上海电气机舱立支撑螺栓断裂研究

上海电气机舱立支撑螺栓断裂研究

胡志伟 ,杨帅

中广核大悟阳平风力发电有限公司  湖北 孝感 432800

摘要：某风电场2000 kW风力发电机组机舱立支撑结构连接螺栓发生断裂，通过测试风机机舱立支撑固有频率、测试找出机组传动链主轴承端盖运行过程中的振动信号频率分布及振动幅值情况，并通过宏观检测、断口形貌分析等方法对其断裂原因进行分析。结果表明，法兰连接螺栓断裂属于疲劳失效，螺纹处存在超标脱碳层是导致其疲劳断裂的主要原因。对此提出采用同一厂家、同一强度等级的螺栓，同时将该连接螺栓更换为强度等级更高的12.9级连接螺栓等建议，以防类似断裂事故再次发生。

关键词：风力发电机；立支撑结构；螺栓；失效分析；疲劳断裂；

引言：某风场42台风机采用上海电气2.0MW三合一机组于2014年底投运，合计容量84MW，机组运行已五年。目前有30台风机出现机舱立支撑螺栓断裂，本文针对螺栓断裂原因进行检验分析，并提出相应的处理建议，以消除机组金属设备在安装和运行过程中产生的缺陷和安全隐患，确保机组的安全、经济、稳定运行。

1 主框架立支撑固有频率测试

本次通过“锤击法”测试，获得机舱框架的固有频率。

1.1 测点布置

机舱延轴向对称布置3组立支撑，立支撑采用100*100矩形方管型材。顶部用4颗螺栓与工字钢横梁相连，底部用4颗螺丝直接与主框架前机架相连，中部与顶部工字钢有人字梁斜撑。

测试针对各立支撑单独进行，单个立支撑布置2只压电式振动加速度传感器。传感器已主轴为参照物，延径向和轴向采用平面型磁座吸附于立支撑底部与主框架前机架连接部位向上200mm位置的中部。

1.2 测试方法

测试按照图1立支撑编号进行，即分别为1#-2#-3#-4#-#5-6#立柱。单个立支撑锤击测试6次，每次间隔1分钟，径向、轴向各3次，且先径向，后轴向。先测试前需用锤头采用不同冲击力预敲击立支撑中部，由冲击波形衰减状态而定合适的激振力。敲击部位如下图1所示。

图1 主框架立支撑锤击点

2 主轴承端盖振动测试

2.1 测点布置

在主轴承端盖上布置2只压电加速度振动传感器，振动测点具体布置为：“在主轴承端盖上沿轴向布置1只振动传感器。在主轴承座上沿水平方向布置一只压电加速度振动传感器。采用马鞍形磁座吸附于主轴承壳体上。

同时，从原机组振动监测系统（CMS系统）引入传动链高速轴转速信号，齿轮箱变比118.4；通过速比可以获得主轴的转速信息。

其中主轴承端盖轴向振动测点接入采集器vib_1通道，软件通道命名为主轴承轴向振动；水平测点接入采集器vib_2通道，软件命名为主轴承径向水平振动。

2.2 测试方法

机组开机条件下，连续采集24小时主轴承的振动数据以及高速轴转速数据，包含满发数据采集。

2.3 测试过程控制

在机组运行条件下进行测试，为全面了解主轴承振动的状况，机组需经历满载工况。通过检查及分析，机组机舱立支撑振动异常是导致螺栓断裂的其中一个原因。

3.断口形貌分析

风力发电机机舱立支撑结构法兰连接螺栓规格为 M12 mm（直径），强度等级为 8.8级。现场检查发现，该批螺栓存在不同厂家和不同等级（8.8级和10.9级）混用现象，其中10.9级螺栓数量较少。发生失效的螺栓均为8.8级，大部分断裂于螺柱自刚性杆处数第1道至第3道螺纹的牙底处和8道至10道螺纹牙底处，螺栓杆部未见明显机械损伤。螺栓断面平整光滑，断口可见明显的疲劳源、疲劳扩展弧线及瞬断区。

根据测试风机机舱立支撑固有频率、测试找出机组传动链主轴承端盖运行过程中的振动信号频率分布及振动幅值情况以及断口形貌分析结果可知：

（1） 以看出立支撑轴向振动及径向振动频谱中存在塔筒一阶固有频率的振动分量。但随着风速变大，说明立柱振动频谱的波动也逐渐变大。若螺栓强度不足，极有可能在恶劣工况下沿此处开裂，给机组安全、稳定运行带来隐患。

（2） 该批螺栓存在不同厂家和不同等级（8.8 级和 10.9 级）混用现象，导致法兰与底座结合部位各部分强度不均，在外力作用下容易沿强度较低侧螺栓（8.8级）部位开裂。

（3） 螺纹处强度不足，螺栓在承受弯曲载荷时，容易沿此处开裂形成疲劳源。

（4） 螺栓断面平整光滑，可见明显的波浪状、略带弯曲的疲劳辉纹，并伴有二次裂纹，具有典型的疲劳断裂特征。

通过以上分析认为，机舱立支撑结构连接螺栓开裂原因为：法兰与底座结合部位各部分强度不均，螺纹部位强度不足，当风机振动时产生循环应力，导致螺栓沿低强度的螺纹脱碳层处开裂并不断扩展，最终发生疲劳 断裂。

4建议

为了避免再次发生断裂，建议使用同一厂家、同一强度等级的螺栓，同时将该法兰连接螺栓更换为强度等级更高的10.9或12.9级高强度连接螺栓，在新更换螺栓投入使用前应送检，以确保螺栓的组织和性能合格。

参考文献：

[1] 陈 浩，张 涛，田 峰，田力男.内 蒙 古 电 力 技 术[M].2018第36卷第3期：21-24.