風電機組葉片螺栓斷裂原因分析及處理

（中國水電顧問集團風電隆回有限公司，湖南邵陽 422200）

0 引言

雖然風電機組面臨著設備大型化帶來的工作負擔和惡劣工作環境帶來的負面影響，但是葉片螺栓的斷裂并不能將全部原因歸結到以上兩點，在面對葉片螺栓斷裂的情況發生時，在傳統機械故障診斷方法之外，也需要換一種思維，用非線性相關故障診斷方法去綜合判斷斷裂發生的原因，并進行多次模擬和測試，最終得出具有可靠性和合理性的結果和判斷。

1 風力發電機葉片簡述

一般來說在現代工藝下，風力發電機的葉片采用的是纖維加強的復合型材料，在面對惡劣的氣候環境下也能保持較高的工作效率，風力發電機的葉片可以分為三個部分，第一個為玻璃纖維加強材料和基體樹脂復合而成的外殼，這種復合外殼一般由兩個灌注成型的構架通過粘合方式形成，玻璃纖維加強材料是汽車領域常見的材料之一，具有耐高溫、高強度、不能點燃等特點，在與基體樹脂進行復合使用之后，更有輕質、耐腐蝕、絕緣等特點，因此這種材料應用于風力發電之中，一方面風力發電的輕量化可以提升發電的質量和效率，另一方面穩定的物理和化學性能使得風力發電工作的穩定性大大提升，第二個部分為對外殼起到支撐作用的主梁，主梁使用的材料一般和外殼使用的材料相一致，第三個部分為根部，是風力發電中葉片與發電機連接的重要部位，在風力發電機工作的過程中，由于葉片在風力的作用下不斷轉動，葉片根部承受著剪切、擠壓、彎扭載荷等多種的組合作用，這種復雜的應力狀態對于根部的金屬性能提出了極高的要求，一旦葉片根部因為長期作業而導致疲勞斷裂，風電機組的葉片便會和發電機失去聯系，發電機在不能正常工作的狀態下不僅會導致發電效率的降低，在極端的天氣情況下更有可能導致災難性安全事故的發生，而螺栓則是保證風力發電機葉片穩定工作的重要零件，在一般情況下葉片螺栓的斷裂可以分為在不利載荷下出現的高應力而導致的斷裂和在長期作業的循環發生的疲勞斷裂，因此，在出現葉片螺栓斷裂的事故后，對葉片螺栓的靜強度、疲勞強度和斷裂強度的校核就成為了斷裂原因分析的重點所在[1]。

2 葉片螺栓常見的斷裂原因概述

2.1 葉片螺栓本身的質量問題

內部缺陷和外部損傷是葉片螺栓常見的質量問題，保證載荷是葉片螺栓能夠正常投入使用的基礎條件，尤其是對于風力發電這類高強度的工作而言，如果在螺栓的生產檢測過程中葉片螺栓在規定的拉力載荷下不能抵抗塑性變形，便是不合格產品，這種不合格的零部件一旦投入正式作業，由于預緊力和工作載荷的長期作用，葉片螺栓便會產生塑性變形，預緊力也會隨之降低，葉片螺栓的松脫也就在所難免，此時一旦因為環境原因或人為原因產生了較大的沖擊載荷，葉片螺栓的斷裂可能性就會大大增加。

2.2 葉片螺栓的過程控制不到位

葉片螺栓在生產完畢進入施工場地時，需要現場工作人員對葉片螺栓質量進行檢測和記錄，然而工作人員工作上的不細心便有可能導致對葉片螺栓已存缺陷的忽視，一旦在葉片安裝前沒有查出缺陷，對于后期葉片螺栓的斷裂故障便很難進行細致的排查和分析。此外，葉片螺栓在安裝過程中也存在著相應的問題，潤滑劑是其中最常見的原因之一，按照正常的施工規范，葉片螺栓需要潤滑劑的均勻涂抹，而有些工作人員疏忽大意，忘記涂抹潤滑劑或者對葉片螺栓的涂抹不均勻，便會對葉片螺栓的預緊力產生負面影響，在正式投入使用后斷裂的可能性就會大大增加[2]。

2.3 維護標識不規范

風電機組在正式投入使用之后，后期的保養和維護工作也同樣重要，尤其是在風力發電機的力矩維護之中，按照規范工作人員需要在螺桿、螺母和墊片上將力矩用不同顏色的線標識出來，方便下一次的力矩維護工作，而有些工作人員不按規范操作，會導致力矩標識線混亂，一旦螺栓在正式工作中逐漸松脫或是有斷裂跡象，在下一次的力矩維護中因為標識線的混亂而無法對螺栓的工作狀態進行準確確認，便會埋下極大的安全隱患。

3 螺栓斷裂原因的科學分析

除了葉片螺栓本身的質量問題之外，在風電機組正式的工作中導致其斷裂的主要原因為疲勞破壞和極限破壞兩種，在葉片螺栓的端口進行宏觀觀察可以發現，若螺栓斷口十分整齊，表面與軸向呈垂直狀態，斷口從上到下可以明顯看出磨光區和疲勞弧線和剪切唇，便可以判斷斷口具有疲勞破壞的特征，要想具體確定葉片螺栓是否為疲勞斷裂，還需要判斷疲勞輝紋的存在。

4 風電機組葉片螺栓斷裂的處理措施

一旦發現風電機組葉片螺栓斷裂的狀況，及時更換螺栓是第一要務，值得注意的是，在對葉片螺栓進行更換時，還需要對現場的狀況進行判斷選擇，更換策略，一般來說，在大部分螺栓斷裂狀況中，可以就地將損壞的螺栓和相鄰3～5根螺栓一起取出再進行更換，這種方法可用來快速處理突發事件，同時對其他風力發電機的影響較小，但是在更換之后還需要派專人定期對更換螺栓進行觀察，防止斷裂的狀況再次發生，因此這種處理方法并不能一次性完美解決斷裂問題，第二種方法則是將整個葉片用吊車調下，將根部上的螺栓全部更換之后再重新裝上葉片，這種方法雖然較為麻煩，但是可以一次性解決斷裂問題，因此在面對實際的葉片螺栓斷裂情況，需要根據現場判斷斷裂的嚴重程度，再選取合適的方法。此外，為了預防葉片螺栓斷裂事故的發生，除了加強對前期安裝的監管之外，還需要定期對螺栓力矩進行檢查，從而降低事故發生的可能性。

5 結語

綜上所述，不管葉片螺栓是在制造、安裝、作業還是后期養護工作中發生了斷裂，都需要工作人員在第一時間找到斷裂的具體位置，并對葉片螺栓進行更換，然而現場狀況的不同會對更換螺栓的方法產生較大的影響，因此工作人員在更換時必須要仔細考慮更換方式，在事后也需要對葉片螺栓斷裂的原因進行細致排查，才能從根本上減少此類危險情況出現的可能性，本文就風電機組葉片螺栓斷裂原因及處理方式進行了分析，希望能給相關從業人員一些參考。