出处：https://www.pieng.com/in-response-to-the-2015-bolt-failure-on-the-lemnhult-wind-farm/

2015年圣诞节前夕，位于瑞典Vetlanda附近的Lemnhult风电场的一台390英尺高的风力涡轮机在塔架最下方的法兰接头（含有100个M64螺栓）中的螺栓发生故障时坍塌。 随着瑞典事故调查局最终报告的发布，这一事件最近在媒体爆发。

根据以英文提供的简短摘要，失败调查产生了以下结论：

• 螺栓在疲劳时失效，主要是由于风力。 螺栓疲劳的根本原因是夹紧载荷（螺栓张力）不足。

• 没有检查是否达到了所需的夹紧载荷。

• 扭矩工具没有得到充分保养。

• 螺栓紧固人员缺乏经验，没有经过充分的培训。

• 安装过程中的雨水改变了螺栓配合表面的摩擦力，从而降低了接头中的夹紧负荷。

• 运营和控制经理只有限的检查。

• 风电场以前没有向相关责任方报告松动或断裂的螺栓问题。

• 调查得出的建议主要集中在文件，检查和相关法规的遵守情况。

疲劳断裂是螺栓连接突然发生灾难性失效的最常见原因。幸运的是，断裂面的外观是独特的，并且可以广泛获得用于确认视觉诊断的冶金测试。但是什么引发了最终导致失败的裂缝？通常可以得出结论，螺栓不符合规格，但这种情况很少见。更常见的是，并且在这种情况下确定的是，螺栓副的加紧力不足以应对作用在其上的外部载荷。在这种情况下，主要的外力是由风产生的，这导致400吨风力涡轮机在空中接近400英尺的地方摇摆并在螺栓上施加周期性的弯曲载荷。

因此，如果螺栓与预期的一样强，那么作用在接头上的力是否大于预计？高度工程化的产品制造商承担与故障或性能差相关的高成本（如这些风机），而通常可以很好地估算这些负载并应用安全系数以避免不确定性。

如果制造商在估算外部负荷方面做得很好，为什么他们会设计一个不够强大的接头来处理它们呢？每当我们谈到螺栓连接时，答案通常是他们的计算是基于一个在实践中难以确认的关键假设。这个假设是螺栓产生多大的力或夹紧力来将接头固定在一起。重要的是要了解螺栓的强度和它产生的夹紧力之间的差异。螺栓已经规定并且容易验证强度要求;这就是将它拉断所需的力量。然而，根据定义，通过在低于螺栓极限强度的力下重复地装载和卸载部件（螺栓）而发生故障，从而发生疲劳失效。想一想来回弯曲别针直到它破裂。你几乎没有足够的力量将它拉断，但你很容易折断它。这台风力涡轮机因为塔形螺栓像曲别针一样失效而坍塌 - 只是在更多的循环中弯曲得更少。

但是夹紧力与曲别针示例有什么关系，夹紧力究竟是什么？拉伸螺栓时会产生夹紧力。你可以用手将螺栓旋入螺母或螺纹孔，直到头部和螺纹之间的板停止这个运动。然后，在扳手的帮助下，你可以继续旋转螺栓。因为螺纹端部进入配合螺纹，只要其间的板不以与螺栓端部前进相同的速率被压碎，则螺栓必须被拉伸。像橡皮筋限制一副卡片来回滑动，拉伸螺栓的张力在螺栓头和螺纹之间的板中产生夹紧力。足够大的夹紧力可防止两个事件发生，从而防止疲劳失效。首先，夹紧力防止被夹紧的部件相对于彼此滑动。在绝大多数情况下，结构连接部件的相对运动最终将导致失效。我们大多数人已经看到，不幸的是很少有人经历过，车辆，卡车或拖车上的车轮上的夹紧负荷不足的结果。如果车轮未被牢固地夹紧到轮毂上，则当车轮旋转时，所产生的运动导致螺柱前后弯曲一小部分，最终使车轮断裂并允许车轮与车辆分离。在许多车轮分离的情况下，一些螺柱仍然完好无损。相对运动不仅会导致螺柱失效，还会导致螺母松动。螺母通常完全退出，因此在某些情况下，在所有螺柱断裂之前，车轮滑过剩余螺柱的末端。

第二个也是更难以想象的是低夹紧力所带来的风险，即外部载荷作用在螺栓上的应力幅取决于接头中的夹紧力。例如，如果不是风荷载平行于地面，想象金刚抓住涡轮机并一次又一次地向上拉动风机以试图将其拉出地面。每次拉动时，一部分力传递给螺栓。螺栓在组装时拉伸越多（产生更多的夹紧载荷），外部拉动载荷的部分传递到螺栓越小。减小作用在部件上的应力幅是降低疲劳断裂可能性的关键。

