风力发电机组关键金属部件失效模式及金属监督研究
时间：2023-06-27 12:35:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
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（湖北能源集团鄂州发电有限公司，湖北 鄂州 436032）
在全球能源结构向低碳化转变、能源消费结构不断优化的背景下，可再生能源需求持续增长的趋势具备确定性。风能凭借其资源总量丰富、环保、运行管理自动化程度高、度电成本持续降低等突出的优势，目前已成为开发和应用最为广泛的可再生能源之一，是全球可再生能源开发与利用的重要构成，其发展正逐渐从补充性能源向替代性能源持续转变，其应用是推动能源结构优化、能源低碳化的重要驱动力。
根据国家能源局《风电发展“十三五”规划》（2016年11月），为实现2020年和2030年非化石能源占一次能源消费比重15%和20%的目标，促进能源转型，我国必须加快推动风电等可再生能源产业发展。“碳达峰，碳中和”目标的提出，给中国风电行业再次注入强心剂。实现“碳达峰，碳中和”是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，如期实现2030 年前碳达峰、2060年前碳中和的目标，风电行业将迎来长期高速发展机会。
中国是世界最大的风电市场，拥有丰富的风力资源。中国风电市场的繁荣在过去数十年发展历程中也推动着中国风电整机制造商的发展和进步，加上中国风电产业很长一段时间受到政策的大力支持与鼓励，风电产业发展迅速，部分行业领先企业的产品技术水平逐步向国际先进水平靠拢。根据GWEC《Global Wind Report 2022》统计数据，从2001年至2021年全球风电装机容量从24 GW增加至837 GW，而中国是全球风电装机容量第一大国，截止到2021年中国累计风电装机容量达到346.7 GW。
随着风电机组装机容量的快速增加，如何保障机组的安全稳定运行是风电行业面临的一大挑战。参照火电机组与水电机组，开展技术监督是保障机组安全稳定运行的有效手段，金属监督属于电力技术监督的一个专业，金属监督的对象是对设备或人身危害性较大的部件，对风电机组来说，螺栓、塔筒、轴承、齿轮、主轴等金属部件的失效会造成较大的损失甚至危害设备安全，本文从这几个方面对风电机组的金属监督进行探讨。
螺栓是风电机组中最重要的部件之一，在塔筒与地基、塔筒之间、叶片与变桨轴之间等部位大量使用，是风机中数量最多的一类部件，1 台风电机组的螺栓数量接近1 000条，其主要作用是将风机的各部件连接在一起，螺栓的损伤或者断裂会造成风机不能正常工作，严重时导致风机倒塌，造成严重的经济损失，因此对风机螺栓的监督应该引起足够的重视。
风机螺栓绝大多数用的是10.9 级高强螺栓，少量用到了8.8级高强螺栓，材质主要有20MnTiB和42CrMo等，10.9级高强螺栓的公称抗拉强度为1 000 MPa，屈强比为0.9，即屈服强度为900 MPa，屈强比较高，从另一方面说螺栓的韧性储备相对不足。
风机螺栓一般由圆钢加工，加工过程如下：下料、锻造、热处理、螺纹加工（滚齿或者车销）、酸洗、脱氢、防锈。在设计、制造［1］、安装、运行各环节控制不当均有可能导致风机螺栓的失效，从已发生的失效案例来看，失效原因大多涉及设计、制造和安装环节。
2.1 设计环节
在设计方面存在的主要问题是螺栓以均匀载荷设计，即每个螺栓承受的载荷相同，而实际上每个螺栓承受的载荷并不相同。王明军［2］汇总了某风电场叶片连接螺栓断裂位置，并将其绘制在图中，结果表明发生断裂的螺栓大部分位于1/4圆周的位置（图1），对其进行疲劳载荷分析，表明叶片螺栓的载荷不均匀，约1/4的螺栓疲劳载荷高于其它螺栓，说明按均布载荷设计的螺栓存在一定的不合理性。
图1 断裂螺栓分布图Fig.1 Fracture bolt distribution diagram
