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2023-05-22 20:29

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技术分享|风电机组高强度螺栓安装使用与断裂原因分析

来源：世展网分类：紧固件行业资讯 2023-02-18 19:46 阅读：21733

2025年深圳国际紧固件展深圳工业展ITES

2025-03-26-03-29

展会结束

【关键词】风电机组、高强度螺栓、预紧力、力矩验收

引言

风力发电机组是由一些相关部件通过一定的连接方式组成一台整机，其中高强度螺栓是连接这些主要零部件的重要元件之一，如桨叶与轮毂、机舱与塔架、塔架与基础等，因此螺栓连接是否可靠，将直接关系到风力发电机组的安全性能，本文以高强度螺栓理论为依据，对风电机组中螺栓使用来进行论述。

1.高强度螺栓的相关知识

1.1 等级和表示方法

高强度螺栓连接副是由一个高强度螺栓、一个螺母和两个垫圈组成的结构连接紧固件。我国主要有8.8级、10.9级、12.9级、13.9级的高强度螺栓。表示方法:小数点前数字表示热处理后的抗拉强度；小数点后的数字表示屈服强度比，即屈服强度实测值与极限抗拉强度实测值之比。例如：8.8级的意思就是螺栓杆的抗拉强度不小于800MPa，屈服强度比为0.8，即屈服强度要高于640MPa。

1.2 特点和分类

高强度螺栓连接特点:承载能力高、受力性能好、安装简便、拆换灵活等。

高强度螺栓可分为摩擦型、张拉型和承压型，其中摩擦型被广泛使用。

1.3 高强度螺栓预紧

1.3.1高强度螺栓预紧的方法

（1）扭矩法

扭矩法通常使用扳手来拧紧，是预紧螺栓最通用的方法，使用的工具主要有以下几种:

①手动力矩扳手：用力矩扳手转动螺母或螺栓六角头拧紧。

优点：工具简单实用,所需要的力矩可以设定，预紧力比较均匀。

缺点：对于大力矩的螺栓，工人劳动强度大，有时由于位置空间的局限不能使用。

②手动扭力倍增器(增力扳手)：手动扭矩倍增器是通过一级或多级行星齿轮传动，将输入扭矩放大，行星轮级数越多输出输入比越大，预紧时转动方法与前两者方式一样。

优点：对较大力矩的螺栓预紧时，减轻了劳动者的劳动强度。

缺点：劳动效率有所降低。该设备有一定的重量，对使用场合有一定的要求。

③液压扭力扳手：液压扭力扳手是一种专门为需要高扭力和狭小空间限制的地方而设计的工具，它具有一个可以多方向旋转的杠杆反作用力臂。

优点：力矩值准确、拧紧力矩大、效率高、操作简单，可以用于不同规格的螺栓。

缺点：成套设备价格昂贵，重量较重。

（2）延伸法

延伸法是先通过外力使螺栓达到规定的伸长量然后拧紧螺母，待除去外力之后，即可得到连接螺栓所需的预紧力。使用工具也有很多种，如液压拉伸装置、电阻式加热拧紧、火焰加热拧紧、高温蒸汽加热等，下面就以两种方法举例说明。

①液压拉伸装置：此装置是由四支撑桥、螺母旋转套筒、拉伸器、油缸部分组成，它是通过油缸和拉伸器直接和螺栓连接，通过油压拉伸螺栓，当螺栓伸长到设定值时，转动螺母使其与连接件表面相接触，然后卸压取下拉伸器，形成拉力，达到预紧的目的。

