风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析_张君
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
利用线切割将 试 样 垂 直 于 轴 线 方 向 剖 开，将 其 截 面 及 表 面 打 磨 光 滑 ，利 用４５２ＳＶＤ数 显 维 氏 硬 度
张 君等：风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析
图 ４ 螺 栓 心 部 显 微 组 织 Ｆｉｇ．４ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｂｏｌｔ ｃｅｎｔｅｒ
０．００８
０．００５
０．９６５
０．１５８
０．０１４
０．００３
螺栓心部
０．３６９
０．２５１
０．５４２
０．００８
０．００４
０．９３９
０．１５５
０．０１３
０．００２
标准值 ０．３２～０．４０ ０．１７～０．３７ ０．４０～０．７０ ≤０．０３５
≤０．０３５ ０．８０～１．１０ ０．１５～０．２５ ≤０．０３０
２ 综 合 分 析
螺栓机械加工 完 毕 后，要 进 行 淬 火 和 高 温 回 火 处理，并期得到理 想 的 回 火 索 氏 体 组 织。 然 而 化 学 成 分 分 析 结 果 显 示，螺 栓 表 面 的 碳 含 量 仅 为 ０．００９％ ，远 远 低 于 标 准 值 （０．３２％ ～０．４０％ ）和 心 部 的碳含量 ０．３６９％。 由 金 相 检 验 结 果 也 可 知，螺 栓 心部显微组织为细 小 的 回 火 索 氏 体，螺 栓 表 层 则 为 铁 素 体 ；说 明 螺 纹 表 面 发 生 了 全 脱 碳 ，且 脱 碳 层 深 度 较大。显微硬度测 试 结 果 显 示，螺 栓 表 面 硬 度 约 为 １３０ ＨＶ，心部 硬 度 约 为 ３７０ ＨＶ，进 一 步 证 明 螺 栓 表面发生了严重 的 脱 碳。 该 螺 栓 经 过 了 淬 火、高 温 回 火 处 理 ，在 淬 火 加 热 保 温 过 程 中 ，热 处 理 炉 内 碳 浓 度 过 低 ，导 致 零 件 表 面 脱 碳 ，待 整 个 试 样 完 全 奥 氏 体 化 后 ，表 面 形 成 了 超 低 碳 的 奥 氏 体 ，在 淬 火 冷 却 过 程 中 ，螺 栓 心 部 转 变 为 马 氏 体 ，而 螺 栓 表 面 则 转 变 为 铁 素体。在随后的高 温 回 火 过 程 中，马 氏 体 中 析 出 弥 散 细 小 的 碳 化 物 ，螺 栓 心 部 组 织 转 变 为 回 火 索 氏 体 ， 具有良 好 的 综 合 力 学 性 能，而 螺 栓 表 面 仍 然 为 铁 素 体［３－４］。 一 般 来 说 ，螺 栓 螺 纹 根 部 是 应 力 集 中 部 位 ，该 螺 栓表面脱碳，导致了 螺 纹 表 面 硬 度 和 强 度 的 大 大 降 低 。 另 外 螺 栓 在 安 装 时 ，预 紧 力 不 均 匀 ，导 致 受 力 较 大的螺栓在服役过程中风力和风叶转动产生的循环 冲击载荷作用下，于 螺 纹 根 部 出 现 裂 纹 并 疲 劳 扩 展 直至断裂 。 ［５］
· ９３４ ·
型高度，Ｈ１ ＝１．５ ｍｍ），螺 纹 牙 底 存 在 ０．０５３ ｍｍ 的全脱碳层。根 据 ＧＢ／Ｔ ３０９８．１－２０００《紧 固 件 机 械性 能 螺 栓、螺 钉 和 螺 柱 》的 要 求，Ｇ 的 最 大 值 为 ０．０１５ｍｍ，Ｅ 的 最小高度为２／３ Ｈ１，即１．０ｍｍ。可 见该两项指标均不满足标准技术要求。 １．５ 硬 度 试 验
图 ５ 牙 根 显 微 组 织 Ｆｉｇ．５ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｔｈｒｅａｄ ｒｏｏｔ
图 ６ 牙 尖 显 微 组 织 Ｆｉｇ．６ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｔｈｒｅａｄ ｃｕｓｐ
计 在 螺 栓 表 面 及 其 心 部 各 测 试 ３ 点 硬 度 ，结 果 如 下 ： 表 面 为 １３５，１２８，１３０ ＨＶ１０；心 部 为 ３７７，３８０， ３６５ ＨＶ１０。可见螺栓表面硬度明显低于心部硬度， 与螺栓表面存在明显的脱碳相吻合。
≤０．０３０
（ａ） 裂 纹 源
（ｂ） 裂 纹 扩 展 区
（ｃ） 瞬 断 区
图 ３ 螺 栓 断 口 扫 描 电 镜 形 貌
Ｆｉｇ．３ ＳＥＭ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｌｔ
（ａ） Ｃｒａｃｋ ｓｏｕｒｃｅ （ｂ） Ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｒｅａ （ｃ） Ｆａｓｔ ｆｒａｃｔｕｒｅ ａｒｅａ
典 型 的 疲 劳 断 裂 特 征 ，且 有 两 个 裂 纹 源 ，疲 劳 裂 纹 扩 展区约占整个断口的８０％，瞬 断区 约 占 整 个 断 口 的 ２０％ 。 由 螺 栓 断 口 宏 观 形 貌 可 以 断 定 其 为 双 向 疲 劳 断 裂［１］。 １．２ 化 学 成 分 分 析
在 断裂螺栓上取 样 ，分 别 对 螺 栓 表 面 及 心 部 位
１ 理 化 检 验
１．１ 宏 观 检 验 图１为其中一 根 断 裂 螺 栓 的 宏 观 形 貌，可 见 断
裂位于有螺纹的部 位，螺 栓 螺 纹 根 部 恰 好 是 应 力 集 中位置。 图２是螺栓断 口 宏 观 形 貌，发 现 断 裂 部 位 正 好 处 于 螺 纹 牙 根 位 置 ，断 口 上 存 在 明 显 的 贝 纹 线 ，呈 现
ＺＨＡＮＧ Ｊｕｎ，ＷＥＮ Ｂａｏ－ｆｅｎｇ，ＺＨＡＯ Ｊｉａｎｇ－ｔａｏ，ＳＨＩ Ｗｅｉ （Ｌａｎｓｈｉ Ｔｅｓｔ Ｃｅｎｔｅｒ，ＬＳ Ｇｒｏｕｐ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ａ ｒｏｕｔｉｎｇ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐａｎｙ，ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｆａｓｔｅｎｉｎｇ ｂｏｌｔｓ ｓｅｒｖｉｃｉｎｇ ｆｏｒ ４ｙｅａｒｓ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｏｌｔ；ｆａｔｉｇｕｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ；ｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ；ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
某电力公司在对风力发电机进行检修的过程中 发现，风机塔筒架底 部 起 固 定 作 用 的 个 别 螺 栓 出 现 了断裂现象。风力发电机塔筒底部连接法兰与风机 基 础 ，一 台 风 力 发 电 机 塔 筒 底 座 法 兰 共 由 ４８ 根 螺 栓 均匀分布连接，检修 时 发 现 在 一 个 方 位 相 邻 的 ３ 根 螺 栓 都 发 生 了 断 裂 ，且 都 断 裂 于 螺 纹 部 位 ，如 图 １ 所 示 。 该 批 螺 栓 已 使 用 了 ４ａ（年 ），由 同 一 家 供 货 商 提 供，螺栓材料为３５ＣｒＭｏ钢，螺 纹 规 格 Ｍ２０，性 能 等 级 １０．９ 级 。 为 查 明 该 螺 栓 断 裂 原 因 ，以 便 采 取 措 施 避免类似失效的再 次 发 生，笔 者 对 其 进 行 了 检 验 和 分析。
张 君等：风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析
置进行化学 成 分 分 析，结 果 见 表 １。 可 见 螺 栓 表 面 碳含量仅为 ０．００９％，明 显 低 于 ＧＢ／Ｔ ３０７７－１９９９ 对３５ＣｒＭｏ钢碳含量 的 技 术 要 求；而 螺 栓 心 部 各 元 素含量均在标准要求范围之内。
图 ２ 螺 栓 断 口 宏 观 形 貌 Ｆｉｇ．２ Ｍａｃｒｏ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｌｔ
１．３ 断 口 微 观 检 验 将螺栓断口清洗后使用扫描电镜进行观察。由
图 ３ 可 见 ，图 ２ 中 两 个 裂 纹 源 区 断 口 形 貌 相 似 ，该 两 个区域靠近 螺 栓 表 面，位 于 牙 根，牙 根 曲 率 半 径 最 小 ，是 应 力 集 中 部 位 ，因 而 容 易 形 成 裂 纹 。 且 该 区 域 贝纹线相对于疲劳 扩 展 区 更 为 密 集 光 亮，可 以 断 定
关 键 词 ：高 强 度 螺 栓 ；疲 劳 断 裂 ；脱 碳 ；调 质 处 理
中 图 分 类 号 ：ＴＧ１１５；ＴＧ１４２．１ 文 献 标 志 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１００１－４０１２（２０１４）１２－０９３３－０３
Ｆａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｂｏｌｔｓ ｆｏｒ Ｆａｓｔｅｎｉｎｇ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ
收 稿 日 期 ：２０１４－０５－１４ 作者简介：张 君（１９８３－），男，工程师，学士。 通 讯 作 者 ：温 宝 峰 （１９８６－ ），男 ，工 程 师 ，硕 士 。
图 １ 断 裂 螺 栓 宏 观 形 貌
Ｆｉｇ．１ Ｍａｃｒｏ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｂｏｌｔ · ９３３ ·
风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析
张 君 ，温 宝 峰 ，赵 江 涛 ，史 伟
（兰石集团 兰石测试中心，兰州 ７３００５０）
摘 要：某电力公司风力发电机塔筒底座紧固用高强螺栓使用 ４ａ（年）后，在 进 行 检 修 时 发 现 个 别 断 裂 现 象 。 通 过 对 螺 栓 断 口 进 行 宏 观 检 验 以 及 扫 描 电 镜 分 析 ，并 对 螺 栓 材 料 进 行 化 学 成 分 分 析 、 金相检验以及硬度测试，查明了螺栓断裂原因。结果表明：该螺 栓 断 裂 属 于 低 应 力 高 周 疲 劳 断 裂， 螺 栓 在 调 质 处 理 过 程 中 发 生 严 重 的 表 面 脱 碳 ，导 致 螺 栓 表 面 硬 度 和 强 度 降 低 ，于 是 在 应 力 集 中 的 螺 纹 根 部 萌 生 裂 纹 ，并 疲 劳 扩 展 直 至 断 裂 。
表 １ 螺 栓 表 面 、心 部 化 学 成 分 （质 量 分 数 ）
Ｔａｂ．１ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｌｔ（ｍａｓｓ）
％
位置
Ｃ
Ｓｉ
Ｍｎ
Ｐ
Ｓ
Ｃｒ
Ｍｏ
Ｃｕ
Ｎｉ
螺栓表面
０．００９
０．２６６
０．５５７
是最先形成的。图２中两个疲劳扩展区断口比较光 滑 并 且 存 在 明 显 的 贝 纹 线 ，是 疲 劳 裂 纹 的 扩 展 区 ，根 据 贝 纹 线 的 宏 观 走 向 ，可 进 一 步 确 定 两 个 裂 纹 源 区 。 图２中夹在两个疲劳扩展区之间的区域相对裂纹源 区和扩展区断口表 面 更 为 粗 糙，其 微 观 形 貌 为 大 量 的韧窝，为瞬断区 。 ［２］
ａｔ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ ｐｅｄｅｓｔａｌ ｗｅｒｅ ｆｏｕｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ． Ａｆｔｅｒ ｍａｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ （ＳＥＭ）ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｔｅｓｔ ｔｏ ｔｈｅ ｂｏｌｔ ｍａｔｅｒｉａｌ，ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｒｅａｓｏｎ ｗａｓ ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｌｏｗ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｃｙｃｌｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｓｅｖｅｒｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ ｒｅｄｕｃｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｌｔ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ａｔ ｔｈｅ ｒｏｏｔ ｏｆ ｂｏｌｔ ｗｈｅｒｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ，ｔｈｅ ｃｒａｃｋｓ ｆｏｒｍｅｄ ａｎｄ ｃｏｎｓｔａｎｔｌｙ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｕｎｔｉｌ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｆｉｎａｌｌｙ．
１．４ 金 相 检 验 该螺栓热处理状态为调质。在光学显微镜下可
以 看 出 ，螺 栓 心 部 显 微 组 织 为 回 火 索 氏 体 ，如 图 ４ 所 示，奥氏体晶粒度８．０ 级。 图 ５ 和 图 ６ 为 螺 栓 表 面 显 微 组 织 形 貌 ，为 铁 素 体 ，可 见 螺 栓 表 面 存 在 明 显 的 脱 碳 现 象，其 中，螺 纹 全 脱 碳 层 的 深 度 Ｇ ＝ ０．１２ｍｍ，螺纹未脱 碳 层 的 高 度 Ｅ＝Ｈ１－ 全 脱 碳 深 度－不完全脱碳层深度＝０．４５ｍｍ（Ｈ１ 为螺纹的牙