在制造环节中，锻造不当可能会产生锻造裂纹，热处理不当可能会造成性能不达标、增碳或者脱碳，螺纹加工可能会造成齿根裂纹等，酸洗和脱氢可能会造成氢脆。在安装环节中，主要是强力安装及预紧力不达标，强力安装将导致螺栓承受额外的剪切力，预紧力不达标螺栓容易松动，对于高强螺栓存在“不松不断，一松就断”的现象，当预紧力达不到规定值时，螺栓容易松动，产生额外的冲击载荷，导致螺栓断裂。
2.2 制造环节
某风电塔筒地锚螺栓在安装过程的例行检查中发现8个螺母松动，进一步检查发现这8个螺母对应的螺栓均已断裂，锚栓材质为42CrMo，为10.9级镀锌锚栓，长3 500 mm，直径39 mm，两端螺纹长度均为600 mm，下锚板距螺栓下端面135 mm，上锚板距锚栓上端面365 mm；
镀锌工艺为热镀锌，镀锌前经过了酸洗；
其宏观断口形貌如图2所示，下方深色的为启裂区域，中部为放射区域，上部为剪切断裂区域，对其进行金相检验、化学成分分析、力学性能检验、扫描电镜分析，启裂区的剖面金相如图3 所示，裂纹呈现沿晶特征且表层存在脱碳，扫描电镜表明断口中存在二次裂纹，说明断裂处锚栓脆性较大，能谱分析表明在图1 下方深色区域存在较多锌元素，说明在镀锌之前螺栓已经存在裂纹。综合以上分析表明锚栓的制造质量不合格是导致断裂的原因。
图2 锚栓宏观断口Fig.2 Macro fracture of anchor bolt
图3 断口处剖面金相组织Fig.3 Metallographic structure of fracture section
王一帆［3］报道了一起风电螺栓在安装时发生断裂的事故，螺栓的材质42CrMo，等级为10.9 级，规格M30×355 mm。能谱分析表明在裂纹源区存在大量的Zn 元素，说明在热镀锌之前螺栓已经存在裂纹，也是制造工艺不当引起的螺栓断裂。韩克甲［4］报道了风电螺栓在服役800 h后的断裂事故，结果表明螺栓表层存在全脱碳层是断裂的主要原因。
某在建火电机组钢结构的高强螺栓大量断裂对风电高强螺栓监督也有借鉴意义。螺栓材质为20MnTiB，规格M24×75 mm，在锅炉钢结构施工到第4层时，现场人员发现高强度螺栓的端头从钢架上脱落，封锁现场观察几天仍然持续有端头脱落现象。对螺栓进行硬度和金相检验，结果表明螺栓表层有一层增碳层、螺栓表层硬度超标、螺纹根部存在微裂纹，在断口中发现有鸡爪痕。说明螺栓制造质量不合格，发生了氢脆，导致螺栓在拧紧后不久自行断裂。详细了解制造过程，发现厂家在热处理过程中对还原气体控制不当，造成了增碳环境，螺栓表层产生了增碳。螺栓的硬度越高对氢脆越敏感，再加上在酸洗后未进行脱氢处理，导致在拧紧后不久螺栓端头自动脱落。
2.3 安装环节
除了制造质量外，施工质量也是引起螺栓断裂的一大因素。主要有以下几个方面：一是套筒法兰精度不够，强行安装螺栓，导致螺栓承受额外的载荷；
二是预紧力不达标，高强螺栓的预紧力是保障连接强度和保护螺栓的重要因素，通常用拧紧力矩来控制，但是有时候扭矩达标预紧力不一定达标，这是因为螺纹精度不高或者螺纹中有异物，在运行一段时间后螺栓就会松动甚至断裂。
某风电场巡视人员在巡检时发现基础环与底段塔筒连接螺栓有两根断裂［5］，用力矩检查时又发现有5根螺栓断裂，通过宏观检查、金相检验、断口分析对断裂原因进行了分析，宏观检查基础环与底端塔筒的螺栓孔存在错位，导致螺栓安装过程中存在强行安装的情况，法兰面间隙较大，螺栓存在腐蚀的情况，螺栓的金相组织未见异常，断口呈现疲劳断口，综合以上分析表明基础环和塔筒法兰螺栓孔存在错位，以及法兰存在间隙造成螺栓存在较大的附加载荷是断裂的主要原因。
2.4 服役环节
为了保障风电机组的安全运行，除了从设计、制造、安装等环节加强螺栓监督之外，在运行过程中也需要对风电螺栓进行监督。在运行中螺栓的重要指标是螺栓的轴力，螺栓断裂会导致轴力下降至零，螺栓松动会导致轴力下降，对于高强螺栓来说存在“不松不断，一松就断”的情况，因此在安装、运行中加强螺栓轴力的监测和检查尤为重要。
