風電機組變槳軸承螺栓失效形式分析與處理措施

徐玉龍，李必偉，龔海泓，夏振偉，沙凱，李冠陽

（1.大唐安徽發電有限公司新能源分公司；2.大唐安徽發電有限公司；3.大唐來安新能源有限公司，安徽 合肥 230071）

近年來，我國的風電事業發展迅猛，陸續出現了更多、更大規模的風電項目，風電機組承擔著重要的生產任務，其機組龐大且構成復雜，由于運行環境的特殊性、流程的復雜性，機組容易出現各種故障，如零部件磨損、軸承螺栓失效等，增大機組的運行風險。雖然在近年來我國的風電技術日漸進步，但風電機組中的故障排查與診斷成為關鍵性任務，特別是對于變槳軸承螺栓失效這類故障，風電企業在實際的工作中需根據失效形式、原因等制定科學的處理措施，提升機組的整體可靠性。

1 葉片螺栓失效原因分析及研究

1.1 葉片法蘭面平面度不合格導致螺栓加速疲勞

風電機組處于長時間運行狀態下，葉片螺栓的疲勞斷裂無法避免，但對于任何零部件而言，其疲勞斷裂都有特定的服役時間，并非即刻發生，一般為一個循序漸進、逐步累積的過程，受到長時間、反復性的應力作用后，疲勞斷裂加劇。疲勞斷裂現象在凹槽部位、截面突變等應力集中部位較為常見。以某風電機組為例，機組運行中發生了螺栓斷裂問題，有關人員經過現場調研，發現斷裂位置在螺紋凹槽處，當螺栓工作中產生了應力峰值后，該部位將突破晶間結合力，沿結晶界面生長，產生疲勞源。后續運行過程中由于疲勞源遭遇持續性的交變應力，將在這些作用力下發生局部細小裂紋，也就是初始裂紋，這些裂紋繼續受交變應力作用將擴展成更大的裂紋，呈階梯狀分布延伸，產生多條貝殼紋；裂紋繼續擴展后受力截面積大大降低，如應力超過材料的應力極限，就會發生斷裂現象。有關人員進入現場展開一系列調查與分析，并核查了安裝維護資料和實際情況后，發現在安裝與維護方面并無任何問題，但當吊下此葉片全部螺栓重新吊裝時，發現葉片根部有問題，葉片法蘭與輪轂法蘭結合面存在透光情況。某些風電場中也常見葉片根部法蘭平面度不符合要求、螺栓斷裂的情況，根據這一現象分析，其原因主要為：葉片加工生產的質量不達標，法蘭平面度與設計要求不一致，在非平面接觸狀態下，法蘭間的摩擦力偏小，葉片穩定性較差，葉片螺栓變形拉伸頻繁且明顯，螺栓也會發生疲勞斷裂現象。

1.2 葉片法蘭和輪轂法蘭錯位導致疲勞加速

（1）葉片法蘭徑向變形導致安裝錯位。風電機組運行中的螺栓失效問題，很多為疲勞加速所導致，而葉片法蘭與輪轂法蘭錯位引發的疲勞加劇現象十分常見，特別是葉片法蘭徑向變形時的安裝錯位情況。風電機組中螺栓孔不同方向徑向錯位實際上就是葉片法蘭出現了橢圓，難以正常發揮其作用。現階段工藝條件下，廠家生產螺栓孔時，往往會配置落地式數控設備或者專用鉆模來輔助生產，不論在生產中采用何種方式，都需要在生產加工中嚴格控制精度，以提高加工質量，避免加工精度不足導致葉片法蘭發生橢圓。某風電場的葉片法蘭與葉片根部形狀、尺寸同步變形，且變形方向大致一致，變形程度較大，根據分析，這一現象主要為生產加工后膠體凝固時間過短，再加上自重、工裝設計等方面的問題所引起。