张 君等：风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析
图 ４ 螺 栓 心 部 显 微 组 织 Ｆｉｇ．４ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｂｏｌｔ ｃｅｎｔｅｒ
０．００８
０．００５
０．９６５
０．１５８
０．０１４
０．００３
螺栓心部
０．３６９
０．２５１
０．５４２
０．００８
０．００４
０．９３９
０．１５５
０．０１３
０．００２
标准值 ０．３２～０．４０ ０．１７～０．３７ ０．４０～０．７０ ≤０．０３５
≤０．０３５ ０．８０～１．１０ ０．１５～０．２５ ≤０．０３０
２ 综 合 分 析
螺栓机械加工 完 毕 后，要 进 行 淬 火 和 高 温 回 火 处理，并期得到理 想 的 回 火 索 氏 体 组 织。 然 而 化 学 成 分 分 析 结 果 显 示，螺 栓 表 面 的 碳 含 量 仅 为 ０．００９％ ，远 远 低 于 标 准 值 （０．３２％ ～０．４０％ ）和 心 部 的碳含量 ０．３６９％。 由 金 相 检 验 结 果 也 可 知，螺 栓 心部显微组织为细 小 的 回 火 索 氏 体，螺 栓 表 层 则 为 铁 素 体 ；说 明 螺 纹 表 面 发 生 了 全 脱 碳 ，且 脱 碳 层 深 度 较大。显微硬度测 试 结 果 显 示，螺 栓 表 面 硬 度 约 为 １３０ ＨＶ，心部 硬 度 约 为 ３７０ ＨＶ，进 一 步 证 明 螺 栓 表面发生了严重 的 脱 碳。 该 螺 栓 经 过 了 淬 火、高 温 回 火 处 理 ，在 淬 火 加 热 保 温 过 程 中 ，热 处 理 炉 内 碳 浓 度 过 低 ，导 致 零 件 表 面 脱 碳 ，待 整 个 试 样 完 全 奥 氏 体 化 后 ，表 面 形 成 了 超 低 碳 的 奥 氏 体 ，在 淬 火 冷 却 过 程 中 ，螺 栓 心 部 转 变 为 马 氏 体 ，而 螺 栓 表 面 则 转 变 为 铁 素体。在随后的高 温 回 火 过 程 中，马 氏 体 中 析 出 弥 散 细 小 的 碳 化 物 ，螺 栓 心 部 组 织 转 变 为 回 火 索 氏 体 ， 具有良 好 的 综 合 力 学 性 能，而 螺 栓 表 面 仍 然 为 铁 素 体［３－４］。 一 般 来 说 ，螺 栓 螺 纹 根 部 是 应 力 集 中 部 位 ，该 螺 栓表面脱碳，导致了 螺 纹 表 面 硬 度 和 强 度 的 大 大 降 低 。 另 外 螺 栓 在 安 装 时 ，预 紧 力 不 均 匀 ，导 致 受 力 较 大的螺栓在服役过程中风力和风叶转动产生的循环 冲击载荷作用下，于 螺 纹 根 部 出 现 裂 纹 并 疲 劳 扩 展 直至断裂 。 ［５］
· ９３４ ·
型高度，Ｈ１ ＝１．５ ｍｍ），螺 纹 牙 底 存 在 ０．０５３ ｍｍ 的全脱碳层。根 据 ＧＢ／Ｔ ３０９８．１－２０００《紧 固 件 机 械性 能 螺 栓、螺 钉 和 螺 柱 》的 要 求，Ｇ 的 最 大 值 为 ０．０１５ｍｍ，Ｅ 的 最小高度为２／３ Ｈ１，即１．０ｍｍ。可 见该两项指标均不满足标准技术要求。 １．５ 硬 度 试 验
图 ５ 牙 根 显 微 组 织 Ｆｉｇ．５ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｔｈｒｅａｄ ｒｏｏｔ
图 ６ 牙 尖 显 微 组 织 Ｆｉｇ．６ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｔｈｒｅａｄ ｃｕｓｐ
计 在 螺 栓 表 面 及 其 心 部 各 测 试 ３ 点 硬 度 ，结 果 如 下 ： 表 面 为 １３５，１２８，１３０ ＨＶ１０；心 部 为 ３７７，３８０， ３６５ ＨＶ１０。可见螺栓表面硬度明显低于心部硬度， 与螺栓表面存在明显的脱碳相吻合。
≤０．０３０
（ａ） 裂 纹 源
（ｂ） 裂 纹 扩 展 区
（ｃ） 瞬 断 区
图 ３ 螺 栓 断 口 扫 描 电 镜 形 貌
Ｆｉｇ．３ ＳＥＭ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｌｔ
（ａ） Ｃｒａｃｋ ｓｏｕｒｃｅ （ｂ） Ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｒｅａ （ｃ） Ｆａｓｔ ｆｒａｃｔｕｒｅ ａｒｅａ
