图 1螺栓平面分布示意及现场照片
风力发电技术具有高效环保的特性，在新能源发电领域占有重要地位。随着“碳达峰、碳中和”战略目标的深入推进，我国新能源装机容量及其在能源结构中的占比持续快速增长。然而，风机机型的更新迭代及风电机组大型化发展趋势对关键金属部件的工艺质量控制提出了更高的要求。关键金属部件若存在原始制造缺陷，将显著缩短设备的使用寿命。2013—2023年，我国风电行业发生的倒塔、火灾损毁及关键金属部件失效事故数量呈上升趋势，其中关键部件失效占比高达62%，主要涉及偏航系统[1]、轴类传动件[2]、叶片[3-4]及高强度螺栓紧固件[5]等。这些问题已成为影响风电机组安全稳定运行的主要制约因素，严重阻碍了我国风力发电技术水平的进一步提升。
高强度螺栓是风力发电机组的关键紧固件，其设计选材、热处理工艺、加工精度、安装调试及使用维护等环节的管控不当均可能导致螺栓提前断裂。不同学者对风电机组高强度螺栓的断裂原因开展了研究，如叶片连接螺栓异常带状组织导致的多源腐蚀疲劳断裂、表面工艺缺陷及螺纹根部裂纹引发的疲劳断裂、预紧力不均或不足诱发的疲劳断裂，以及因表面脱碳造成的塔筒螺栓疲劳断裂[6-9]等。这些研究成果为提升高强度螺栓的全寿命周期管理水平提供了重要依据。
某风机额定功率为2.0 MW，发电机类型为双馈异步发电机，风轮额定转速为13.4 r/min，额定风速为8.8 m/s，切入风速为3 m/s，切出风速为22 m/s。该风机的叶片与变桨轴承连接螺栓为高强度叶根螺栓，性能等级为10.9级，螺栓材料为42CrMoA钢，螺栓断裂时，累计服役时间约为9 a。
共有64根螺栓沿变桨轴承圆周均匀分布（见图1），靠近叶片后缘第8根螺栓发生断裂。
螺栓断裂时，环境平均风速为9.99 m/s，风机功率为1 807 kW，发电机转速为1 801.9 转/min，运行数据正常，无异常情况出现。
1. 理化检验
1.1 宏观观察
两根同批次螺栓宏观形貌如图2所示。一根为已断裂螺栓，另一根为正常服役螺栓（安装于断裂螺栓左侧相邻位置）。经测量，螺栓总长度约为465.0 mm，腰部平均直径为26.00 mm，端部平均直径为35.98 mm，各项尺寸参数均符合设计要求。断裂螺栓的宏观形貌如图3所示。由图3可知：断面沿螺纹根部呈横向扩展；断面整体呈灰色且较为平整，局部可见红褐色氧化痕迹；断面呈现典型的弧形海滩状花样，疲劳裂纹起始于5点钟方向的螺纹根部，并沿周向扩展，最终在12点钟方向边缘形成斜向撕裂形貌的终断区。根据上述特征可初步判定，该螺栓的断裂模式为由螺纹根部萌生并扩展的疲劳断裂。
1.2 化学成分分析
根据GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》，使用全定量金属元素分析仪对断裂螺栓进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂螺栓的化学成分符合GB/T 3077—2015《合金结构钢》对42CrMoA钢的要求。
Table 1.断裂螺栓的化学成分分析结果
1.3 扫描电镜（SEM）分析
依据GB/T 19267.6—2008《刑事技术微量物证的理化检验 第6部分：扫描电子显微镜/X射线能谱法》标准要求，采用扫描电子显微镜对断口进行微观分析，结果如图4所示。由图4可知：断面区域（上侧）呈现典型的准解理断裂特征，与螺纹根部区域（下侧）形成明显对比；次表层存在多条平行于螺纹根部走向的二次裂纹；断面可见明显的氧化形貌特征，并在局部区域观察到隐约可见的疲劳扩展条纹，这些特征进一步证实了螺栓发生疲劳断裂。
裂纹扩展区SEM形貌如图5所示。由图5可知：裂纹扩展区呈准解理形貌，可见疲劳扩展条纹及二次裂纹。终断区SEM形貌如图6所示，该区呈韧窝花样特征形貌。
1.4 金相检验
在断裂螺栓及正常螺栓的横截面心部截取试样，采用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀试样8~10 s，再将试样置于光学显微镜下观察，结果如图7所示。由图7可知：断裂螺栓与正常螺栓的横截面心部组织均由回火索氏体和铁素体组成，其中部分铁素体以块状形态分布，其余铁素体沿原奥氏体晶界或沿特定晶面向晶内生长，形成典型的针状魏氏组织，根据GB/T 13299—2022《钢的游离渗碳体、珠光体和魏氏组织的评定方法》，该魏氏体组织评级为2.5B~3.0B级；同类型对比螺栓的显微组织为回火索氏体和少量铁素体，未观察到魏氏组织；螺纹牙根部呈现纤维状变形流变组织，并存在轻微脱碳现象，但未发现开裂、根部褶皱等表面缺陷。
1.5 力学性能测试
