某风电场塔筒连接高强螺栓断裂原因分析.pdf

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1、某风电场塔筒连接高强螺栓断裂原因分析肖剑，段二顺，任淮辉，岳文彦f龙源(北京)风电工程技术有限公司，北京100034]摘要：针对某风电场塔筒连接高强螺栓频繁断裂进行了失效分析，结合现场勘测、有限元计算和理化检测、金相检验和断口分析的结论，确定螺栓断裂的原因，为风电场的设备维护提供了理论依据，以减少和预防同类失效事件的再次发生。关键词：有限元；理化检测；金相检验；断口分析05l舌接的高强螺栓共有138颗(塔简门底部对应螺栓为1号位置，逆时针方向编号递增)，螺栓孑L位置如图风电用塔筒高强螺栓是风电机组重要的连接1所示。螺栓断裂位置多处于机组迎风的主风向及件，螺栓的正常使用直接影响风

2、电机组的运行安全，主风向侧附近位置。因此高强螺栓的力矩检查是定期维护中的重要项曰。某风电场地处沿海，风电机组受盐雾腐蚀较为严重。2013年该风电场17号机组连续发生多次螺栓断裂现象：3月l5日，现场工作人员进行巡检时发现17号机组塔底基础环与底段塔筒连接螺栓有、两根断裂；4月27日，运检人员再次对17号风机进行力矩检查，发现上次断裂螺栓旁边又有两颗螺栓松动；此外，重新检查塔底基础环与底段塔筒连接的所有螺栓力矩时，根螺栓发生断裂，另有11根螺栓在紧同过程巾发生轴转。为了查明高强螺栓断裂图1塔筒螺栓分布图的原因，以采取合理的改进措施，避免同类事故的再1．2法兰错位发，对塔筒高强螺栓

3、进行了失效分析。检查发现基础环法兰与底段塔筒法兰有错位的1现场勘查现象，最大错位偏移量达到4．5mm。以塔筒门框正1．1螺栓断裂位置下方为零点，将塔筒周向均分为8等分进行上下法该型风电机组基础环法兰与底段塔筒法兰连兰错位位移测量，结果如表1所示。51风力发电IW)()INWI【)弧表l法兰错位测量结果来越多的锈迹就顺着法兰内圆表面流下来。测量点位置错位情况说明错位尺寸(顺时针)(mm)1群位(门框正下方)聿一兰O基本平齐法兰圆周1／4处下兰4．5突出法兰圆周3／8处上法3突出法兰圆周4／8处一虾法兰3突出图2基础环与底段塔简之间缝隙法兰圆周5／8处法⋯法兰42螺栓断裂失效分析突

4、出2．1螺栓连接副的应力分析法兰圆周6／8处上兰2突出(1)法兰错位受力分析。为了分析基础环与底部塔筒法兰错位对螺栓应法兰圆周7／8处上兰3力状况的影响，创建M36X205．10．9级高强螺栓及突出连接副的三维有限元模型，分别实现螺栓螺纹根部应力分析和基础环法兰与底部塔筒法兰发生4mm基础环法兰和底段塔筒法兰的螺栓孑L直径以上尺寸错位条件下的应力分析，评估螺栓的安全为西39，螺栓规格为M36×205．1O．9，上下法兰的系数。错位(最大错位馐为4．5mm)，导致部分螺栓无法根据螺栓型号计算螺栓预紧力，即直接安装至上下法兰通孔。如果强行安装，螺栓：As(1)紧固之后，螺栓受到来自

5、法兰较大的横向剪切作其中用力。As=×。／4(2)综合分析测量数据可以发现，17号基础环法兰与底段塔简法兰除了存在安装错位的问题，还存在(0．5～0．7)(3)偏移和翘曲变形的问题，使得上下对应法兰无法完式中——螺栓材料的屈服极限N／mm(与强度等级相关，材质决定)。全与测量数据吻合。因此，上下法兰的螺栓强行连接造成螺栓横向剪切的同时，法兰本身的变形也存通过计算得到螺栓的预紧力约为506661．12N。在一定的预应力。将该预紧力施加到塔筒螺栓界面，在ABAQUS有限元分析软件中实现螺栓的预应力分析。1．3法兰端面腐蚀情况1)施加螺栓预紧力_T况螺栓应力。如图2所示，现场检查发现

6、基础环法兰内圆表提取M36X205—10．9及高强螺栓组件，查看螺面出现锈迹，其锈痕来自塔筒上、下法兰接触面。这栓应力状况，如图3所示。由螺栓组件应力状态可说明上下法兰之间存在了缝隙，雨水、潮气或盐雾在以看出，螺栓根部与底部垫片的压应力应力水平较法兰连接面已经形成锈蚀迹象，随着时间的积累，越高。螺纹根部出现明显的应力集中，最大拉应力和52经验共享ExperienceSharing切向应力等效应力达到725．0MPa，螺栓安全系数为成螺栓疲劳裂纹的扩展。1．29，符合螺栓预紧力设计要求。上述高强螺栓副的应力状态是由螺栓安装或更换过程中强行安装形成的。此外，一定数量的法兰通孔错位还

7、将导致基础环法兰和塔简底部法兰的整体结构变形，从而增大法兰之间的间隙，螺栓更容易受到来自塔架的疲劳载荷作用，使螺栓发生疲劳断裂。2．2塔筒螺栓检测和断裂失效分析为了更全面地了解该风电场塔筒螺栓断裂的原因，对断裂螺栓进行理化检测、金相检验和断口分析等检测和分析。(1)理化检测。1)化学成分分析。图3高强螺栓组件以及螺纹根部应力状态从断裂螺栓上取样进行化学成分分析，检测结2)施加法兰错位位移工况螺栓应力。果如表2(仪器型号：ARL4460)所示。根据现场测量的结果，塔架外基础环法兰和底表2化学成