海上風(fēng)電高強(qiáng)度螺栓質(zhì)檢分析

本文通過(guò)案例分析查找高強(qiáng)度螺栓失效焦點(diǎn)，監(jiān)督制造廠質(zhì)量計(jì)劃控制要覆蓋失效焦點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)造監(jiān)督質(zhì)量計(jì)劃的有效實(shí)施，確保供貨的風(fēng)電高強(qiáng)度螺栓抗拉強(qiáng)度、韌性及耐腐蝕等性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，防止批次性的質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生、保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

高強(qiáng)度螺栓失效原因分析

 塔筒高強(qiáng)度螺栓斷裂質(zhì)量問(wèn)題

事件描述：2018 年, 某海上風(fēng)電項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)送電檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)1# 風(fēng)機(jī)與塔筒連接處兩顆M56×430 螺栓斷裂，材質(zhì)為42CrMoA。后來(lái)在調(diào)試、消缺復(fù)檢以及排查過(guò)程中，陸續(xù)共發(fā)現(xiàn)12 顆螺栓斷裂，斷裂螺栓均屬于同一規(guī)格，同一制造批號(hào)，斷裂位置均位于六角頭根部，如圖1 所示，涉及10 臺(tái)風(fēng)機(jī)。

 原因分析及檢測(cè)：

（1）宏觀分析。斷裂螺栓的宏觀形貌見(jiàn)圖2，斷裂位置位于頭桿結(jié)合部位，斷裂螺栓未見(jiàn)明顯縮頸現(xiàn)象；斷口頭部邊緣有明顯的鋅液滲入，斷口分布呈環(huán)形放射狀，為典型的脆性裂紋，中間部分在宏觀狀態(tài)下呈現(xiàn)明顯的韌性斷裂狀態(tài)。根據(jù)以上斷裂狀態(tài)，對(duì)失效螺栓的機(jī)械性能、脫碳、沖擊、理化、金相、頭部 PT 探傷進(jìn)行分析。

（1） PT 頭部探傷。頭部未失效螺栓進(jìn)行探傷后，無(wú)明顯裂縫顯現(xiàn)，符合技術(shù)要求。

（2）化學(xué)成分分析。從斷裂螺栓上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，斷裂螺栓的化學(xué)成分符合GB/T 3077-2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》中 42CrMoA 標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）力學(xué)性能試驗(yàn)。從斷裂螺栓上分別取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)（－ 40℃），從上述力學(xué)性能的實(shí)測(cè)值得出，斷裂螺栓力學(xué)性能符合 GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能、螺栓、螺釘和螺柱》標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4） 金相檢驗(yàn)、維氏硬度分析。分別取斷裂螺栓兩側(cè)斷口的剖面試樣，按GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制樣，隨后在光學(xué)顯微鏡下觀察，為馬氏體位相的回火索氏體+ 極少量鐵素體，組織為正常的調(diào)質(zhì)狀態(tài)。

   從顯微硬度試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值得出，硬度值各部位比較均勻，均符合 GB/T 3098.1—2010 中規(guī)定，回火索氏體占比大于 90%，證明熱處理工藝穩(wěn)定，回火較為充分。

失效分析結(jié)論：

（1）檢測(cè)結(jié)果。螺栓機(jī)械性能、沖擊、硬度符合 GB/T 3098.1—2010 標(biāo)準(zhǔn)要求，材質(zhì)理化指標(biāo)符合 GB/T 3077-2015 42CrMoA 技術(shù)要求 ，從金相組織體現(xiàn)熱處理工藝成熟穩(wěn)定，頭部PT檢測(cè)未失效螺栓無(wú)裂紋顯現(xiàn)。

（2）螺栓斷裂原因。斷口從宏觀分析，邊緣有明顯的鋅液滲入，斷口為二次失效斷裂，裂紋在熱鍍鋅之前已經(jīng)存在，可以排除氫脆的可能性，問(wèn)題原因基本可以確定為個(gè)別螺栓在紅打調(diào)試模具階段產(chǎn)生缺陷，并在熱處理淬火時(shí)形成微裂紋，在安裝后發(fā)生延時(shí)斷裂。

主機(jī)廠、螺栓廠原因調(diào)查：

（1）樣件混入成品。紅打工序中人員責(zé)任心不強(qiáng)，并且缺少樣件管理流程，導(dǎo)致試打樣件部分存在裂紋產(chǎn)品（20 件左右）混入批量產(chǎn)品中；

（2）NDT-MT 檢測(cè)未能發(fā)現(xiàn)。NDT-MT 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員（I 級(jí)）發(fā)現(xiàn)缺陷能力不足，導(dǎo)致缺陷產(chǎn)品未檢出。