典 型 的 疲 劳 断 裂 特 征 ，且 有 两 个 裂 纹 源 ，疲 劳 裂 纹 扩 展区约占整个断口的８０％，瞬 断区 约 占 整 个 断 口 的 ２０％ 。 由 螺 栓 断 口 宏 观 形 貌 可 以 断 定 其 为 双 向 疲 劳 断 裂［１］。 １．２ 化 学 成 分 分 析
在 断裂螺栓上取 样 ，分 别 对 螺 栓 表 面 及 心 部 位
１ 理 化 检 验
１．１ 宏 观 检 验 图１为其中一 根 断 裂 螺 栓 的 宏 观 形 貌，可 见 断
裂位于有螺纹的部 位，螺 栓 螺 纹 根 部 恰 好 是 应 力 集 中位置。 图２是螺栓断 口 宏 观 形 貌，发 现 断 裂 部 位 正 好 处 于 螺 纹 牙 根 位 置 ，断 口 上 存 在 明 显 的 贝 纹 线 ，呈 现
ＺＨＡＮＧ Ｊｕｎ，ＷＥＮ Ｂａｏ－ｆｅｎｇ，ＺＨＡＯ Ｊｉａｎｇ－ｔａｏ，ＳＨＩ Ｗｅｉ （Ｌａｎｓｈｉ Ｔｅｓｔ Ｃｅｎｔｅｒ，ＬＳ Ｇｒｏｕｐ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ａ ｒｏｕｔｉｎｇ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐａｎｙ，ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｆａｓｔｅｎｉｎｇ ｂｏｌｔｓ ｓｅｒｖｉｃｉｎｇ ｆｏｒ ４ｙｅａｒｓ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｏｌｔ；ｆａｔｉｇｕｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ；ｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ；ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
某电力公司在对风力发电机进行检修的过程中 发现，风机塔筒架底 部 起 固 定 作 用 的 个 别 螺 栓 出 现 了断裂现象。风力发电机塔筒底部连接法兰与风机 基 础 ，一 台 风 力 发 电 机 塔 筒 底 座 法 兰 共 由 ４８ 根 螺 栓 均匀分布连接，检修 时 发 现 在 一 个 方 位 相 邻 的 ３ 根 螺 栓 都 发 生 了 断 裂 ，且 都 断 裂 于 螺 纹 部 位 ，如 图 １ 所 示 。 该 批 螺 栓 已 使 用 了 ４ａ（年 ），由 同 一 家 供 货 商 提 供，螺栓材料为３５ＣｒＭｏ钢，螺 纹 规 格 Ｍ２０，性 能 等 级 １０．９ 级 。 为 查 明 该 螺 栓 断 裂 原 因 ，以 便 采 取 措 施 避免类似失效的再 次 发 生，笔 者 对 其 进 行 了 检 验 和 分析。
张 君等：风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析
置进行化学 成 分 分 析，结 果 见 表 １。 可 见 螺 栓 表 面 碳含量仅为 ０．００９％，明 显 低 于 ＧＢ／Ｔ ３０７７－１９９９ 对３５ＣｒＭｏ钢碳含量 的 技 术 要 求；而 螺 栓 心 部 各 元 素含量均在标准要求范围之内。
图 ２ 螺 栓 断 口 宏 观 形 貌 Ｆｉｇ．２ Ｍａｃｒｏ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｌｔ
１．３ 断 口 微 观 检 验 将螺栓断口清洗后使用扫描电镜进行观察。由
图 ３ 可 见 ，图 ２ 中 两 个 裂 纹 源 区 断 口 形 貌 相 似 ，该 两 个区域靠近 螺 栓 表 面，位 于 牙 根，牙 根 曲 率 半 径 最 小 ，是 应 力 集 中 部 位 ，因 而 容 易 形 成 裂 纹 。 且 该 区 域 贝纹线相对于疲劳 扩 展 区 更 为 密 集 光 亮，可 以 断 定
关 键 词 ：高 强 度 螺 栓 ；疲 劳 断 裂 ；脱 碳 ；调 质 处 理
中 图 分 类 号 ：ＴＧ１１５；ＴＧ１４２．１ 文 献 标 志 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１００１－４０１２（２０１４）１２－０９３３－０３
Ｆａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｂｏｌｔｓ ｆｏｒ Ｆａｓｔｅｎｉｎｇ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ
收 稿 日 期 ：２０１４－０５－１４ 作者简介：张 君（１９８３－），男，工程师，学士。 通 讯 作 者 ：温 宝 峰 （１９８６－ ），男 ，工 程 师 ，硕 士 。
