本文通過案例分析查找高強度螺栓失效焦點，監(jiān)督制造廠質量計劃控制要覆蓋失效焦點，通過監(jiān)造監(jiān)督質量計劃的有效實施，確保供貨的風電高強度螺栓抗拉強度、韌性及耐腐蝕等性能指標符合設計要求，防止批次性的質量問題發(fā)生、保證產品質量穩(wěn)定可靠。
高強度螺栓失效原因分析
塔筒高強度螺栓斷裂質量問題
事件描述：2018 年, 某海上風電項目現(xiàn)場送電檢查時發(fā)現(xiàn)1# 風機與塔筒連接處兩顆M56×430 螺栓斷裂，材質為42CrMoA。后來在調試、消缺復檢以及排查過程中，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，斷裂位置均位于六角頭根部，如圖1 所示，涉及10 臺風機。
原因分析及檢測：
（1）宏觀分析。斷裂螺栓的宏觀形貌見圖2，斷裂位置位于頭桿結合部位，斷裂螺栓未見明顯縮頸現(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)，對失效螺栓的機械性能、脫碳、沖擊、理化、金相、頭部 PT 探傷進行分析。
（1） PT 頭部探傷。頭部未失效螺栓進行探傷后，無明顯裂縫顯現(xiàn)，符合技術要求。
（2）化學成分分析。從斷裂螺栓上取樣進行化學成分分析，斷裂螺栓的化學成分符合GB/T 3077-2015 《合金結構鋼》中 42CrMoA 標準要求。
（3）力學性能試驗。從斷裂螺栓上分別取樣進行拉伸試驗和沖擊試驗（－ 40℃），從上述力學性能的實測值得出，斷裂螺栓力學性能符合 GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能、螺栓、螺釘和螺柱》標準要求。
（4） 金相檢驗、維氏硬度分析。分別取斷裂螺栓兩側斷口的剖面試樣，按GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》標準進行制樣，隨后在光學顯微鏡下觀察，為馬氏體位相的回火索氏體+ 極少量鐵素體，組織為正常的調質狀態(tài)。
從顯微硬度試驗的實測值得出，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。
失效分析結論：
（1）檢測結果。螺栓機械性能、沖擊、硬度符合 GB/T 3098.1—2010 標準要求，材質理化指標符合 GB/T 3077-2015 42CrMoA 技術要求 ，從金相組織體現(xiàn)熱處理工藝成熟穩(wěn)定，頭部PT檢測未失效螺栓無裂紋顯現(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存在，可以排除氫脆的可能性，問題原因基本可以確定為個別螺栓在紅打調試模具階段產生缺陷，并在熱處理淬火時形成微裂紋，在安裝后發(fā)生延時斷裂。
主機廠、螺栓廠原因調查：
（1）樣件混入成品。紅打工序中人員責任心不強，并且缺少樣件管理流程，導致試打樣件部分存在裂紋產品（20 件左右）混入批量產品中；
（2）NDT-MT 檢測未能發(fā)現(xiàn)。NDT-MT 現(xiàn)場檢測人員（I 級）發(fā)現(xiàn)缺陷能力不足，導致缺陷產品未檢出。
（3）主機廠對分包商管理不到位，設置的質量控制點未實施。
原因分析結論：
通過上述第三方檢驗、主機廠、螺栓廠調查得出下述結論。
（1）直接原因。試打樣件部分存在裂紋產品（20 件左右）混入批量產品中；
（2）間接原因。NDT-MT 現(xiàn)場檢測人員（I 級）能力不足，導致缺陷產品未檢出；