（3）主機(jī)廠對(duì)分包商管理不到位，設(shè)置的質(zhì)量控制點(diǎn)未實(shí)施。

 原因分析結(jié)論：

通過(guò)上述第三方檢驗(yàn)、主機(jī)廠、螺栓廠調(diào)查得出下述結(jié)論。

（1）直接原因。試打樣件部分存在裂紋產(chǎn)品（20 件左右）混入批量產(chǎn)品中；

（2）間接原因。NDT-MT 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員（I 級(jí)）能力不足，導(dǎo)致缺陷產(chǎn)品未檢出；

（3）根本原因。質(zhì)量管理存在問(wèn)題，對(duì)樣件管理沒(méi)有完善的監(jiān)督措施，鍛打人員責(zé)任心不強(qiáng)，培訓(xùn)不到位；現(xiàn)場(chǎng)配備的檢測(cè)人員培訓(xùn)不到位，能力弱；主機(jī)廠對(duì)分包廠管理不到位，設(shè)置的質(zhì)量控制措施未執(zhí)行。

質(zhì)量問(wèn)題處理：對(duì)主機(jī)廠、螺栓制造廠進(jìn)行質(zhì)量體系監(jiān)查；根據(jù)造成螺栓斷裂原因分析，相關(guān)方協(xié)商，全部更換該批次M56 螺栓，35 臺(tái)總計(jì)3350 套。

 風(fēng)機(jī)葉片高強(qiáng)度螺栓斷裂質(zhì)量問(wèn)題

事件描述：2018 年，葉片安裝時(shí)出現(xiàn)一顆雙頭螺栓斷裂。經(jīng)與新螺栓對(duì)比，螺栓斷裂于螺桿變徑部位，距螺紋約20mm，斷口附近可見(jiàn)明顯的縮頸現(xiàn)象，斷口附近直徑約為17.96mm，未變形螺桿直徑約為23.56mm，斷后

直徑約為原始直徑的76%，見(jiàn)圖3、圖4。

檢測(cè)及原因分析：

（1）理化檢驗(yàn)：宏觀分析圖3、圖4 為斷裂螺栓，文中雙頭螺栓斷裂位置短部分定義為A 側(cè)，長(zhǎng)部分定義為B 側(cè)；事件描述表明，該螺栓斷裂模式為塑性斷裂。

（2）化學(xué)成分檢驗(yàn)：從斷裂螺栓上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，斷裂螺栓的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015 中42CrMoA 標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）力學(xué)性能檢驗(yàn)：螺栓桿部（長(zhǎng)側(cè)）拉伸性能、沖擊功均符合GB/T 3098.1—2010 標(biāo)準(zhǔn)中10.9 級(jí)的要求。螺栓A 側(cè)（短側(cè)）硬度值為16.5HRC，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，螺栓B 側(cè)（長(zhǎng)側(cè)）硬度值符合GB/T 3098.1—2010 標(biāo)準(zhǔn)中10.9級(jí)的要求。

（4） 金相檢驗(yàn)未見(jiàn)明顯缺陷存在。

   綜上，螺栓A 側(cè)至斷口部位顯微組織均為珠光體+ 鐵素體+ 回火索氏體，在調(diào)質(zhì)工藝下為非正常組織；B 側(cè)顯微組織為回火索氏體+少量鐵素體，在調(diào)質(zhì)工藝下為正常組織。

   綜上檢測(cè)分析，所檢螺栓斷裂模式為塑性斷裂。結(jié)合螺栓金相分析及硬度測(cè)試結(jié)果，該螺栓A 側(cè)至斷口部位顯微組織異常，硬度僅有16.5HRC，導(dǎo)致螺栓局部抗拉強(qiáng)度不足，在安裝過(guò)程中，在正常拉伸應(yīng)力作用下，該部位首先

發(fā)生塑性變形，后發(fā)生斷裂。螺栓A、B 兩側(cè)顯微組織不一致，推斷該螺栓在調(diào)質(zhì)熱處理（淬火）過(guò)程中，因局部（A 側(cè)）未完全浸入淬火液中而導(dǎo)致A 側(cè)組織異常。

 失效分析結(jié)論：所檢螺栓斷裂模式為塑性斷裂；所檢螺栓A 側(cè)顯微組織異常，導(dǎo)致局部強(qiáng)度不足，在拉伸應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂。