根据相关研究［6］，在安装过程中依据扭矩来控制预紧力，认为扭矩达标则预紧力达标，实际上受螺纹加工精度及安装条件影响，经常会出现扭矩达到规定值，而预紧力不达标，在运行一段时间之后螺栓就会松动，因此要求在螺栓安装前进行适当的润滑，文献［7］中也做过相关试验，在相同扭矩下，用油润滑的螺栓比未经润滑的螺栓预紧力更大，虽然存在润滑现象，但是经过润滑后的螺栓防松动效果更好。
关于螺栓预紧力的监测，目前有多种方法，如扭矩法、超声波法等，最近也出现了通过螺栓上设置轴力测量显示装置的方法，称之为直接显示法。扭矩法直接通过螺母的扭矩来监测螺栓是否断裂，是最直接也是使用最广泛的一种方法。
利用超声波对螺栓预紧力检测有两种形式，一是通过检测螺栓中纵波声速、横波声速的变化来检测螺栓的预紧力，二是直接用超声波测量螺栓的伸长率，由胡克定律算预紧力，同时通过超声的反射情况可以对螺栓断裂情况进行检测［8-14］。
在安装阶段螺栓的初始伸长量为0，可以检测超声波在拧紧前后螺栓中的传播时间和声速来计算螺栓的伸长量，再根据胡克定律计算螺栓的预紧力是否达标。
在服役阶段可以通过螺栓纵波声速、横波声速的变化来检测螺栓的预紧力，计算公式如下所示。
式（1）-式（3）中，VL为纵波声速；
VS为横波声速；
λ为Lame第一常数；
μ为剪切模量。
由于螺栓在拧紧过程中的应力和变形主要发生在轴向，径向的应力和变形很小，因此忽略横波声速的变化。
根据相关研究［15］，纵波声速可由式（4）表示：
式（4）中，VL0为零应力时的纵波声速，a为一阶弹性模量，b为二阶弹性模量，σ为应力，由式（3）、式（4）可知，纵波声速与螺栓中的应力有关，事先标定得到一阶弹性模量a、二阶弹性模量b以及初始声速，在现场通过测量螺栓中纵波声速经过换算得到螺栓的应力。
直接显示法是在螺栓内部布置测力元件实时监测螺栓的预紧力，国外也报道了根据预紧力不同螺栓端面颜色发生变化的螺栓。相关专利显示［8-9］，将螺栓设计为中间通孔结构，在通孔内布置应变片，通过数据采集、数据处理等过程可以实现螺栓在安装、服役全过程的在线监测。这种方法需要在螺栓中间开孔，而且数据采集及处理的软硬件复杂，成本高，维护复杂。国外报道了在螺栓端面设置显示片的方法来显示螺栓的预紧力，但是未透露相关细节，该螺栓在端面有显示孔，当螺栓是松的状态时显示红色，当螺栓拧紧后显示黑色，该变色螺栓申请了专利而且价格较高，尚未普及。
大型风力发电机组的塔筒一般为薄壁圆壳结构，径厚比均在100 以上，这种结构特点决定了塔筒的局部或整体屈曲失稳是其主要的失效形式。塔筒在服役中承受由叶片和机舱的重量引起的垂直载荷，同时承受风载荷引起的水平弯矩，与垂直载荷相比，水平弯矩更容易引起屈曲失稳［16］。
屈曲失稳与塔筒的截面形状密切相关，设想塔筒截面具有一定的椭圆度，在极限状态下椭圆短轴长度趋向于0，此时塔筒在椭圆短轴方向完全没有承受弯矩的能力，因此椭圆形状的塔筒在短轴方向的抗屈曲能力低于椭圆的长轴方向。为提高风能利用率，风机运行中会利用偏航捕集各个方向的风，要求塔筒能承受各个方向的水平弯矩，因此塔筒的截面形状为正圆形。
屈曲失稳还与塔筒筒身的不连续处有关。塔筒的制造过程一般为钢板卷板、焊接、矫形，在卷板过程中不可避免地会产生塔筒不圆、接头棱角度等缺陷，焊接也可能产生缺陷，在塔筒筒身上也会开门洞，这些都会造成塔筒筒身的不连续，降低塔筒的抗屈曲性能。
龙凯［17］比较了不带门洞、门洞不带框、门洞带框对塔筒屈曲的影响，结果表明无门洞塔筒与带框门洞塔筒屈曲性能接近，一阶屈曲振型发生在塔筒上方并呈褶皱状分布。无框门洞塔筒的屈曲发生在门洞附近，说明塔筒对开孔是高度敏感的，开孔部位如果没有补强则开孔部位最容易造成屈曲失稳。
高裕贤［18］研究了水平载荷方向对带框门洞塔筒屈曲的影响，结果表明水平载荷与带框门洞方向200°～220°时更容易发生屈曲失稳，屈曲失稳的部位位于筒身上部。
