生產過程中風力發電機塔筒鋼板開裂原因

劉占龍， 賈璐菲， 王瑞皓， 曾雅卓

(上海寶冶工程技術有限公司， 上海 200941)

風能是可再生的清潔能源，隨著煤炭資源日益匱乏以及人們環保理念的持續加強，對風能等清潔能源的需求持續增加。風能資源量大質優，因而風力發電受到社會各界的持續關注。塔筒在風力發電機組中主要起支撐作用，同時吸收機組震動。一般要求塔筒具有足夠的疲勞強度， 能承受機組啟停、風況變化等周期性疲勞載荷的作用。因此塔筒的制造、安裝質量直接關系到整個風力發電機組的設備安全與可靠運行[1-6]。

某風力發電機塔筒鋼板為正火軋制鋼板(出廠狀態)，牌號為Q345D鋼，該鋼板于塔筒廠切邊后(氧乙炔火焰切割)對切面進行簡單打磨，最后在壓制成筒形過程中發生了開裂。為找出該鋼板的開裂原因，筆者對其進行了一系列檢驗和分析，以期類似事故不再發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

圖1為開裂鋼板的宏觀形貌，可見鋼板表面呈紅黑色氧化形貌，且存在一定彎曲變形，應為塔筒廠壓制圓弧時形成。為方便說明，稱鋼板內弧面為A面，外弧面為B面。經觀察后發現B面側邊近中部存在明顯裂紋，裂紋于側邊處開口較大且可見一定厚度翹起，而后沿側邊近45°夾角方向向板中心擴展。經測量，B面上裂紋沿鋼板橫向(垂直軋制方向)長度約為54 mm，而后沿鋼板縱向(軋制方向)擴展，長度為70 mm,裂紋深度約為2 mm。

圖1 開裂鋼板宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the cracked steel plate: a) side A; b) side B

將裂紋人為打開后，斷口宏觀形貌如圖2所示，可見開裂區域呈舌狀，表面基本為黑色高溫氧化形貌，且未見明顯的裂紋擴展特征。開裂形成的表面與鋼板表面存在一定高度差，且交接處呈一定角度緩坡，尾端可見裂紋仍沿鋼板橫向延伸。推測該裂紋可能為鋼板軋制過程中形成的折疊缺陷。

1.2 斷口分析

將人為打開后的斷口及周邊清洗后，置于掃描電鏡(SEM)下觀察，如圖3所示。可見開裂處表面及鋼板表面均覆有較多氧化產物，且形貌較為相近，未見明顯的裂紋擴展特征。表1為斷口及鋼板表面的EDS分析結果。EDS結果顯示兩處表面含有的元素種類相同(碳、氧、錳、鐵)，且各元素含量較為相近，表明斷口及鋼板表面所處氣氛基本一致。圖4為開裂處尾端裂紋的SEM形貌，由圖4可見裂紋內部存在一定坡度，坡度方向為鋼板軋制方向，推測裂紋可能繼續沿鋼板軋制方向延伸。

圖3 開裂處SEM形貌Fig.3 SEM morphology at the crack

圖4 開裂處尾端裂紋SEM形貌Fig.4 SEM morphology of tail end at the crack location

表1 斷口及鋼板表面的EDS分析結果(質量分數)Tab.1 EDS analysis results of the fracture and the steel plate surface (mass fraction) %

1.3 化學成分分析

從開裂鋼板上取樣進行化學成分分析，結果見表2。可見開裂鋼板的化學成分符合GB/T 1591—2018《低合金高強度結構鋼》及質保書中對Q345D鋼的成分要求。

表2 開裂鋼板的化學成分(質量分數)Tab.2 Chemical compositions of the cracked steel plate (mass fraction) %

1.4 力學性能試驗

分別從開裂鋼板上取拉伸試樣、沖擊試樣，根據GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》、GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》、GB/T 232—2010《金屬材料 彎曲試驗方法》對其進行力學性能試驗，結果見表3和表4。可見開裂鋼板的力學性能均符合GB/T 1591—2008標準及質保書中對Q345D鋼的技術要求。開裂鋼板的彎曲試驗結果也符合標準要求。