（2）葉片安裝產生的軸向旋轉錯位。部分風電機組運行中會出現葉片螺栓孔與變槳軸承螺栓孔單方向錯位偏移的現象，發生這一現象的主要原因為：葉片螺栓為B類高強螺栓，這是一類相對特殊的螺栓，螺紋兩端較粗，螺栓中間桿部偏細。如葉片螺栓M30'3．5"416，輪轂螺栓孔直徑是33ram，螺桿中間部分直徑27ram，實際的工作中將葉片螺栓插入輪轂螺栓孔以后，在螺栓桿與輪轂螺栓孔之間的間隙較大，該間隙值遠遠超出了正常標準。葉片與輪轂拼接作業中，為保障葉片螺栓能按照規定進入輪轂螺栓孔內，操作人員往往會左右變槳晃動葉片，以保障其與輪轂法蘭面接觸，而這一操作下可能導致葉片螺栓向一側存在較大的偏移，使螺桿緊貼輪轂螺栓孔壁。在實際的工作中可能沒有配備葉片法蘭相對輪轂法蘭的定位與調整裝置，錯位難以避免。具體工作中，如輪轂法蘭螺栓孔中的螺桿直徑完全相同，整條螺栓外表面（弧面）應緊貼在輪轂螺栓孔內壁，此種情況下的抵抗徑向剪切面呈半圓面。但是，B 類高強螺栓的兩端粗、螺桿中間細，錯位時，輪轂法蘭孔內左端螺紋部分A 往往緊貼于輪轂法蘭孔壁，使螺栓出現明顯的傾斜現象。與此同時，螺栓直徑與輪轂孔徑不一致，螺栓抵抗軸向剪切僅為局部弧面或者點，再加上左端螺母鎖緊作用，驅使螺栓強行找正，導致螺母與螺栓結合部位同步接受軸向力、徑向力，易引發疲勞損傷。當發生較為嚴重的錯位現象時，螺栓在中間細桿部位出現剪切，表面防腐難以發揮作用，且會同步擠壓螺栓桿部，一旦載荷超出規定值，剪切部位與T 型螺母和六角螺母方向將產生兩個作用力，這兩個作用力的方向完全相反，與杠桿原理相類似，剪切力位置為其中的一個支點，如葉片長時間處于疲勞狀態，必將產生或大或小的裂紋，嚴重時將引起斷裂。以某風電項目為例，其葉片與變槳軸承連接螺栓的拉伸試驗測試結果如表1 所示。從受力角度分析，葉片與變槳軸承連接螺栓在風機運行的全過程中受力較為復雜，不僅承受拉伸、剪切與彎曲等靜態應力，還同步承受風載荷沖擊、葉片轉動的交變載荷，在惡劣情況下，應力集中部位出現疲勞斷裂的現象無法避免。

表1 葉片與變槳軸承連接螺栓的拉伸試驗測試結果

（3）葉片鋼制法蘭盤錯位。對于風電市場上的2MW風機，為滿足其高效、穩定運行的需求，其葉片根部一般都安裝有鋼制法蘭盤，實際工作中，葉片螺栓斷裂事故中可能出現鋼制法蘭盤螺栓孔與葉片法蘭螺栓孔錯位情況，這一情況主要由以下因素所導致；法蘭初始制造定位孔與實際存在偏差；葉片根部有橢圓度，螺栓孔無法完全對應，如有關人員未及時處理這一問題，螺栓難以正常使用。

1.3 強度不滿足要求

前期相關人員在設計機組的過程中需保障相關數值的計算準確度，一旦存在計算偏差，也會引發軸承螺栓失效的問題，如葉輪系統載荷計算結果與實際的偏差較大，后續機組在運行狀態下，葉輪旋轉將同步產生較大的扭轉力，該扭轉力一旦大于螺栓設計強度限值，就會造成螺栓斷裂。從實際工作經驗來看，螺栓強度取決于多方面因素，如材料性能、結構形式、尺寸大小、工藝、載荷分布、應力幅度等，為保障螺栓強度符合實際要求，有關人員應選擇高性能材料，并選定恰當的熱處理工藝，以提高材料強度，使塑性指數等有關參數達到標準。考慮到葉片螺栓強度也受到載荷分布的影響，正常運行狀態下，在葉根螺栓位置的受力最集中，當葉片展開時在0°和180°位置處葉片螺栓受力最大，因此，螺栓斷裂多出現于0°位置。