分别在断裂螺栓、同批次正常螺栓和对比螺栓上截取并加工圆形棒状试样，根据GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》，使用万能拉伸试验机对这些试样进行室温（25 ℃）拉伸试验，结果如表2所示。由表2可知：断裂螺栓和正常螺栓的屈服强度和抗拉强度均不符合GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》的要求，对比螺栓的屈服强度和抗拉强度均满足GB/T 3098.1—2010的要求。
Table 2.不同螺栓的室温拉伸试验结果
根据GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》，使用冲击试验机对断裂螺栓试样进行低温冲击试验，冲击试验温度为-20 ℃，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm（长度×宽度×高度），缺口为“V”型，结果如表3所示。由表3可知：断裂螺栓、同批次正常螺栓和对比螺栓的冲击吸收能量均符合GB/T 3098.1—2010的要求，断裂螺栓及同批次螺栓的冲击吸收能量明显降低。
Table 3.不同螺栓的低温冲击试验结果
根据GB/T 231.1—2018《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》和GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》，分别对断裂螺栓、同批次正常螺栓和对比螺栓横截面心部区域进行硬度测试。布氏硬度压头直径为2.5 mm，试验力为187.5 kgf（1 kgf=908 N），保持时间为10 s，检测结果如表4所示。由表4可知：断裂螺栓及同批次正常螺栓的硬度明显降低，且已低于GB/T 3098.1—2010标准要求的下限值（316 HBW）。
Table 4.不同螺栓布氏硬度测试结果
利用显微维氏硬度计对断裂螺栓的轴向截面进行显微硬度测试，显微维氏硬度计的压头为金刚石椎体，载荷为0.3 kgf，保持时间为10 s，检测结果如图8所示。由图8可知：测点4、5、7的硬度已超出GB/T 3098.1—2010标准规定的“表面硬度不应超过390 HV”的要求；螺纹牙底区域表面（测点1~8）的硬度明显高于中间区域测点（测点9~11），不满足GB/T 3098.1—2010的要求。
2. 综合分析
叶片与变桨系统连接螺栓在运行过程中不仅需要承受大幅变化的风速载荷、力矩及振动作用，还需长期耐受户外恶劣气候环境的考验，其服役条件极为严苛[10]。风电机组高强度紧固螺栓的使用寿命不仅受设计、安装工艺、材料性能、制造工艺及热处理质量的影响，还与运行环境密切相关。经核查，确认其设计和安装过程均符合相关标准要求；同时，断裂螺栓的化学成分分析结果表明，其化学成分符合标准要求，由此可排除因材料选用不当导致螺栓断裂的可能性。
根据GB/T 3098.1—2010标准规定，10.9级性能等级合金钢的热处理工艺应为淬火加回火，其标准显微组织应为回火索氏体[11]。然而，金相检验结果表明：断裂螺栓及同批次正常螺栓中存在大量魏氏组织，这与对比螺栓的正常组织（回火索氏体+少量铁素体）存在显著差异。魏氏组织的形成通常与热处理过热有关，该组织会显著降低材料的抗拉强度[12]；同时，相邻显微组织条带间的性能差异会导致材料产生应力集中，还会明显恶化材料的塑性和冲击韧性[13-14]。力学性能对比试验进一步证实，断裂螺栓的屈服强度和抗拉强度不仅显著低于对比螺栓，甚至已低于GB/T 3098.1—2010标准规定的最低使用要求；虽然断裂螺栓的冲击吸收能量仍符合标准要求，但相比对比螺栓已大幅降低，表明其安全裕度明显不足。
硬度测试结果显示，断裂螺栓心部硬度为313 HV，而表面9个测点的硬度为362.8~474.3 HV，均显著超出GB/T 3098.1—2010标准规定。特别值得注意的是，螺纹牙根部的表面硬度最大值（474.3 HV）已超过标准规定（390 HV）。研究表明，过高的表面硬度会对材料的塑性和韧性产生不利影响。此外，由于叶片与变桨轴承连接螺栓需要承受频繁的变桨运动载荷，本身就容易发生疲劳断裂[15]，而断裂螺栓的螺纹牙根部不仅存在金属流变变形和组织微观偏析，同时作为主要受力部位，在多重因素的共同作用下，材料更易萌生疲劳裂纹，最终导致螺栓断裂。
3. 结论
（1）该风力发电机组42CrMoA钢叶片与变桨轴承螺栓设计符合标准要求，运行环境也未见异常情况。
（2）断裂螺栓断面可见由螺纹牙根部起始、向对侧扩展的辐射疲劳条纹，裂纹起始于螺纹牙根部。
（3）螺栓显微组织含较多魏氏组织，导致基体硬度、强度、塑性和韧性降低，螺纹牙根部过高的表面硬度进一步导致局部韧性降低、脆性增大，在应力集中部位促使裂纹的萌生和扩展。
文章来源——材料与测试网