目前国内风电机组大多存在叶片螺栓断裂问题，常规处理办法仅是更换新的叶片螺栓，未进行断裂原因分析，断裂根本原因未查清往往导致新更换螺栓在运行一段时间后再次发生断裂，如此往复，极大影响机组安全稳定运行。
本文将从叶片螺栓设计、叶片螺栓质量、叶片螺栓安装等方面进行问题排查，通过理论分析和试验研究，深入探索叶片螺栓断裂原因，给出相关处置建议，力求从根本上解决螺栓断裂难题。
1/ 叶片螺栓的设计与质量分析
1.1 叶片螺栓
风电场叶片连接轮毂螺栓为10.9级高强双头螺栓，规格为M36x3x461mm，螺杆直径是φ26mm（见图1），材料为42CrMoA（高级优质钢），最终热处理工艺为调质处理，螺杆表面采用达克罗防腐处理。
图1. 叶片连接轮毂螺栓（单位：ｍｍ）
1.2 宏观检查
螺栓断面基本与轴向垂直，大部分为黑色附着物所覆盖，有少许锈红色，断面的圆周边缘和断面局部有明显的摩擦痕迹并呈金属光泽，未见颈缩等显著塑性变形现象，螺栓呈脆性断裂（见图2）。
图2. 螺栓断面图
螺栓断面形貌特征类似低应力旋转疲劳断口，根据形貌特征将断面分为四个区：
（1）第一区。图2箭头所指处为裂纹源区，裂纹起源于螺杆表面；
（2）第二区。裂纹扩展前区，该区隐约可见疲劳弧线，区内金属断面细腻、光滑，呈细瓷状；
（3）第三区。裂纹扩展后区，面积约占整个断面的70%，较第二区断面粗糙，该区后部有放射状纹路；
（4）第四区。瞬时断裂区即最终断裂区，倾斜于螺杆横截面（斜断面），面积约占整个断面的1/5，瞬断区面积占比较小说明螺栓在断裂时所受的应力不大。该区颜色较深，为陈旧断口，显示该螺栓已经断裂失效一段时间。
螺杆表面在出厂时进行了达克罗涂覆处理，涂层呈银灰色，螺杆表面的环形机加工刀痕较为明显，如图3(b)，
紧接断面裂纹源的螺杆表面（断口附近侧面）色泽光亮且平滑，有较强的反光性，已失去原先的银灰色，有明显的碰磨痕迹如图3(a)，
螺杆表面的达克罗涂层和机加工刀痕已消失，在断裂螺栓的螺杆变径线附近表面也发现了同样的碰磨痕迹见图4虚线框内。
图3. 邻接裂纹源的螺杆侧面碰磨图
图4. 螺杆变径位置附近碰磨图
2/ 光谱分析
采用NITON XL3T 800合金分析仪对断裂螺杆合金成分进行光谱分析，结果见表1。
表1. 断裂螺杆合金成分（单位：%）
表1中Cr、Mo元素含量符合GB/T3077-2015《合金结构钢》关于42CrMo的规定，Mn元素含量略高于GB/T3077要求的上限，由于Mn元素能够在一定程度上提高钢的综合性能，其含量少量超出标准一般不会降低材料性能，但有可能导致MnS夹杂物随之增加。
3/ 非金属夹杂物评定
沿断裂螺栓截面切取金相试样磨抛后不侵蚀，用Observe.A1m金相显微镜观察非金属夹杂物形貌。图5显示螺杆表层以及中心位置主要为颗粒状夹杂物和沿轧制方向分布的条形夹杂物，在邻近裂纹源的螺杆表层发现粗大的颗粒状夹杂物见图5(a)，根据其形状以及光学特征判定为含Si元素的氧化物。
依照GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》可对夹杂物级别评定为A2.5B1.5D2.0DS2.5级，满足GB/T 3077-2015对高级优质钢中非金属夹杂物的合格级别要求。
图5. 螺栓夹杂物图
4/ 微观金相组织试验
分别在断裂螺栓和未断裂螺栓的螺杆部位切取横截面试样，采用砂纸打磨、机械抛光，试样浸蚀剂为4%硝酸酒精溶液，再用Obsever.A1m型金相显微镜观察金相组织。
4.1 断裂螺栓横截面
图6(a)为螺杆表层组织（断面裂纹源侧），图6(b)是螺杆心部组织，组织均为保留马氏体位向的回火索氏体和少量块状铁素体，回火索氏体组织晶粒细小，心部组织中的铁素体含量较表面稍多；
组织中的碳化物非均匀弥散分布，颗粒状碳化物沿原奥氏体晶界形成团状和链状，螺杆表面和心部均如此；
在断面裂纹源附近的螺杆表面发现脱碳现象，脱碳深度40μm（见图6(c)），已超出GB/T3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》的允许值（15μm）。
图6. 断裂螺栓横截面图
4.2 断裂螺栓纵截面
图7为断面裂纹源处纵向剖面的金相组织，靠近断面的螺杆表面金属的组织有明显的塑性流变，显示该处在运行中受到挤压，挤压变形方向指向螺杆断面，裂纹源处的断面基本为穿晶发展。
图7. 断裂螺栓纵截面图
4.3 正常螺栓横截面
未断螺栓的螺杆表层及其心部组织见图8，表层组织为保留马氏体位向的细小、均匀回火索氏体组织。组织中的碳化物弥散分布，心部组织有少量块状铁素体，图8(c)为螺杆表面组织，未见明显的脱碳现象，螺杆表面的达克罗防腐涂层严密完整，涂层厚度48μm。