那么为什么估算装配时产生的夹紧力如此困难呢？在大多数情况下，它等于在紧固过程中紧固件伸长时产生的张力。因此，一种常见的误解是，精确的扭矩扳手将产生夹紧载荷的准确估计。而这远非真实的说法，因为施加在螺栓上的扭矩实际上只是对其转动阻力的衡量标准。如果所有扭矩都用于拉紧螺栓，则可以相当精确地计算扭矩和初始螺栓张力之间的关系。然而，除了大约10-15％的输入扭矩之外，所有输入扭矩都用于克服头部或螺母下以及配合螺纹中的摩擦。这个拧紧过程非常低效。由于摩擦是这种低效率的根源，许多人认为精确测量摩擦系数（COF）可以解决这个问题。因为人们可以很容易地在线找到COF表，这似乎是一个直截了当的主张。然而，螺栓连接中的各种几何形状，表面光洁度，涂层和润滑剂代表了比COF计算所基于的彼此滑动的两个原材料平面更复杂的系统。事实上，在谷歌中搜索“¼-20螺栓需要多少扭矩”的扭矩表是基于改进的摩擦系数而不是COF，并且仍然不适用于关键接头，这是为什么？因为可以通过使用0.20的摩擦系数K来定义所有镀锌螺栓的扭矩，这相当于指示画家使用蓝色，而这太过宽泛了。在没有测试特定应用程序来确定最成功的结果的情况下，有太多的变量在做出决定。

超声波测试设备的最新进展使得先前无法实现的目标是在不改变接头或紧固件或实际添加其他部件的情况下精确测量螺栓张力。在生产环境中直接将标准螺栓拧紧到拉伸的最终目标尚未成为现实，但是扭矩，旋转角度和螺栓张力之间的关系可以通过测试未修改的生产硬件来确定。根据该信息，可以比较各种紧固策略以实现能够以最小离散提供所需夹紧力的紧固策略。该技术还能够监测由于时间和温度引起的变化。这很重要，因为能够准确地确定装配时的夹紧力并不意味着可以高枕无忧。塔架接头发生故障时存在的夹紧力与最初拧紧螺栓时的夹紧力不同。由于局部屈服和/或（夹持物）材料蠕变，所有螺栓连接都会松弛。

虽然列出比实施更容易，但总是值得回顾组装结构螺栓连接的三个基本要求。

1. 需要多少螺栓预紧力？

2. 螺栓张紧（拧紧）的过程将如何始终如一地达到这个预紧力？

3. 我们如何通过直接测量或过程控制来验证我们是否已达到所需的预紧力？

如果你对第一个问题的答案是“我没有数字，但我们现在正在做的事情正在发挥作用”，我建议您进行超声螺栓预紧力测试来衡量这个数字是多少以及变化了多少。 然后，你就会有一个比较的基础。

除非您了解可用的工具和技术，否则无法开发最有效的拧紧过程。往往会过多关注该工具，而不是如何利用它并采用紧缩策略。经过一些相当基本的工艺开发后，使用10美元的新月扳手可以更精确地控制目标夹紧负载，而不是经过校准的20,000美元可编程直流工具，以确保将所述0.25％的精度应用于从参考表中获得的安装扭矩。

验证夹力的方法显然非常依赖于所使用的工具和拧紧过程。然而，一个广泛适用的观察是，除非明显损坏，否则工具更可能是由于其未正确设置或编程，从而未实现所需的夹紧力而导致失效的，这更可能是其主要因素。例如，在我们对风机齿轮接头问题的研究中，螺栓偶尔会在组装时张紧到失效，超声波螺栓预紧力测量表明需要调整原来设定的扭矩与螺栓张力关系。然而，螺栓失效的另一个主要原因是用于拧紧的液压扭矩扳手具有将液压压力转换为所选扭矩的错误因素。该工具之前已经运回给制造商，该制造商正确地发现它符合规格。这并不是说校准是浪费时间，而是因为在这种情况下，宝贵的时间通常花费在通常不是根本情况的区域上。该示例还说明了用于提高校准有效性的策略。可以在反映实际使用的条件下执行更接近的校准，其将更准确和有价值。校准系统而不是传感器通常更具挑战性，但总是有益的。

总之，对管理局调查结果的审查表明，前两个要点包含了发生的事情和原因。 如果可以可靠地确定夹紧力，则不会发生失效。 这种因果关系无法通过其他纠正措施实现，例如改进检查，培训和文件记录。

要查看瑞典事故调查局的事故报告，请点击此处：

www.havkom.se/en/investigations/vaegtrafik-oevrigt/olycka-med-vindkraftverk-i-lemnhult

文中图片来自报告。