（3）根本原因。質量管理存在問題，對樣件管理沒有完善的監(jiān)督措施，鍛打人員責任心不強，培訓不到位；現(xiàn)場配備的檢測人員培訓不到位，能力弱；主機廠對分包廠管理不到位，設置的質量控制措施未執(zhí)行。
質量問題處理：對主機廠、螺栓制造廠進行質量體系監(jiān)查；根據(jù)造成螺栓斷裂原因分析，相關方協(xié)商，全部更換該批次M56 螺栓，35 臺總計3350 套。
風機葉片高強度螺栓斷裂質量問題
事件描述：2018 年，葉片安裝時出現(xiàn)一顆雙頭螺栓斷裂。經與新螺栓對比，螺栓斷裂于螺桿變徑部位，距螺紋約20mm，斷口附近可見明顯的縮頸現(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%，見圖3、圖4。
檢測及原因分析：
（1）理化檢驗：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，長部分定義為B 側；事件描述表明，該螺栓斷裂模式為塑性斷裂。
（2）化學成分檢驗：從斷裂螺栓上取樣進行化學成分分析，斷裂螺栓的化學成分符合GB/T 3077—2015 中42CrMoA 標準要求。
（3）力學性能檢驗：螺栓桿部（長側）拉伸性能、沖擊功均符合GB/T 3098.1—2010 標準中10.9 級的要求。螺栓A 側（短側）硬度值為16.5HRC，遠低于標準要求值，螺栓B 側（長側）硬度值符合GB/T 3098.1—2010 標準中10.9級的要求。
（4） 金相檢驗未見明顯缺陷存在。
綜上，螺栓A 側至斷口部位顯微組織均為珠光體+ 鐵素體+ 回火索氏體，在調質工藝下為非正常組織；B 側顯微組織為回火索氏體+少量鐵素體，在調質工藝下為正常組織。
綜上檢測分析，所檢螺栓斷裂模式為塑性斷裂。結合螺栓金相分析及硬度測試結果，該螺栓A 側至斷口部位顯微組織異常，硬度僅有16.5HRC，導致螺栓局部抗拉強度不足，在安裝過程中，在正常拉伸應力作用下，該部位首先
發(fā)生塑性變形，后發(fā)生斷裂。螺栓A、B 兩側顯微組織不一致，推斷該螺栓在調質熱處理（淬火）過程中，因局部（A 側）未完全浸入淬火液中而導致A 側組織異常。
失效分析結論：所檢螺栓斷裂模式為塑性斷裂；所檢螺栓A 側顯微組織異常，導致局部強度不足，在拉伸應力作用下發(fā)生斷裂。
螺栓廠現(xiàn)場調查分析原因。結合上述的試驗結果和分析及供應商廠內的實際審核，主機廠、螺栓廠、給出本次螺栓斷裂結論，監(jiān)造通過全程見證失效分析及試驗，并通過對螺栓廠的調查驗證，確認如下結論：螺栓廠在使用連續(xù)式滲碳保護網(wǎng)帶爐進行該批次螺栓熱處理過程中，由于網(wǎng)帶卡料，造成一顆螺栓在落料口卡滯并未被及時取出，從而導致該螺栓部分溫度降速不足，未完成奧氏體向馬氏體的轉變，而是由奧氏體緩冷狀態(tài)下轉變?yōu)橹楣怏w組織，繼而導致強度性能達不到要求，在安裝過程中導致斷裂。
結合擴大批次抽檢、192 顆全數(shù)分選、未調質樣棒拉伸等驗證，主機廠可以確保已經安裝的本批次螺栓不存在風險，該斷裂螺栓屬于個例問題。
監(jiān)造最終給出的原因分析：質量管理存在問題，在發(fā)生網(wǎng)帶卡死時未按按規(guī)定要求操作，導致個別螺栓混入正常產品，對操作人員培訓不到位，存在僥幸心理；螺栓硬度無損分選，按兩頭30% 比例分選存在漏洞，不能全覆蓋。
處理結果：結合擴大批次抽檢、192 顆全數(shù)分選、未調質樣棒拉伸等驗證，主機廠可以確保已經安裝的本批次螺栓不存在風險，該斷裂螺栓屬于個例問題。并承諾若現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)該批次螺栓再有一條斷裂，主機廠免費更換該批次全部螺栓，并承擔由此造成的電量損失。
