风电是新能源发电领域最成熟的技术之一。截至 2020年年底全国风电累计装机达 2.81亿千瓦，其中：陆上风电2.71亿千瓦、海上风电约 900万千瓦，这让中国成为名副其实的风电第一大国。

风能是一种清洁的可再生能源，取之不尽用之不竭，随着近年来风机单机功率大型化的发展，度电成本不断降低，风电已成为一种极具竞争力的电力产品，是实现“碳达峰”、“碳中和”的重要途径。

为此，我国风电加速布局，实现碳达峰、碳中和承诺任重道远。未来风电的可持续发展尽管与很多因素有关，其中风电机组中的品质与材料、热处理技术无疑占据重要地位，风电机组技术进步在很大程度上取决于材料与热处理、表面改性技术的发展。

迄今为止，我国还有待全面掌握风电机组生产的核心技术，尤其是大功率风电机组，风电机组关键零部件及风电机组的可靠性，将是今后一段时间内研发中的重点。

我国风电机组已经从消化引进海外技术阶段发展至自主技术创新阶段，具备技术和价格等方面的优势。随着我国风电行业尤其是大容量的兆瓦级别大型风力发电机组得到快速发展，风电设备用的高强度紧固件由于长期野外服役，环境恶劣，维修条件差，所以，要求风机可靠性、稳定性强，正常连续工作情况下，风电机组紧固件要求必须保证20a以上的使用寿命。

对于紧固件行业来说，风电用紧固件无疑仍将是一个巨大的市场和挑战。

01 背景概述

风电机组属于大型装备，高强度螺栓是其重要的连接件，会直接影响风电机组的承载能力、使用寿命及安全、性能。

风电机组关键部件的螺栓，如塔筒地脚螺栓、塔筒法兰螺栓（图1）、偏航系统用螺栓（图2）、主轴螺栓，以及叶片螺栓等，均属于高强度等级；

而关键部件之间的连接又均是采用圆形法兰上均布高强度螺栓的方式，且法兰上的螺栓布置地很密集，数量常接近甚至超过120颗；

此外，关键部件连接结合面之间一般无受力止口、剪切销等径向承载结构。

风电紧固件在技术上有一系列特点：高强度、高精度等级；

服役条件严酷，它将随主机一起常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，承受高温、低温的侵蚀；功率高，最高达到15兆瓦级；

速差大、震动、腐蚀、重载等；除受到轴向预紧拉伸载荷的作用外，还会在工作中受到附加的拉伸交变载荷、横向剪切交变载荷或由此复合而成的弯曲载荷的作用，有时还受到冲击载荷；

附加的横向交变载荷会引起螺栓的松动，轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂。而在环境介质的作用下，轴向拉伸载荷会引起螺栓的延迟断裂，以及高温条件下引起螺栓的蠕变等。

通过对风电机组各关键部件高强度螺栓的受力分析，可以发现：

• 1) 塔筒地脚螺栓主要承受由风荷载变化带来的交变拉应力；

  
  

• 2) 塔筒法兰螺栓的受力情况和地脚螺栓相似，主要承受交变拉应力；

  
  

• 3) 偏航系统用螺栓主要承受由扭转动作带来的切应力；

  
  

• 4) 主轴螺栓主要承受风轮转动所带来的扭矩，表现为剪切应力，由于风力变化会导致叶轮转速提高或降低，因此，剪切应力也会随着风荷载的变化而变化；

  
  

• 5) 叶片螺栓，主要承受风力引起的交变拉应力与切应力。

02 失效形式

近10年来，随着风电机组安装数量增多，也时常发生多起倒塔事故，对事故原因进行分析总结后发现，多数倒塔事故是由风电机组高强度螺栓断裂所导致的。

据统计各类风电机组高强度螺栓断裂事故和受力分析情况，风电机组高强度螺栓的主要失效形式可归纳为疲劳断裂、脆性断裂、变形脱扣等类型。

1、疲劳断裂

高强度螺栓在承受弯曲拉应力多次循环作用后，首先会产生微观尺度上的裂纹，随后裂纹扩至临界尺寸后，高强度螺栓发生断裂。

高强度螺栓发生断裂的本质是其结构的有效承载面积及有效抗弯刚度逐步缺失。

疲劳破坏起源于高应力的局部区域，对于螺杆而言，其危险区域位于自身的外表面。

高强度螺栓产生疲劳断裂的因素包括：

• 1) 应力集中。风电机组位于风力较大的区域，为了防止高强度螺栓松动，安装时会加载一定量的预紧力，会在螺栓杆部与端面根部出现应力集中的现象。

  
  