1.4 過程控制不到位

（1）到貨檢查不到位。風電機組運行中為降低螺栓失效風險，到貨環節需安排專人完成一系列檢查，如在機組吊裝作業前，應留好葉片到貨、轉運、吊裝等的驗收記錄，其中應包含螺栓質量檢測、外觀檢查記錄，不僅要有文件資料還需有影像資料，使后續工作中可根據需求隨時調用。如當后續機組運行中出現了故障，相關人員在現場分析故障時無法準確判定該故障是安裝前問題引起還是安裝后問題引起，就需要調用前期的資料來確定故障原因。

（2）潤滑劑涂抹控制不到位。一些風電機組在運行中，有關人員在檢查斷裂螺栓時發現螺栓與墊片無潤滑劑、潤滑劑涂抹的均勻度不夠等問題（如圖1 所示），這也是引發螺栓斷裂的直接原因。針對這一方面的問題，相關人員在給螺栓涂抹潤滑劑時，必須嚴格執行相應的操作標準，選擇合適類型的潤滑劑，并按照規定在恰當的位置涂抹，保障涂抹的均勻性，否則，一旦潤滑劑涂抹不符合要求，將使螺栓扭矩系數偏差較大，預緊力不均勻，增大葉片螺栓風險。

圖1 潤滑劑涂抹不規范

（3）工器具管理不到位。葉片吊裝作業中往往需要使用專業化工具，并保障操作的規范性，在操作中保留工器具的完整、準確信息。但根據實際的工作情況，一些風電場有關人員在工作中并未做好工器具的管理工作，如沒有保留詳細的信息，也沒有按照相關規定來操作。

（4）維護標識異常。通常情況下，當相關人員按照有關規定完成力矩維護后，需標識出力矩標識線，此標識線必須覆蓋螺桿、螺母、墊片，以指導相應的工作。但根據實際的工作情況，機組維護操作的過程中崗位人員往往沒有按照有關規定來標注力矩標識線，導致工作中未及時識別到異常情況并展開處理。

2 整改措施

2.1 出廠

螺栓失效問題有時候是由自身質量缺陷所引起，針對這一方面的情況，相關人員需做好出廠工作，如在葉片出廠安裝階段企業需安排專人負責驗收工作，從根本上保障產品質量，確保螺栓及隨車螺母為同廠家、同批次產品，檢查葉片法蘭螺栓孔與葉片根部是否有錯位現象，并檢查葉片根部是否有凹凸點和不平整情況，如存在這些問題，需及時與廠家聯系，由廠家提供新產品。

2.2 運輸

個別葉片生產廠家所采用的葉片螺栓從出廠到風機吊裝環節為同一套螺栓，由于一些工程現場的環境條件相對特殊，這些螺栓可能會經過炮車來二次倒運，一些風電場因為要考慮作業進度，葉片長時間放置在地面，也會或多或少地損傷葉片螺栓。對于以上這些問題，技術人員、管理人員與施工人員之間應緊密配合，相互討論相關標準，適當增加螺栓種類，如增加工裝螺栓與轉運螺栓，前一種螺栓用于固定前支架在葉根上的螺栓，后一種為葉片需炮車轉運時所需螺栓。

2.3 安裝

安裝葉片是風電機組安裝中的關鍵步驟，具體安裝工作中，必須嚴格執行安裝操作標準，如安裝人員需遵循廠家的工藝和技術指導，保障每顆螺栓的二硫化鉬規范涂抹。結合葉片螺栓故障和維修經驗，如斷裂螺栓葉片上無葉片法蘭與變槳軸承錯位現象，可直接在塔上更換，以降低維修難度與費用；如存在錯位現象，需利用吊車輔助處理，通過吊車將葉片吊至地面更換其中的全部螺栓，最后再吊裝回原位，這一方式下的操作難度大且時間消耗長。因此，風電機組的操作中，為避免不規范安裝所引起葉片螺栓失效問題，企業必須確保參與安裝作業中的人員都為專業化人才，并確保他們在安裝中嚴格執行各項規范。

3 結語

變槳軸承螺栓失效是風電機組運行中的常見故障，為減小這一故障對機組運行的負面影響，有關部門在工作中應分析螺栓失效的形式、原因，制定預防與控制措施，以保障軸承螺栓的作用，維持風電機組的正常運行。