优点：工人劳动强度小、效率高、易操作、可以精确的控制预紧力。

缺点：成套设备价格贵，螺栓头部结构特殊，螺栓之间的距离因支撑桥的存在而加大，不利于密封。

②电阻式加热拧紧：通过变压设备将380V工业用电变为低电压，对螺栓进行短路连接，利用大电流进行自身发热，使螺栓伸长到规定长度，拧紧螺母，冷却后即可。

优点：拉力可达到拉伸极限的90%以上,可以精确控制拉力。

缺点：要有一套昂贵的专用变压设备，垫片需要绝缘垫片；因电极板和二次电缆质量大，工人劳动强度大；作业时间长。

通过上述两种方法优缺点对比，考虑现场工作环境、工作空间、风机检修质量和进度等因素的考虑，因此在风机检修时一般选用液压扭力扳手拧紧法。

1.3.2预紧力不当带来的后果

（1）若螺栓拧得太紧，即预紧力过大，则螺栓有可能被拧断，被联接件有可能被压碎、咬粘、扭曲或断裂，也有可能螺纹牙被剪断而脱落，如图1所示。

图1：预紧力过大图2：预紧力不足

（2）若预紧力不足，被联接件将出现滑移，从而导致被联接件错位、歪斜、折皱甚至紧固件被剪断，如图2所示。

1.4 螺栓的力矩分配

根据实验资料显示，在螺栓的预紧力矩中，其中约45%～50%用于克服螺栓头部下端面与垫片接触的部位所产生的摩擦力矩，50%～55%作用于螺纹的啮合部位，而在这50%～55%预紧力矩中，约有35%～40%用于克服螺纹的啮合部位所产生的摩擦力矩，10%～20%预紧力矩转换成螺栓的预紧力。因此，如果螺栓头部下端的支撑面上因受一点粗糙度的影响，在原有占45%～50%支撑面上的摩擦力矩的基础上增加10%，则支撑面上的摩擦力矩的消耗就由原来的45%～50%增加到50%～55%，而作用于螺纹的啮合部位的预紧力矩就相应减少到45%～50%，这意味着螺栓摩擦副中摩擦力的增加，最终直接影响螺栓预紧力，使螺栓预紧力直接下降。如图3所示：

图3：螺栓力矩分配

1.5 摩擦系数

由以上分析可以看出，对高强度螺栓所施加的预紧力矩中有近80%以上消耗在用于克服摩擦力上，摩擦对高强度螺栓的预紧力会产生较大的影响，根据《机械设计手册》中预紧力与预紧力矩和摩擦系数之间的关系如下。

从上式可以看出，当预紧力矩M一定时，预紧力F的大小直接与螺纹形式(螺距)和摩擦系数μ有关。当摩擦系数增大时，预紧力矩转换成预紧力的比例就会减小，要得到相同的预紧力，就必须增加预紧力矩，而过大的预紧力矩可能会导致联接零件、螺栓或工具的损坏。因此为了减小摩擦，在风机中经常使用固体润滑膏，固体润滑膏的使用将在下文论述。

小结：本部分内容对高强度螺栓的相关知识进行了简单说明，主要分析螺栓预紧方法、力矩分配、预紧力及在预紧过程中所受摩擦力，为实际应用提供理论依据，下面以某直驱机型为例，简述高强度螺栓在风机中的使用。

2.风电机组高强度螺栓使用

2.1 某直驱机组所用高强度螺栓规格及力矩值

直驱机组整机吊装是将塔筒、机舱、发电机、叶轮等各部件依次连接，各部件的连接都用高强度螺栓来完成，所使用的螺栓规格各不一样，相应的力矩值也不同，为使风机获得稳定、可靠、适当的预紧力，保证风机安全运行和安装质量，经计算该项目现场使用螺栓规格及力矩值如下表所示（表中的高强度螺栓等级均为10.9级）。

表1：螺栓规格及力矩值表

螺栓规格	连接部位	力矩值
M30*570 （双头螺柱）	叶片—轮毂	1070N/m
M36*220 （六角螺栓）	发电机动轴—叶轮	2050N/m
M36*310 （双头螺柱）	发电机定轴—机舱	2050N/m
M30*330 （六角螺栓）	机舱—塔架上段	1200N/m
M30*200 （六角螺栓）	塔架上段—塔架中段	1200N/m
M36*220 （六角螺栓）	塔架中段—塔架下段	2050N/m
M42*260 （六角螺栓）	塔架下段—基础环	3300N/m

2.2 螺栓分布形式及拧紧次序

风电机组是将一些大部件通过高强度螺栓以一定的联接方式而组成。这些连接螺栓的分布形式为圆周均布，如图4所示。为了增加螺纹连接的钢性，保证同一法兰面上所有联接螺栓预紧力的均匀一致，防止受横向载荷的螺栓联接因相对滑动而产生剪切破坏，提高风力机相联接部件的稳定性和可靠性，根据经验，在拧紧高强度螺栓时，应将预紧力矩按比例（50%、75%、100%）分三次，按图4中次序，对角、交叉、均匀、逐步地将其拧紧至规定的力矩值。

图4：螺栓分布形式及拧紧次序

由表1中看出风机各部件的连接螺栓规格和力矩值均不一样，所以在进行各部件连接时力矩值的准确性很重要，因此螺栓连接力矩值为主要控制点。严禁超打（终拧力矩+10%以上）或欠打（终拧力矩-10%以下）螺栓力矩，所以控制力矩是十分必要的，不仅在安装过程中进行指导和监督，而且在打完力矩后进行检验。

