风力发电是新能源发电领域最成熟的技术之一。 截至2024年底，我国风电累计装机容量达到281亿千瓦，其中：陆上风电271亿千瓦，海上风电约900万千瓦，使中国成为名副其实的第一风电大国。
风能是一种清洁的可再生能源，取之不尽，用之不竭，近年来随着大型风力发电机组的发展，用电成本不断下降，风电已成为极具竞争力的电力产品，是实现“碳达峰”和“碳中和”的重要途径。
为此，我国加快风电布局，实现碳达峰、碳中和任重道远。虽然未来风电的可持续发展涉及诸多因素，但风力发电机组的质量、材料和热处理技术无疑占有重要地位，风电机组的技术进步在很大程度上取决于材料、热处理和表面改性技术的发展。
到目前为止，我国仍需全面掌握风电机组生产的核心技术，特别是大功率风电机组、风电机组关键部件和风电机组的可靠性，这将是未来研发的重点。
我国风电机组已从消化引进海外技术阶段发展到自主技术创新阶段，在技术等方面具有优势。 随着我国风电行业的快速发展，特别是大容量兆瓦级大型风力发电机组、风电设备用高强度紧固件由于长期现场使用、环境恶劣、维护条件差等原因，因此对风电机组的可靠性和稳定性提出了要求，在正常连续工作条件下，风电机组紧固件必须保证20A以上的使用寿命。
对于紧固件行业来说，风电紧固件无疑仍将是一个巨大的市场和挑战。
01. 背景概述
风力发电机组是大型设备，高强度螺栓是重要的连接件，将直接影响风力发电机组的承载能力、使用寿命、安全性和性能。
风力发电机组关键部件的螺栓，如塔架地脚螺栓、塔架法兰螺栓（图1）、偏航系统螺栓（图2）、主轴螺栓、叶片螺栓等，均为高强度牌号
关键部件之间的连接是采用在圆形法兰上分布高强度螺栓的方式，法兰上的螺栓排列得非常密集，数量往往接近甚至超过120个;
此外，关键部件的连接接头面之间一般没有应力挡块、剪切销等径向支座结构。
图1 塔架法兰螺栓与气缸截面连接示意图。
图2 横航系统螺栓与塔顶法兰连接示意图。
风电紧固件具有一系列技术特点：强度高、精度高;
使用条件恶劣，与主机常年承受极端高温和极端温差的影响，经受高温、低温的侵蚀大功率，高达15兆瓦;
转速差大、振动、腐蚀、重载等;除了轴向预紧力拉伸载荷外，它还承受附加的拉伸交变载荷、横向剪切交变载荷或由所得化合物产生的弯曲载荷，有时还承受冲击载荷
额外的横向交变载荷会导致螺栓松动，轴向交变载荷会导致螺栓疲劳断裂。 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和高温条件下螺栓的蠕变。
通过对风力发电机组各关键部件的高强度螺栓受力分析，可以发现：
1）塔架地脚螺栓主要承受风荷载变化引起的交变拉应力
2）塔架法兰螺栓的应力与地脚螺栓的应力相似，主要承受交变拉应力;
3）偏航系统的螺栓主要承受扭转作用引起的剪切应力
4）主轴螺栓主要承受风轮旋转引起的扭矩，表现为剪应力，因为风力的变化会导致叶轮转速的增加或减少，因此，剪应力也会随着风荷载的变化而变化;
5）叶片螺栓，主要承受风引起的交变拉应力和剪切应力。
02. 故障模式
近10年来，随着风电机组安装数量的增加，发生了多起塔架倒塌事故，经过对事故原因的分析和总结，发现大部分塔架倒塌事故都是由风力发电机组高强度螺栓断裂引起的。
根据对各种风力发电机组高强度螺栓断裂事故和应力的分析，风力发电机组高强度螺栓的主要失效模式可归纳为疲劳断裂、脆性断裂、变形跳闸等类型。
1.疲劳断裂。
高强度螺栓经受多次循环弯曲拉应力后，首先在微观尺度上产生裂纹，然后在裂纹扩大到临界尺寸后裂纹断裂。
高强度螺栓断裂的本质是结构的有效承载面积和有效弯曲刚度逐渐缺失。
疲劳失效起源于高应力的局部区域，而对于螺钉，危险区域位于其自身的外表面。
导致高强度螺栓疲劳断裂的因素包括：