 螺栓廠現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析原因。結(jié)合上述的試驗(yàn)結(jié)果和分析及供應(yīng)商廠內(nèi)的實(shí)際審核，主機(jī)廠、螺栓廠、給出本次螺栓斷裂結(jié)論，監(jiān)造通過(guò)全程見(jiàn)證失效分析及試驗(yàn)，并通過(guò)對(duì)螺栓廠的調(diào)查驗(yàn)證，確認(rèn)如下結(jié)論：螺栓廠在使用連續(xù)式滲碳保護(hù)網(wǎng)帶爐進(jìn)行該批次螺栓熱處理過(guò)程中，由于網(wǎng)帶卡料，造成一顆螺栓在落料口卡滯并未被及時(shí)取出，從而導(dǎo)致該螺栓部分溫度降速不足，未完成奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，而是由奧氏體緩冷狀態(tài)下轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織，繼而導(dǎo)致強(qiáng)度性能達(dá)不到要求，在安裝過(guò)程中導(dǎo)致斷裂。

   結(jié)合擴(kuò)大批次抽檢、192 顆全數(shù)分選、未調(diào)質(zhì)樣棒拉伸等驗(yàn)證，主機(jī)廠可以確保已經(jīng)安裝的本批次螺栓不存在風(fēng)險(xiǎn)，該斷裂螺栓屬于個(gè)例問(wèn)題。

 監(jiān)造最終給出的原因分析：質(zhì)量管理存在問(wèn)題，在發(fā)生網(wǎng)帶卡死時(shí)未按按規(guī)定要求操作，導(dǎo)致個(gè)別螺栓混入正常產(chǎn)品，對(duì)操作人員培訓(xùn)不到位，存在僥幸心理；螺栓硬度無(wú)損分選，按兩頭30% 比例分選存在漏洞，不能全覆蓋。

處理結(jié)果：結(jié)合擴(kuò)大批次抽檢、192 顆全數(shù)分選、未調(diào)質(zhì)樣棒拉伸等驗(yàn)證，主機(jī)廠可以確保已經(jīng)安裝的本批次螺栓不存在風(fēng)險(xiǎn)，該斷裂螺栓屬于個(gè)例問(wèn)題。并承諾若現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)該批次螺栓再有一條斷裂，主機(jī)廠免費(fèi)更換該批次全部螺栓，并承擔(dān)由此造成的電量損失。

 高強(qiáng)度螺栓失效焦點(diǎn)

   通過(guò)上述兩個(gè)監(jiān)造案例和收集其他案例的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，高強(qiáng)度螺栓在安裝、試運(yùn)行中出現(xiàn)裂紋、斷裂等早期失效：大尺寸螺栓六角頭與螺桿斷裂，六角頭與螺桿R 圓弧過(guò)渡角鍛打精度是制造的一個(gè)難點(diǎn)；螺紋與桿部變形和斷裂，不僅硬度和機(jī)械性能不符合要求，還有心部與表面組織、硬度差別的影響。另外，高強(qiáng)螺栓軸向預(yù)緊力的大小從很大程度上決定了連接螺栓的疲勞壽命。高強(qiáng)度緊固件沒(méi)有達(dá)到要求的預(yù)緊扭矩，沒(méi)有按規(guī)定的擰緊工藝（2 次擰緊）進(jìn)行裝配或超預(yù)緊扭矩；沒(méi)有擰緊螺栓造成風(fēng)機(jī)倒塌事故不在少數(shù)，即緊固沒(méi)有到位，預(yù)緊力和預(yù)緊扭矩值沒(méi)有達(dá)到規(guī)定值，在風(fēng)機(jī)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)作用下，使螺栓產(chǎn)生交變載荷，連接副松動(dòng)，進(jìn)一步引起螺栓的疲勞和延遲斷裂；另外，不同螺栓預(yù)緊力不同，造成螺栓受力不同，個(gè)別螺栓受力超過(guò)設(shè)計(jì)載荷，導(dǎo)致整組螺栓強(qiáng)度下降，機(jī)組失效。

高強(qiáng)度螺栓監(jiān)造實(shí)施要點(diǎn)

   為了確保高強(qiáng)度螺栓不斷裂，排除因施擰和沒(méi)有達(dá)到預(yù)緊扭矩的風(fēng)險(xiǎn)，監(jiān)造從制造過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督，使放行的螺栓滿足設(shè)計(jì)要求，目前，按照GB3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》對(duì)高強(qiáng)度螺栓的要求，風(fēng)電高強(qiáng)度螺栓大部分選擇10.9 級(jí)；其抗拉強(qiáng)度R m ≥ 1040MPa， 硬度值為32HRC~39HRC，低溫沖擊功A kv（-40℃ ~45℃）≥ 27J， 斷后伸長(zhǎng)率A ≥ 9%， 斷面收縮率Z ≥ 48%。因此，大多采用合金結(jié)構(gòu)鋼制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。