表3 開裂鋼板的拉伸試驗結果Tab.3 Tensile test results of the cracked steel plate

表4 開裂鋼板的沖擊試驗結果Tab.4 Impact test results of the cracked steel plate J

1.5 金相檢驗

從開裂鋼板上取金相試樣，其中一塊金相試樣從開裂處選取，另一塊金相試樣從裂紋尾端選取，并按GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》進行制樣，隨后在光學顯微鏡下觀察。鋼板內部的非金屬夾雜物級別見表5。鋼板近心部顯微組織為鐵素體+珠光體，帶狀組織評級為3級，如圖5所示。

圖5 鋼板心部顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of core of the steel plate

表5 非金屬夾雜物檢測結果Tab.5 Test results of non-metallic inclusions 級

圖6為開裂處表面顯微組織形貌，可見開裂表面與鋼板表面過渡處存在明顯組織流線變形現象。觀察兩邊表面，拋光態下均可見深灰色氧化皮，經4%(體積分數)硝酸酒精浸蝕后，表面均可見少量脫碳現象。圖7為鋼板側邊顯微組織形貌，可見鋼板側邊組織存在變化，應為火焰切割造成的熱影響區，深度約為913 μm，顯微組織為貝氏體+鐵素體。

圖6 鋼板開裂處的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology at the crack of the steel plate

圖7 鋼板側面的顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of side of the steel plate

圖8為裂紋拋光態形貌，可見裂紋由鋼板表面呈一定角度向鋼板內部擴展，擴展方向為鋼板軋制方向，經測量，裂紋長度約為32 mm。圖9和圖10為裂紋起始處拋光態及顯微組織形貌，裂紋延伸角度為32°，且裂紋旁組織同樣可見明顯擠壓形成的流線變形現象。進一步觀察裂紋內部，圖11為裂紋中部的顯微組織形貌，可見裂紋內部充斥有深灰色氧化皮，同時裂紋兩側伴隨有高溫脫碳現象，鐵素體晶粒較大。

圖8 裂紋拋光態形貌Fig.8 Polished morphology of the crack

圖9 裂紋起始處拋光態形貌Fig.9 Polished morphology at crack initiation

圖10 裂紋起始處顯微組織形貌Fig.10 Microstructure morphology at crack initiation

圖11 裂紋中部顯微組織形貌Fig.11 Microstructure morphology of middle of the crack

1.6 低倍檢驗

在斷裂鋼板上截取橫向低倍試樣，經磨光后，根據GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》規定，使用1∶1(體積比)工業鹽酸水溶液進行熱酸蝕試驗，與YB/T 4003—2016《連鑄鋼板坯低倍組織缺陷評級圖》中的評級圖對比，鋼板的低倍缺陷檢測結果為中心偏析0.5級。

2 分析與討論

宏觀分析表明，鋼板存在開裂現象，裂紋于鋼板側邊部開口較大，垂直軋制方向長度約54 mm，沿鋼板表面軋制方向長度約70 mm，裂紋深度約為2 mm，開裂區域呈舌狀，且開裂表面基體呈黑色高溫氧化形貌。推測該裂紋可能為鋼板板坯上存在裂>紋之類的缺陷，在加熱爐中發生了氧化和脫碳，經過軋制變形后形成了局部材料折疊，進而形成折疊裂紋缺陷。

微觀斷口分析表明，開裂處表面氧化嚴重，表面覆有較多氧化產物，EDS結果表明元素種類及含量與鋼板表面無明顯差異。高倍結果顯示，開裂處尾端裂紋內部存在斜坡形貌，且坡度方向平行于軋制方向。

鋼板的成分及力學性能均符合相關標準的技術要求。金相檢驗結果表明，鋼板開裂處存在明顯擠壓變形現象，同時尾端裂紋繼續沿鋼板軋制方向延伸，裂紋內部充斥有深灰色氧化皮，且來樣狀態即為供貨狀態，壓制及制造過程未經任何熱處理，推測鋼板裂紋可能為鋼板軋制過程中形成的折疊裂紋缺陷。此外鋼板心部顯微組織正常，帶狀組織評級也未見異常。

3 結論及建議

鋼板板坯上存在裂紋之類的缺陷，在加熱爐中發生了氧化和脫碳，經過軋制后形成了折疊裂紋。在隨后的鋼板壓制圓弧過程中，鋼板外弧表面受到拉應力作用而在折疊裂紋處發生開裂。

建議加強風力發電機塔筒鋼板原材料的質量監控，加工前可采用無損檢測等方式對原材料進行復檢，以確保原材料無折疊裂紋等缺陷。