1）应力集中。风力发电机组位于强风区域，为了防止高强度螺栓松动，安装时会加载一定量的预紧力，螺栓杆根部和端面会出现应力集中。
2）交变应力。风力发电机组所在地区的风力变化很大，会有20 30m s的交变风速，风力发电机组需要常年在这种交变应力下工作。
3）由于安装检修时高强度螺栓预紧力不足，使风力发电机组运行过程中的振动加剧。
4）如果高强度螺栓存在缺陷，螺栓材料不良，钢中的非金属夹杂物严重，成为疲劳裂纹的来源螺栓制造工艺不合理，导致螺栓力学性能不符合标准要求或螺栓产品有原有裂纹，在使用中出现扩展断裂设计选用的螺栓符合标准要求，但疲劳强度难以满足实际工况要求，无法达到拧紧扭矩。 当螺栓出现微裂纹时，裂纹处的应力会急剧集中，裂纹扩展速度会加快，最终会引起高强度螺栓的失效断裂。
2.脆性断裂。
高强度螺栓的脆性断裂机理主要与腐蚀环境和高强度螺栓的内应力有关。
而对于常年工作在有腐蚀性介质的环境中的风力发电机组，在腐蚀性介质和应力的作用下，高强度螺栓热处理的综合力学性能不好，会发生应力腐蚀，最终导致螺栓脆性断裂。
高强度螺栓应力腐蚀的影响因素包括：
1）残余应力。高强度螺栓在机械加工或热处理过程中产生的残余应力一般是指拉应力，组织缺乏均匀性。
2）腐蚀性介质。如果高强度螺栓长期与环境接触，存在敏感的腐蚀性介质，如大气环境中的CL含量高，很容易引起腐蚀。
3）高强度螺栓表面改性的防腐措施不足。
这种脆性断裂引起的失效事故很少，但由于海上风电机组运行环境的腐蚀情况难以改变，防止高强螺栓脆性断裂的唯一途径是加强高强螺栓表面改性的防腐措施。
3.变形跳闸。
高强度螺栓的失效模式还包括变形跳闸，主要表现为螺栓整体伸长或螺母跳闸，失去拧紧效果。
变形跳闸的原因包括：
1）材料本身疲劳强度低或热处理时脱碳，螺纹加工存在缺陷，导致螺纹受力后脱落
2）高强度螺栓在安装和维护时预紧力不均匀，导致单个螺栓的预紧力远大于其他螺栓，容易产生塑性。
03. 技术讨论
梳理了风力发电机关键部件高强螺栓的应力情况和失效模式，发现虽然各部件高强螺栓的应力状态不尽相同，但失效模式基本相似，主要包括疲劳断裂、脆性断裂和变形跳闸等， 等，而疲劳断裂是高强度螺栓最常见的失效形式，也是导致各种塔架倒塌事故发生的主要影响因素之一。
因此，在选择和更换高强度螺栓时，严格按照设计文件的规定禁止使用低于设计强度的螺栓。 安装和施加预紧力时，应施加扭矩扳手，以防止预紧力过大。
大型风电螺栓用钢的设计思路是通过添加更高含量的Ni元素来提高螺栓的韧性，镍是一种非碳化物形成元素，它可以以Fe的形式以相或相晶粒的形式存在于钢中，提高钢的低温性能（特别是低温韧性）和抗疲劳性， 与CR一起使用时，可以显着提高钢的淬透性和耐腐蚀性。
同时，根据针对不同高强度螺栓失效形式提供的预防措施，对不符合要求的螺栓及时进行相应的处理或更换，一方面可以保证风力发电机组的安全运行，另一方面可以避免因过度更换高强度螺栓而造成的高维护成本， 这对风力发电机组的安全性和经济性具有重要意义。
04. 螺丝钧的经验与总结
近年来，我国在风电机组技术研发方面取得了巨大成就，但与国外先进水平相比仍有一定差距，特别是缺乏有效的实践经验。
风力发电机组作为一种精密设备，运行时间长，为了保证机组长时间有效工作，就要注意机组上的每一个细节，用心呵护每一个部件。
据统计，机械设备运行中的故障中，约有80%是由高强度紧固件引起的。
高强度紧固件不仅要求具有较高的疲劳强度和屈服比，而且要求具有较高的低温冲击韧性。
材料和热处理，这一环节也是提高风力发电机研发能力的关键点，是产品和可靠性的前提保证。
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