• 2) 交变应力。风电机组所在区域的风力变化幅度较大，会出现风速为20～30m/s的交变，且风电机组需要常年在这种交变应力下工作。

  
  

• 3) 由于安装与维护时高强度螺栓预紧力不足，导致风电机组运行过程中的振动加剧。

  
  

• 4) 若高强度螺栓存在缺陷，①螺栓材质不良，钢材内非金属夹杂物严重，成为疲劳裂纹源；②螺栓制造工艺欠合理，造成螺栓力学性能不符合标准要求或螺栓制品具有原始裂纹，使用时扩展断裂；③设计选择的螺栓满足标准要求，但疲劳强度难以满足实际工况需求，无法达到紧固扭矩。当螺栓出现微裂纹时会造成裂纹处应力急剧集中，加快裂纹扩展速率，最终导致高强度螺栓失效断裂。

2、脆性断裂

高强度螺栓的脆性断裂产生机理主要是与腐蚀环境和高强度螺栓内应力有关。

而对于常年工作在具有腐蚀性介质的环境内的风电机组而言，在腐蚀介质和应力作用下，高强度螺栓的热处理综合力学性 能不佳，会发生应力腐蚀，最终导致螺栓脆性断裂。

高强度螺栓产生应力腐蚀的影响因素包括：

• 1) 残余应力。高强度螺栓机械加工或热处理时产生的残余应力，一般指拉应力，组织缺乏均匀性。

  
  

• 2) 腐蚀介质。若高强度螺栓长期接触的环境存在其敏感的腐蚀介质，如大气环境中Cl含量较高时，易造成腐蚀。

  
  

• 3) 高强度螺栓表面改性的防腐措施不足。

此类脆性断裂而引起的失效事故不多，但由于海上风电机组运行环境的腐蚀情况难以改变，因此对于预防高强度螺栓脆性断裂的方法只有加强高强度螺栓表面改性处理的防腐措施。

3、变形脱扣

高强度螺栓的失效形式还包括变形脱扣，其主要表现形式为螺栓整体被拉长或螺母脱扣，失去紧固效果。

变形脱扣的原因包括：

• 1) 材料本身疲劳强度低或热处理时脱碳，螺纹机械加工存在缺陷，造成螺纹受力后脱落；

  
  

• 2) 安装与维护时高强度螺栓的预紧力不均匀，造成个别螺栓预紧力远大于其他螺栓，易于产生塑性。

03 技术讨论

对风电机组关键部件高强度螺栓的受力情况和其存在的失效形式进行了梳理，结果发现，虽然各部件的高强度螺栓的受力状态并不相同，但其失效形式基本类似，主要有疲劳断裂、脆性断裂和变形脱扣等，而疲劳断裂是最为常见的高强度螺栓失效形式，也是造成各类倒塔事故发生的主要影响因素之一。

因此，在选用和更换高强度螺栓时，要严格按照设计文件的规定，禁止使用低于设计强度的螺栓。安装施加预紧力时要应用力矩扳手，防止预紧力加载过大。

对于大规格风电螺栓用钢的设计思路是通过加入更高含量的Ni元素来提高螺栓的韧性，镍是非碳化物形成元素，可与Fe以互溶的形式存在于钢中的α相或γ相的晶粒，改善钢的低温性能（特别是低温韧性）和耐疲劳性能，与Cr配合使用时，可显著提高钢的淬透性和耐腐蚀性。

同时，针对不同高强度螺栓失效形式提供的防范措施，及时进行相应处理或更换不符合要求的螺栓，一方面可保障风电机组的安全运行，另一方面可以避免高强度螺栓过度更换而造成的高维修成本，对风电机组的安全性和经济性具有重要意义。

04 螺丝君经验与总结

近年来，我国在风电机组技术研制开发方面取得较大的成就，但与国外先进水平相比还存在一定的差距，尤其是缺乏有效的实践经验。

风电机组作为一种精密设备，长期运行，要保证机组长时间有效工作，就必须关注机组上的每一个细节，精心呵护每一个零部件。

据统计，在机械装备运行故障中有80%左右是因为高强度紧固件问题引起的。

高强度紧固件不仅要求具有很高的抗疲劳强度和屈服比，而且还要具有很高的低温冲击韧性。

材料与热处理，这一环节也是提高风电机组的研发能力的关键点，是产品及可靠性的前提保证。