刘贻雄［19］研究了轴向载荷、径向载荷以及开门洞对塔筒屈曲的影响。轴向载荷、径向载荷对塔筒的屈曲起主要作用。门洞的形状也对塔筒的屈曲有较大影响，圆弧形门洞优于矩形门洞，带框门洞优于不带框门洞。
某风电厂在检查时发现靠近机头部位的塔筒存在变形，变形较为规则，筒节整圈约1/2的钢板存在连续凹凸变形，变形部位宽度200 mm，严重部位凸起高度差为7 mm～9 mm（图4），标准要求小于2 mm，此筒节钢板厚15 mm，筒体直径Φ3 345 mm，钢板材质Q345D。经分析表明是塔筒在制造过程中支撑辊轮对塔筒挤压造成的。在制造过程中，根据焊接等工艺需要塔筒在支撑辊轮上转动，如果支撑辊轮数量不足，在辊轮处塔筒筒体承受的载荷过大，会造成辊轮处塔筒变形。变形后的塔筒将会成为失稳风险点。
图4 塔筒变形部位Fig.4 Deformation part of the tower
钢制风电塔筒由钢板卷焊而成，钢板厚度从15 mm 至60 mm 不等，材质以Q345 为主，这种材料焊接性较好，不容易产生焊接缺陷，但是如果焊接过程控制不当也容易产生裂纹、未焊透等焊接缺陷，依据相关规程壁厚大于15 mm的Q345钢焊接时需要焊前预热，壁厚大于30 mm 时需要焊后热处理，同时对焊接环境也有要求，如雨、雪、大风、环境温度等都对焊接质量有影响。塔筒焊缝存在裂纹将降低塔筒的连续性，此部位会成为屈曲失效的薄弱点。
风电轴承分为偏航轴承、变桨轴承、主轴轴承、变速箱轴承、发电机轴承等。风电轴承的工况十分恶劣，需要承受的温湿度变化、载荷变化非常大，尤其是偏航轴承和变桨轴承，不仅要承受轴向力，还要承受倾覆力矩。风机轴承的维修更换费用巨大，一般要求使用20年免维修，这对风机轴承提出了更高的要求。
风机轴承的失效主要以滚珠的接触疲劳为主，发电机轴承可能会发生电腐蚀［20］，轴承保持架的断裂也有报道［21］，保持架断裂之后会加剧滚珠的失效。造成轴承滚珠疲劳有多方面原因：载荷过大、滚珠精度不高、滚珠的硬度不高或者渗碳层厚度不满足要求等。从监督角度来说在运行中加强对轴承声音和温度的检测［22］，发现异常声音及时处理。更重要的是加强制造过程的监督，对轴承滚珠的材质、精度、渗碳层的硬度和厚度进行过程管控，在源头消除隐患。
风机齿轮的失效主要以疲劳失效为主［23］，原因是齿轮在运行中不可避免地收到风机启停过程以及变负荷过程中的冲击载荷作用，另外在润滑不良情况下齿面也可能会发生接触疲劳。除了在运行中监督之外，更重要的是加强制造质量监督，包括原材料夹杂物的控制、加工精度、表层渗碳或渗氮层的硬度及厚度等。
风机主轴的失效原因以制造质量不佳为主，燕友增报道了某风电场安装过程中发生主轴断裂的事故［24］，造成了巨大的损失，经过检测发现在裂纹源附近为铸态组织，主轴外表面为调质状态的组织，而芯部与外表面组织存在较大差异，说明该主轴的锻造工艺和热处理工艺不合格，最终导致了主轴的断裂。关于轴类零件调质处理不合格的案例较多，表现为轴的表层组织为索氏体组织，而芯部为退火态组织，表层与芯部组织差异较大［25-26］，此时轴的冲击功往往达不到标准要求，轴的脆性较大，容易发生突然断裂事故。从监督的角度来说应加强轴的制造质量监督，除了常规的检验项目外，应重点关注轴芯部的金相组织。
1）风电机组高强螺栓失效的主要原因有设计不合理、制造质量不佳、安装阶段预紧力不达标、安装导致的附加载荷等；
风电机组高强螺栓预紧力检测可采用扭矩法、超声波法和直接显示法；
高强螺栓的监督应重点关注制造质量、安装工艺及在线监测。
2）风电塔筒失效的主要模式为设计不合理、形状偏差、制造质量等因素导致的屈曲失效；
风电塔筒的监督应重点关注设计、制造质量及在线监测。
3）风电轴承失效的主要模式为接触疲劳，主要与轴承的设计及制造质量有关。风机齿轮的失效以疲劳失效为主；
风机主轴的失效原因主要与制造质量有关。轴承、齿轮、主轴应重点监督制造质量。
