. 引用标准差异 2.1 引用GB/T 3098.1—2000标准的差异[19] GB/T 3098.1—2000《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》中对各等级