   工藝和材料作為機(jī)械制造的基礎(chǔ)，在制造廠質(zhì)量體系有效運(yùn)行的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)監(jiān)督原材料、加工工藝、熱處理工藝、表面處理、無(wú)損檢測(cè)及質(zhì)量控制計(jì)劃及實(shí)施。

原材料的質(zhì)量控制及監(jiān)督管理

   原材料質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響風(fēng)電用高強(qiáng)度螺栓的綜合力學(xué)性能和使用安全，材料的化學(xué)成分直接關(guān)系到緊固件的機(jī)械性能，所以在來(lái)料檢測(cè)上要進(jìn)行材料復(fù)檢和質(zhì)量證明文件的審核，監(jiān)督制造廠從試驗(yàn)設(shè)備及人員的配備及檢測(cè)記錄、抽樣數(shù)量、范圍等符合進(jìn)料檢查規(guī)范。根據(jù)風(fēng)電高強(qiáng)螺栓的生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)風(fēng)電高強(qiáng)螺栓原材料的實(shí)際晶粒度應(yīng)控制在6~8 級(jí)。這點(diǎn)在試驗(yàn)或第三方檢測(cè)試驗(yàn)要重點(diǎn)控制和監(jiān)督。

   監(jiān)督原材料入廠進(jìn)行復(fù)檢。確認(rèn)材料的鋼號(hào)、化學(xué)成分等符合要求，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中建立材料的可追溯系統(tǒng)。

加工工藝的質(zhì)量控制及監(jiān)督

   高強(qiáng)度緊固件制造工藝有鍛造、切削加工及熱處理等，在制造過(guò)程要仔細(xì)觀察各工藝的執(zhí)行及中間檢查控制。緊固件尺寸公差和幾何公差應(yīng)嚴(yán)格按照等級(jí)所對(duì)應(yīng)的尺寸和幾何公差規(guī)定要求執(zhí)行；直線度、全跳動(dòng)按照GB/T 3103.1—2002《緊固件公差螺栓、螺釘、螺柱和螺母》標(biāo)準(zhǔn)中B 級(jí)執(zhí)行，其余未注公差按GB/T 3103.1—2002、GB/T 3103.3—2000《緊固件公差平墊圈》中C 級(jí)執(zhí)行。

   前述塔筒高強(qiáng)度螺栓斷裂原因分析：試打樣件部分存在裂紋產(chǎn)品混入合格品中，這就要求在鍛造過(guò)程要監(jiān)督模具主要尺寸和有無(wú)裂紋和拉痕等缺陷的檢查，為了減少氧化皮，在加熱過(guò)程可采取相應(yīng)措施，如: 在保證加熱質(zhì)量前提下，盡量采用快速加熱，縮短加熱時(shí)間，尤其是金屬在高溫下的停留時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)；工件加熱到工藝溫度后盡快取出鍛打。為了防止過(guò)熱、過(guò)燒，應(yīng)控制加熱溫度和時(shí)間，鋼材溫度不得高于材料所允許的始鍛溫度，如果鍛壓設(shè)

備發(fā)生故障而長(zhǎng)時(shí)間停鍛時(shí)，必須關(guān)閉電源，停止加熱。高、中合金鋼和直徑大于30mm 的高碳鋼加熱時(shí)應(yīng)適當(dāng)控制加熱速度。

   監(jiān)督螺栓廠要有完善的質(zhì)量體系保證工件加熱、鍛造、滾螺紋等各項(xiàng)工序滿足要求，檢測(cè)結(jié)果合格。

熱處理工藝質(zhì)量監(jiān)督

   風(fēng)電用高強(qiáng)度螺栓強(qiáng)度級(jí)別達(dá)要求到10.9級(jí)，熱處理工藝通過(guò)球化退化和調(diào)質(zhì)實(shí)現(xiàn)。高強(qiáng)度螺栓調(diào)質(zhì)淬火時(shí)的淬透性，要求在淬火后截面獲得約90% 馬氏體組織。鋼材的化學(xué)成分、試件尺寸大小、過(guò)程溫度控制、降溫介質(zhì)、降