2.3 螺栓力矩检验

螺栓力矩检验时按照每个法兰面螺栓总数量的10%进行抽检，但不少于10个螺栓。检验中如果发现一个螺栓力矩欠打，应再扩大10%进行抽检，如果还发现有螺栓力矩欠打，则该法兰面所有螺栓必须按百分之百力矩重新打一遍。检验中如果发现一个螺栓力矩超打，应再扩大10%进行抽检，如果还发现有螺栓力矩超打，则该法兰面所有螺栓必须全部重验。若超过终拧力矩值+10%，螺栓必须更换。

力矩检验方法

（1）直接检验法

直接用扭力扳手（或力矩倍增器）检验，调好该螺栓拧紧时的力矩值，在螺栓头部（或螺母）与相连接的接触面对应处做一条标记，然后将螺栓头部（或螺母）向拧紧方向缓慢而均匀加力，当扭力扳手一响，取下扳手，观察防松标示是否有移位。如果标示超出原来标示说明力矩欠打，如果未动可按照下面方法检验力矩是否超打。

（2）回拧法检验

对已拧紧的螺栓，在螺栓头部（或螺母）与相连接的接触面对应处做一条标记，然后用相应的力矩值用液压力矩扳手将螺栓头部（或螺母）退拧60°，然后再用液压力矩扳拧紧，取下扳手查看标示是否重合。如果标示超出原来标示说明力矩欠打，如果未到说明力矩打超。

2.4 固体润滑膏的使用

在上文中提到摩擦对螺栓的预紧力会产生较大影响，减小摩擦可使螺栓实际预紧力矩与设计力矩差值减小，从而可以提高螺栓使用寿命，因此在风机安装中各部件连接螺栓上涂抹固体润滑膏来减小摩擦副间的摩擦力，同时配以合理的安装工艺可大大提高螺栓力矩系数的稳定性。

固体润滑膏，即润滑脂加油膏，主要用于摩擦副的润滑与保护，油膏中含约五成的固体润滑剂，如氮化硼（BN），二硫化钼（MoS2)，石墨，聚四氟乙烯（PTFE），铜粉或其它软金属粉末。油膏中的软金属粉末主要起润滑、减摩作用，同时起到吸热的作用，在螺纹之间产生摩擦热量时，软金属熔化吸收大量的热。

固体润滑膏涂抹，高强度螺栓施工必须严格按照螺栓施工指导手册及固体润滑膏涂抹指导文件施工。一般螺栓（塔筒、发电机定轴、叶片）的螺纹部分+螺母与垫片的接触部位涂抹固体润滑膏，特殊位置的螺栓（机舱螺栓与塔筒连接、发电机与轮毂连接螺栓）螺杆的螺纹部分+螺帽头与垫片的接触部位涂抹固体润滑膏固体润滑。固体润滑膏使用前一天请将其倒置，使用时务必搅拌均匀，涂抹时务必均匀适量。

小结：本段例举了某直驱机组所使用螺栓规格、拧紧次序、力矩检验方法和固体润滑膏的使用，对使用的基本常识进行说明。下面谈谈在安装过程中的注意事项。

3.安装过程中注意事项

（1）在吊装机舱时机舱偏航轴承螺栓孔需要进行过丝，塔筒顶法兰与机舱偏航轴承连接螺栓必须保证能够手动旋入。然后使用电动扳手预紧，再使用液压扳手拧紧。

（2）发电机吊装时在地面旋入双头螺栓，若人工旋入双头螺柱困难，使用丝锥过丝处理后方可再次旋入。双头螺柱旋入主轴法兰侧不涂抹固体润滑膏，露出部分涂抹固体润滑膏。严禁用电动或液压扳手等工具强行旋入高强度螺母、螺柱。

（3）叶片安装时双头螺柱旋入叶片须人工旋入，严禁使用工具强行旋入，严禁用电动、管钳等工具夹持螺纹部分。若双头螺柱旋入叶片螺纹孔受阻，须及时退出螺柱，用丝锥攻丝处理后方可继续手动旋入。

4.螺栓力矩控制

在风机吊装过程中，风机安装质量主要是以螺栓连接力矩为主要控制点，因此有效的控制力矩值才能保证风机的安装质量，所以在吊装过程中力矩控制是重点。

（1）液压站校准，在风机安装过程中对螺栓预紧时用液压力矩扳手来进行，所以对液压站的校准很重要，液压站校准用增力包来校准。在首台吊装时每安装一部件用增力包来校验力矩值是否符合规定值，确保力矩值的准确，往后每隔3至5台时进行液压站的校准。