图8. 未断螺栓横截面图
5/ 断口微观检查和能谱分析
使用扫描电子显微镜（SEM）观察螺栓断口和螺杆表面碰磨区域，图9为断面裂纹源区形貌，图9(a)虚线矩形框外侧的螺杆表面圆周轮廓线尚明显，框内的圆周轮廓线被压平，进一步放大后见图9(b)，螺杆表面的轴向纹路弯折向断面，显示螺杆该处表面受挤压最为严重，表面金属在受到轴向碰磨和挤压后弯折向螺杆内部，形成凹坑，且该处表面局部出现开裂。
图9. 螺栓断面裂纹源区图
图9裂纹源区域中箭头所指的的突起处呈密集、连续的颗粒状形貌特征，对该处和金属基体（图9(a)中谱图3和4）进行元素成分能谱分析（EDX），能谱分析图及分析结果分别见图10和表2。
根据表2判断颗粒状突起应为含Si和Al的夹杂物（氧化物），谱图3显示基体成分含有Zn，应为遗留的达克罗涂层。
图10.断面裂纹源区能谱分析图
表2. 裂纹源区能谱成分分析（重量％）
图11为SEM观察到的螺杆表面正常位置和碰磨光滑位置的形貌，图11(a)显示正常位置的表面涂层完好，机加工环形刀痕清晰、深度均匀；图11(b)为裂纹源侧面的螺杆表面碰磨区域，该区域机加工刀痕深度变浅甚至消失，且表面密集分布着基本平行的摩擦条痕，摩擦条痕稍稍倾斜于螺杆轴向。
图11. 螺杆表面图
6/ 硬度检测
使用HBE-3000A布氏硬度计对断裂和未断裂2根螺栓的螺杆横截面进行硬度检测，其中断裂螺栓的硬度检测面距断面约15mm，检测点编号1~5位置按顺序由螺杆外侧至心部，检测结果见表3。
表3. 螺栓硬度HBW2.5/750
检测结果显示2根螺栓的硬度均在GB/T3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》规定范围内（10.9级螺栓：304~361 HBW）。
7/ 室温拉伸性能试验
由于提供的断裂螺栓的长度无法加工成标准拉伸试样，只对未断裂螺栓进行室温拉伸性能试验，检测结果见表4，室温拉伸力学性能合格。
表4. 螺栓室温拉伸检测结果
8/ 综合分析
宏观和微观检查发现断裂螺栓的螺杆局部与法兰存在碰磨和挤压现象，断口分析确定断面裂纹源紧接螺杆表面碰磨位置，金相显微镜观察到螺杆此处的表层晶粒存在塑性流变，且扫描电镜在断面裂纹源区域观察到由于挤压形成的凹坑，说明螺杆受挤压处承受了较大的应力并导致表面损伤。
由于叶片在运行过程中，变桨、阵风和风切变等因素使得其连接轮毂的螺栓不断承受交变载荷作用，且疲劳裂纹的萌生对部件表面缺陷非常敏感，导致螺杆在表面碰磨损伤处衍生疲劳裂纹并最终致使螺栓断裂，因此螺杆受到碰磨和挤压导致表面损伤是螺栓断裂的直接原因。
扫描电镜观察到螺杆碰磨区域有密集、平行的碰磨条痕，说明连接螺栓有松动现象，在运行中螺栓与连接件之间因此出现相对位移现象并发生碰磨，导致螺杆局部受到碰磨和挤压，使螺栓承受额外弯矩、拉伸和剪切等复杂的交变载荷。
在断面裂纹源区域的凹坑底部观察到较多含Si、Al的夹杂物,由于夹杂物破坏了基体的均匀性和连续性,在受力状态下螺栓基体和夹杂物界面处容易衍生裂纹。断裂螺栓金相组织中沿晶分布较多颗粒状碳化物，也会使力学性能尤其是冲击韧性下降，有利于裂纹的扩展。
本次风力发电机叶片连接轮毂螺栓断裂的直接和主要原因是预紧力不足，螺栓与连接件在运行中存在相对位移并导致碰磨和挤压，造成表面裂纹的萌生，裂纹在交变载荷的作用下扩展，导致螺栓发生疲劳断裂。
在满足螺栓使用标准的情况下，预紧力越大，螺栓载荷系数越小，螺栓使用寿命越长。
预紧力不足主要有以下原因：
①安装时润滑剂涂抹不合格对预紧力的影响；
②出场后运输过程中螺栓外部损伤对预紧力的影响；
③维护过程异常对预紧力的影响，其中包括维护周期过长或维护力矩不足；
④其他环境因素，其中包括风机长期存在振动、风况不稳、极端环境等不确定因素。
针对以上提出相关建议：
若螺栓断裂未达到批次问题可采用更换整机叶片螺栓；
若批量损坏或损坏频次增加属于共性问题，可采取以下建议措施进行防控：
①严格管控原材料质量和螺栓加工工艺；
②严格按照定期维护手册的周期对螺栓进行紧固及校验；
③找出螺栓断裂区域，对此区域进行金属探伤检测，早发现早更换；
④更换叶片螺栓前检查螺栓外观是否受损、安装时确保润滑剂及紧固胶涂抹到位；
⑤与厂家共同讨论更换更高强度螺栓，增加预紧力。
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来源：《水电与新能源》（作者：金献凯；黄文兵；成硕）