溫方法等影響著工件淬火深度。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中螺栓淬火工藝執(zhí)行普遍存在為節(jié)約費(fèi)用加熱保溫不足，致使奧氏體轉(zhuǎn)化不夠，造成淬火組織不均勻?；鼗鸸に囘^(guò)程中是無(wú)法被消除，造成早期失效。因此。要嚴(yán)格加強(qiáng)過(guò)程控制和監(jiān)督高強(qiáng)度螺栓熱處理調(diào)質(zhì)工藝的執(zhí)行。

   風(fēng)機(jī)葉片高強(qiáng)度螺栓斷裂質(zhì)量問(wèn)題就是熱處理問(wèn)題造成，硬度不達(dá)標(biāo)形成的失效。監(jiān)督制造廠熱處理工藝符合規(guī)定，詳細(xì)記錄熱處理工藝過(guò)程，對(duì)每一批次的熱處理過(guò)程都存檔備查。

 表面處理質(zhì)量監(jiān)督

   風(fēng)電用高強(qiáng)度緊固件，為減少酸洗和電鍍等過(guò)程產(chǎn)生氫脆的風(fēng)險(xiǎn)性，保證使用壽命，通常采用噴砂+ 非電解達(dá)克羅涂層，它對(duì)戶外緊固件的保護(hù)有機(jī)械屏蔽作用、自鈍化作用以及犧牲陽(yáng)極電化學(xué)保護(hù)良好的表面防腐作用；涂覆層應(yīng)大于8μm~12μm, 耐鹽霧試驗(yàn)720h 以上。同時(shí)，要保證防腐處理不能降低高強(qiáng)度螺栓機(jī)械性能和物理性能。監(jiān)督正確執(zhí)行表面處理工藝規(guī)程，詳細(xì)記錄表面處理工藝過(guò)程，對(duì)每一批次的防腐處理過(guò)程都存檔備查。

 無(wú)損檢測(cè)監(jiān)督

   無(wú)損檢測(cè)NDT 在不損害或不影響被檢高強(qiáng)度螺栓使用性能的前提下，檢測(cè)被檢高強(qiáng)度螺栓中是否存在缺陷或不均勻性，給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量等信息，進(jìn)而判定被檢高強(qiáng)度螺栓合格與否。通常要求螺栓進(jìn)行100%磁粉探傷檢測(cè)，表面缺陷應(yīng)符合GB/T5779.1—2000《緊固件表面缺陷 螺栓、螺釘和螺柱 一般要求》的要求。

   監(jiān)督無(wú)損檢測(cè)質(zhì)量要從人員資質(zhì)、設(shè)備完好、操作規(guī)范、問(wèn)題工件的發(fā)現(xiàn)能力等方面監(jiān)督，如前述螺栓質(zhì)量問(wèn)題均為在無(wú)損檢測(cè)和硬度分選時(shí)漏檢，造成問(wèn)題螺栓放行，在后續(xù)更換螺栓及停機(jī)造成損失3000 多萬(wàn)元。

質(zhì)量控制計(jì)劃及實(shí)施的監(jiān)督

   質(zhì)量控制計(jì)劃就是對(duì)高強(qiáng)度螺栓制造的全過(guò)程，以書(shū)面文件的形式，對(duì)高強(qiáng)度螺栓所有特性（包括原材料、下料、切削、六角頭成形、熱處理、探傷、噴砂、滾絲、去油、硬度分選、表面處理、成品檢驗(yàn)、包裝、交貨等）的評(píng)價(jià)（監(jiān)控）方法或技術(shù)、頻次、記錄形式進(jìn)行策劃的質(zhì)量文件。控制計(jì)劃通常是FMEA（潛在失效模式的后果分析）的輸出文件，作業(yè)指導(dǎo)書(shū)的輸入文件。

   在監(jiān)造過(guò)程要審核質(zhì)量控制計(jì)劃是否滿足螺栓采購(gòu)的技術(shù)要求和主機(jī)廠的技術(shù)規(guī)范，同時(shí)，針對(duì)螺栓已發(fā)生的質(zhì)量問(wèn)題反饋是否有相應(yīng)的控制措施，如：鍛造過(guò)程的氧化皮控制、六角頭與螺栓桿的R 圓弧角、模具裂紋等檢查，是控制六角頭成形質(zhì)量重點(diǎn)監(jiān)督方面；硬度分選是確認(rèn)每條螺栓熱處理質(zhì)量的必要手段。

   在實(shí)施過(guò)程中監(jiān)督質(zhì)量控制計(jì)劃的落實(shí)，對(duì)重點(diǎn)過(guò)程和易出問(wèn)題過(guò)程，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巡檢、質(zhì)量記錄抽查等方式，監(jiān)督螺栓制造廠質(zhì)量控制滿足工藝及技術(shù)規(guī)范要求。