（2）在吊装塔筒、机舱、发电机、叶轮时，连接螺栓力矩必须拧紧75%以后方可拆除吊具，否则连接部位错位或其他原因造成螺栓受到剪切力或其他外力，影响螺栓寿命从而影响风机寿命。

（3）力矩验收，在整机吊装完成48小时内，安装单位进行自检后配合现场技术员进行整机力矩验收，检验方法如上文所述。

5.总结

本文从高强度螺栓入手，对高强度螺栓的受力、预紧力进行简单的论述，然后对某直驱机组中使用的高强度螺栓进行说明并提出几点注意事项，最后阐述在安装过程中如何把控螺栓力矩。通过本篇论文分析，在风电场现场施工过程中对预紧力的控制十分重要，预紧力过大或过小都会影响到高强度螺栓的寿命，进而影响风机质量和寿命，因此在施工过程中要严格控制预紧力，防止施工人员对螺栓进行超打或欠打，同时在安装过程中细节问题进行指导和监督。

近年来，我国风力发电发展迅速，随着大量风电机组的投入运行，因风电机组高强螺栓断裂导致的事故时有发生，本文通过一起风电机组倒塔事故，利用力学性能试验、金相组织分析、扫描电镜分析等试验手段，分析高强螺栓在运行中失效的原因，并提出了避免发生此类事故的建议。

6.试验与分析

图1 为某风力发电场风电机组倒塔事故的现场照片，倒塔是由风电机组基础与塔架连接螺栓断裂造成的，试验用的4 根高强螺栓为本次事故中的断裂螺栓，螺栓设计材质是42CrMoA，规格M36，将这4 根螺栓分别编号为1# － 4#。试验项目包括：宏观形貌检查、光谱成分分析、金相及夹杂物检验、断口SEM 分析及力学性能试验。

一、宏观形貌检查

图2 为4 根断裂螺栓的断口宏观形貌照片，可见4 根螺栓全部在螺纹部位断裂。1# 样品断口表面可见由螺纹根部向螺栓内部扩展的疲劳辉纹，具有明显的疲劳断裂特征；2# － 4# 样品断口的宏观形貌相似，均为在大的剪切应力作用下发生的瞬时断裂断口特征。由于风电机组特殊的工作环境，特别是在倒塔事故发生时正值阴雨天气，断口表面氧化比较严重。

图1 风电机组倒塔现场照片

1#样品

2#样品

3#样品

4#样品

二、光谱成分分析

采用德国Spectrolab-M11 型直读光谱仪对4 根断裂螺栓进行化学成分分析，其结果如表1 所示。螺栓设计材质为42CrMoA，根据试验结果，除Mn 含量略高于GB/T3077 － 2015《合金结构钢》要求的成分上限外，主要合金元素Cr、Mo 含量与设计材质相符，S、P 含量不超标。

三、金相及夹杂物检验

采用Olympas GX71 金相显微镜对试样进行夹杂物测定及金相显微组织分析，由图3a 可见，1# 样品中存在少量夹杂物，其尺寸不超过20μm，参照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》，夹杂物评级为C 类0.5 级。

螺栓基体金相组织为回火马氏体（图3b），在螺纹处存在由螺纹根部向螺栓内部扩展的微裂纹（图3c）。图4 为2# － 4# 样品母材基体内夹杂物形态照片，可见3 个样品中均存在少量尺寸不超过5μm 的夹杂物，参照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》，夹杂物评级为D 类0.5 级。

图 5 为2# － 4# 样品金相组织照片，3 个样品金相组织均为回火马氏体，组织未见异常。

四、断口SEM分析

采用JXA-8530F 场发射电子探针对1# 试样进行断口形貌观察分析，图6a、6b 中黑色虚线区域内可见明显的疲劳裂纹扩展区，图6c 为中心撕裂区域照片，依据断口的特征，1# 样品具有比较明显的疲劳断裂特征，裂纹由螺栓的螺纹根部向螺栓内部扩展，导致螺栓断裂。

图7 为1# 样品断口表面夹杂物处及母材的能谱分析位置，图8 －图10 分别为图7 中3 个位置的能谱分析结果，可见图谱10 位置Ti 元素含量较高，为含Ti 的夹杂物；其余2 个位置主要元素均为Fe、O，为螺栓母材的氧化产物。