高強度螺栓失效焦點
通過上述兩個監(jiān)造案例和收集其他案例的經驗總結，高強度螺栓在安裝、試運行中出現(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 圓弧過渡角鍛打精度是制造的一個難點；螺紋與桿部變形和斷裂，不僅硬度和機械性能不符合要求，還有心部與表面組織、硬度差別的影響。另外，高強螺栓軸向預緊力的大小從很大程度上決定了連接螺栓的疲勞壽命。高強度緊固件沒有達到要求的預緊扭矩，沒有按規(guī)定的擰緊工藝（2 次擰緊）進行裝配或超預緊扭矩；沒有擰緊螺栓造成風機倒塌事故不在少數(shù)，即緊固沒有到位，預緊力和預緊扭矩值沒有達到規(guī)定值，在風機機組運轉振動作用下，使螺栓產生交變載荷，連接副松動，進一步引起螺栓的疲勞和延遲斷裂；另外，不同螺栓預緊力不同，造成螺栓受力不同，個別螺栓受力超過設計載荷，導致整組螺栓強度下降，機組失效。
高強度螺栓監(jiān)造實施要點
為了確保高強度螺栓不斷裂，排除因施擰和沒有達到預緊扭矩的風險，監(jiān)造從制造過程進行質量監(jiān)督，使放行的螺栓滿足設計要求，目前，按照GB3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》對高強度螺栓的要求，風電高強度螺栓大部分選擇10.9 級；其抗拉強度R m ≥ 1040MPa， 硬度值為32HRC~39HRC，低溫沖擊功A kv（-40℃ ~45℃）≥ 27J， 斷后伸長率A ≥ 9%， 斷面收縮率Z ≥ 48%。因此，大多采用合金結構鋼制造，經調質處理。
工藝和材料作為機械制造的基礎，在制造廠質量體系有效運行的基礎上，重點監(jiān)督原材料、加工工藝、熱處理工藝、表面處理、無損檢測及質量控制計劃及實施。
原材料的質量控制及監(jiān)督管理
原材料質量的優(yōu)劣直接影響風電用高強度螺栓的綜合力學性能和使用安全，材料的化學成分直接關系到緊固件的機械性能，所以在來料檢測上要進行材料復檢和質量證明文件的審核，監(jiān)督制造廠從試驗設備及人員的配備及檢測記錄、抽樣數(shù)量、范圍等符合進料檢查規(guī)范。根據(jù)風電高強螺栓的生產實踐對風電高強螺栓原材料的實際晶粒度應控制在6~8 級。這點在試驗或第三方檢測試驗要重點控制和監(jiān)督。
監(jiān)督原材料入廠進行復檢。確認材料的鋼號、化學成分等符合要求，在整個生產過程中建立材料的可追溯系統(tǒng)。
加工工藝的質量控制及監(jiān)督
高強度緊固件制造工藝有鍛造、切削加工及熱處理等，在制造過程要仔細觀察各工藝的執(zhí)行及中間檢查控制。緊固件尺寸公差和幾何公差應嚴格按照等級所對應的尺寸和幾何公差規(guī)定要求執(zhí)行；直線度、全跳動按照GB/T 3103.1—2002《緊固件公差螺栓、螺釘、螺柱和螺母》標準中B 級執(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 級執(zhí)行。
前述塔筒高強度螺栓斷裂原因分析：試打樣件部分存在裂紋產品混入合格品中，這就要求在鍛造過程要監(jiān)督模具主要尺寸和有無裂紋和拉痕等缺陷的檢查，為了減少氧化皮，在加熱過程可采取相應措施，如: 在保證加熱質量前提下，盡量采用快速加熱，縮短加熱時間，尤其是金屬在高溫下的停留時間不宜過長；工件加熱到工藝溫度后盡快取出鍛打。為了防止過熱、過燒，應控制加熱溫度和時間，鋼材溫度不得高于材料所允許的始鍛溫度，如果鍛壓設