图 １ 断 裂 螺 栓 宏 观 形 貌
Ｆｉｇ．１ Ｍａｃｒｏ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｂｏｌｔ · ９３３ ·
风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析
张 君 ，温 宝 峰 ，赵 江 涛 ，史 伟
（兰石集团 兰石测试中心，兰州 ７３００５０）
摘 要：某电力公司风力发电机塔筒底座紧固用高强螺栓使用 ４ａ（年）后，在 进 行 检 修 时 发 现 个 别 断 裂 现 象 。 通 过 对 螺 栓 断 口 进 行 宏 观 检 验 以 及 扫 描 电 镜 分 析 ，并 对 螺 栓 材 料 进 行 化 学 成 分 分 析 、 金相检验以及硬度测试，查明了螺栓断裂原因。结果表明：该螺 栓 断 裂 属 于 低 应 力 高 周 疲 劳 断 裂， 螺 栓 在 调 质 处 理 过 程 中 发 生 严 重 的 表 面 脱 碳 ，导 致 螺 栓 表 面 硬 度 和 强 度 降 低 ，于 是 在 应 力 集 中 的 螺 纹 根 部 萌 生 裂 纹 ，并 疲 劳 扩 展 直 至 断 裂 。
表 １ 螺 栓 表 面 、心 部 化 学 成 分 （质 量 分 数 ）
Ｔａｂ．１ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｌｔ（ｍａｓｓ）
％
位置
Ｃ
Ｓｉ
Ｍｎ
Ｐ
Ｓ
Ｃｒ
Ｍｏ
Ｃｕ
Ｎｉ
螺栓表面
０．００９
０．２６６
０．５５７
是最先形成的。图２中两个疲劳扩展区断口比较光 滑 并 且 存 在 明 显 的 贝 纹 线 ，是 疲 劳 裂 纹 的 扩 展 区 ，根 据 贝 纹 线 的 宏 观 走 向 ，可 进 一 步 确 定 两 个 裂 纹 源 区 。 图２中夹在两个疲劳扩展区之间的区域相对裂纹源 区和扩展区断口表 面 更 为 粗 糙，其 微 观 形 貌 为 大 量 的韧窝，为瞬断区 。 ［２］
ａｔ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ ｐｅｄｅｓｔａｌ ｗｅｒｅ ｆｏｕｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ． Ａｆｔｅｒ ｍａｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ （ＳＥＭ）ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｔｅｓｔ ｔｏ ｔｈｅ ｂｏｌｔ ｍａｔｅｒｉａｌ，ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｒｅａｓｏｎ ｗａｓ ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｌｏｗ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｃｙｃｌｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｓｅｖｅｒｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ ｒｅｄｕｃｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｌｔ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ａｔ ｔｈｅ ｒｏｏｔ ｏｆ ｂｏｌｔ ｗｈｅｒｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ，ｔｈｅ ｃｒａｃｋｓ ｆｏｒｍｅｄ ａｎｄ ｃｏｎｓｔａｎｔｌｙ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｕｎｔｉｌ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｆｉｎａｌｌｙ．
１．４ 金 相 检 验 该螺栓热处理状态为调质。在光学显微镜下可
以 看 出 ，螺 栓 心 部 显 微 组 织 为 回 火 索 氏 体 ，如 图 ４ 所 示，奥氏体晶粒度８．０ 级。 图 ５ 和 图 ６ 为 螺 栓 表 面 显 微 组 织 形 貌 ，为 铁 素 体 ，可 见 螺 栓 表 面 存 在 明 显 的 脱 碳 现 象，其 中，螺 纹 全 脱 碳 层 的 深 度 Ｇ ＝ ０．１２ｍｍ，螺纹未脱 碳 层 的 高 度 Ｅ＝Ｈ１－ 全 脱 碳 深 度－不完全脱碳层深度＝０．４５ｍｍ（Ｈ１ 为螺纹的牙