五、力学性能试验

采用WDW3000 万能材料试验机及JBW-500 摆锤冲击试验机分别进行拉伸及冲击试验。拉伸试验和冲击试验的试样尺寸如图11、图12 所示。试验结果见表2。

图7 能谱分析位置示意图

图8 谱图10位置能谱分析结果

图9 谱图11位置能谱分析结果

图10 谱图12位置能谱分析结果

图11 拉伸试样图形状及尺寸

图12 冲击试样图形状及尺寸

根据试验结果，1#、3# 试样屈服强度（Rp0.2）低于GB/T3077 － 2015《合金结构钢》要求，2#、3# 试样抗拉强度（Rm）低于GB/T3077 － 2015《合金结构钢》要求，其余拉伸试验结果合格。

虽然4 根试样的常温冲击性能满足GB/T3077 － 2015《合金结构钢》要求，但发生疲劳断裂的1# 螺栓冲击功明显低于其他螺栓。

7.疲劳断裂的影响因素分析

大型风电机组是由一些相关部件通过一定的联接方式组成的一台整机。其中高强度螺栓是联接这些主要零部件的重要元件之一，因此螺栓联接是否可靠，将直接关系到风电机组运行的安全。

通过对断裂的高强螺栓进行试验分析，可判断本次风电机组倒塔事故是由于风电机组基础与塔架连接螺栓的疲劳断裂（1# 螺栓）造成的。风电机组基础与塔架由若干螺栓进行联接，当个别螺栓产生疲劳裂纹并断裂后，由于应力分布的变化，使其他螺栓承受的应力增大，进而在螺纹根部等应力集中处形成裂纹，导致这一部分螺栓的相继开裂。当剩余未断裂螺栓承载能力无法满足风电机组基础与塔架联接要求时，就会发生倒塔事故。本次试验中2# － 4#螺栓断口形貌明显为大载荷拉裂特征，就是在倒塔事故中被瞬时的巨大载荷拉断所致。

1# 螺栓的疲劳断裂为本次倒塔事故的直接原因，螺栓产生疲劳裂纹与以下几个因素有关：

（1）应力集中

风电机组的工作环境为常年风力较大的区域，由于风电机组塔体较高且风力经常变化，使基础螺栓承受交变载荷。螺栓螺纹根部成为应力集中最大的部位，如果在此部位存在损伤、夹杂物等缺陷，则极易成为裂纹源，裂纹在交变载荷的作用下逐渐扩展，最终导致螺栓的断裂。在对1# 样品的试验中发现的螺纹根部裂纹及C 类夹杂物也证明了此推断。

（2）交变载荷

根据风力发电场提供的数据，倒塔风电机组位于沿海地区，全年大风天气多，且风速变化大，在此风电机组发生倒塔前的3 个月，风速最低20m/s，最高28m/s，可见风电机组基础螺栓常年处于交变应力的作用之下，增大了产生疲劳裂纹的几率。

（3）材料的力学性能

在对4 根螺栓的力学性能试验中发现1#、3# 螺栓屈服强度（Rp0.2）低于GB/T3077 － 015《合金结构钢》要求，2#、3# 螺栓抗拉强度（Rm）低于GB/T3077 － 2015《合金结构钢》要求；虽然4 根试样的常温冲击性能满足GB/T3077 － 2015《合金结构钢》要求，但发生疲劳断裂的1#螺栓冲击功明显低于其他螺栓。冲击功是衡量材料韧性的重要指标，是材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，冲击功越低，材料表现出来的脆性越高，韧性越低。冲击功偏低使螺栓在应力作用下更易产生裂纹，产生裂纹后，裂纹的扩展速度更快。

（4）其他原因

风电机组基础与塔架连接螺栓为42CrMoA 高强螺栓，化学成分检验中发现，4 根螺栓Mn 元素含量均高于产品合格证要求上限，在钢中加入Mn 可以提高钢件强度，并在一定程度上提高可淬性。即在淬火时增加了淬硬渗入的强度，Mn 还能改进表面质量，但是太多的Mn 对延展性不利，Mn 含量超标对螺栓裂纹的产生与扩展会有一定影响。

8.总结与建议

通过对断裂螺栓宏观形貌及各项试验数据的分析，可以得出以下结论与建议：

螺栓的断裂性质为疲劳断裂，应力集中及螺栓承受的交变载荷是螺栓断裂的主要原因；螺栓力学性能超标及Mn元素含量偏高，为螺栓断裂的次要影响因素。建议根据现场实际情况，制定检验计划，定期利用超声波探伤对现役螺栓进行检验，发现存在裂纹螺栓及时更换；在新螺栓安装前必须进行100% 超声波探伤，并抽取一定比例螺栓进行化学成分、金相组织及力学性能试验。

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