備發(fā)生故障而長時間停鍛時，必須關閉電源，停止加熱。高、中合金鋼和直徑大于30mm 的高碳鋼加熱時應適當控制加熱速度。
監(jiān)督螺栓廠要有完善的質量體系保證工件加熱、鍛造、滾螺紋等各項工序滿足要求，檢測結果合格。
熱處理工藝質量監(jiān)督
風電用高強度螺栓強度級別達要求到10.9級，熱處理工藝通過球化退化和調質實現(xiàn)。高強度螺栓調質淬火時的淬透性，要求在淬火后截面獲得約90% 馬氏體組織。鋼材的化學成分、試件尺寸大小、過程溫度控制、降溫介質、降
溫方法等影響著工件淬火深度。在實際生產過程中螺栓淬火工藝執(zhí)行普遍存在為節(jié)約費用加熱保溫不足，致使奧氏體轉化不夠，造成淬火組織不均勻。回火工藝過程中是無法被消除，造成早期失效。因此。要嚴格加強過程控制和監(jiān)督高強度螺栓熱處理調質工藝的執(zhí)行。
風機葉片高強度螺栓斷裂質量問題就是熱處理問題造成，硬度不達標形成的失效。監(jiān)督制造廠熱處理工藝符合規(guī)定，詳細記錄熱處理工藝過程，對每一批次的熱處理過程都存檔備查。
表面處理質量監(jiān)督
風電用高強度緊固件，為減少酸洗和電鍍等過程產生氫脆的風險性，保證使用壽命，通常采用噴砂+ 非電解達克羅涂層，它對戶外緊固件的保護有機械屏蔽作用、自鈍化作用以及犧牲陽極電化學保護良好的表面防腐作用；涂覆層應大于8μm~12μm, 耐鹽霧試驗720h 以上。同時，要保證防腐處理不能降低高強度螺栓機械性能和物理性能。監(jiān)督正確執(zhí)行表面處理工藝規(guī)程，詳細記錄表面處理工藝過程，對每一批次的防腐處理過程都存檔備查。
無損檢測監(jiān)督
無損檢測NDT 在不損害或不影響被檢高強度螺栓使用性能的前提下，檢測被檢高強度螺栓中是否存在缺陷或不均勻性，給出缺陷的大小、位置、性質和數(shù)量等信息，進而判定被檢高強度螺栓合格與否。通常要求螺栓進行100%磁粉探傷檢測，表面缺陷應符合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)督無損檢測質量要從人員資質、設備完好、操作規(guī)范、問題工件的發(fā)現(xiàn)能力等方面監(jiān)督，如前述螺栓質量問題均為在無損檢測和硬度分選時漏檢，造成問題螺栓放行，在后續(xù)更換螺栓及停機造成損失3000 多萬元。
質量控制計劃及實施的監(jiān)督
質量控制計劃就是對高強度螺栓制造的全過程，以書面文件的形式，對高強度螺栓所有特性（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、包裝、交貨等）的評價（監(jiān)控）方法或技術、頻次、記錄形式進行策劃的質量文件?？刂朴媱澩ǔＪ荈MEA（潛在失效模式的后果分析）的輸出文件，作業(yè)指導書的輸入文件。
在監(jiān)造過程要審核質量控制計劃是否滿足螺栓采購的技術要求和主機廠的技術規(guī)范，同時，針對螺栓已發(fā)生的質量問題反饋是否有相應的控制措施，如：鍛造過程的氧化皮控制、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量重點監(jiān)督方面；硬度分選是確認每條螺栓熱處理質量的必要手段。
在實施過程中監(jiān)督質量控制計劃的落實，對重點過程和易出問題過程，通過現(xiàn)場巡檢、質量記錄抽查等方式，監(jiān)督螺栓制造廠質量控制滿足工藝及技術規(guī)范要求。
