文 | 程峰，霍宏斌，李鵬，高建輝，華錫江

風(fēng)能是資源潛力大、技術(shù)基本成熟的可再生能源。目前風(fēng)電行業(yè)內(nèi)主要的風(fēng)電機組基礎(chǔ)形式為傳統(tǒng)獨立基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力重力式基礎(chǔ)、梁板式基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力筒型基礎(chǔ)、巖石錨桿基礎(chǔ)等。其中除了傳統(tǒng)重力式基礎(chǔ)使用預(yù)埋基礎(chǔ)環(huán)與塔筒進行連接以外，其他基礎(chǔ)形式均以預(yù)應(yīng)力金屬連接桿件進行基礎(chǔ)和風(fēng)電機組塔筒連接。預(yù)應(yīng)力金屬連接桿件根據(jù)其發(fā)展順序主要分為兩類：預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋（精軋螺紋鋼筋）和高合金鋼高強螺桿（高強螺桿）。風(fēng)電機組基礎(chǔ)用預(yù)應(yīng)力金屬連接桿件如果出現(xiàn)材質(zhì)問題，將會帶來嚴(yán)重的安全隱患。因此，預(yù)應(yīng)力金屬連接桿件質(zhì)量對風(fēng)電基礎(chǔ)工程設(shè)計安全和促進風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。本文擬對此兩種材料進行材料力學(xué)性能對比，并淺析一些風(fēng)電項目所出現(xiàn)的精軋螺紋鋼筋斷裂原因。

預(yù)應(yīng)力混凝土用精軋螺紋鋼筋

一、精軋鋼筋材料力學(xué)性能

預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋（也稱精軋螺紋鋼筋）是在整根鋼筋上軋有外螺紋的大直徑、高強度、高尺寸精度的直條鋼筋。該鋼筋在任意截面處都擰上帶有內(nèi)螺紋的連接器進行連接或擰上帶螺紋的螺帽進行錨固。精軋螺紋鋼筋廣泛應(yīng)用于大型水利工程、工業(yè)和民用建筑中的連續(xù)梁和大型框架結(jié)構(gòu)，公路、鐵路大中跨橋梁、核電站及地錨等工程。預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋技術(shù)條件主要依據(jù)的規(guī)范為《預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋》GB-T20065-2006。它具有連接、錨固簡便，粘著力強，張拉錨固安全可靠，施工方便等優(yōu)點，而且節(jié)約鋼筋，減少構(gòu)件面積和重量。

表1 精軋螺紋鋼筋的公稱直徑、公稱面積及理論重量

表2 精軋螺紋鋼筋的力學(xué)性能

預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋外形采用螺紋狀無縱肋且鋼筋兩側(cè)螺紋為在同一螺旋線上的右旋螺紋，螺紋采用細牙。

精軋螺紋鋼筋的公稱直徑主要為32mm、40mm及50mm，其公稱面積與理論重量如表1所示。

精軋螺紋鋼筋在鋼的熔煉分析中，硫、磷含量不大于0.035%。鋼筋的力學(xué)性能應(yīng)符合如表2所示的規(guī)定。

供方在保證精軋螺紋鋼筋在1000h松弛性能合格的基礎(chǔ)上，可進行10h松弛試驗，初始應(yīng)力為公稱屈服強度的80%，松弛率不大于1.5%。

預(yù)應(yīng)力混凝土用精軋螺紋鋼筋在橋梁隧道、護坡、高鐵等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。在風(fēng)電領(lǐng)域，2009年起在陜西、新疆等地的風(fēng)電場開始采用風(fēng)電機組基礎(chǔ)用精軋螺紋鋼筋作為基礎(chǔ)和塔筒連接件，至今已逾8年時間。風(fēng)電機組運行情況良好，精軋螺紋鋼筋未出現(xiàn)任何質(zhì)量問題。

二、部分項目精軋螺紋鋼筋斷裂淺析

自2012年起，在廣東、山東等地的風(fēng)電場出現(xiàn)精軋鋼筋斷裂現(xiàn)象，從而引起業(yè)內(nèi)對此種連接金屬構(gòu)件質(zhì)量問題的高度重視?，F(xiàn)以廣東某風(fēng)電場為例進行斷裂原因分析。該項目風(fēng)電機組基礎(chǔ)是采用一種后張法無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力基礎(chǔ)（P&H無張力灌注筒型基礎(chǔ)），通過施加預(yù)應(yīng)力，對基礎(chǔ)混凝土產(chǎn)生壓力。在風(fēng)電機組運行過程中預(yù)應(yīng)力金屬構(gòu)件（精軋螺紋鋼筋）內(nèi)部始終具有預(yù)應(yīng)拉力儲備，因此大大降低了風(fēng)電機組動荷載產(chǎn)生的疲勞效應(yīng)；與此同時，基礎(chǔ)混凝土一直保持受壓無張力狀態(tài)，從而保證混凝土內(nèi)部不出現(xiàn)拉裂縫，降低混凝土疲勞受損。該項目采用國產(chǎn)2MW風(fēng)電機組，單圈分布112個孔位。根據(jù)《GB/T20065-2006預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋》相關(guān)材料性能規(guī)定，本項目采用的PSB1080級精軋鋼筋，屈服強度為1080MPa，抗拉強度為1230MPa，屈服強度和抗拉強度的比值（屈強比）等于0.878，斷后伸長率不小于6%。屈強比和斷后伸長率是判斷鋼材塑性力學(xué)性能最重要的兩個指標(biāo)。

引起預(yù)應(yīng)力損失的因素主要有以下幾個原因：1.張拉端錨具變形和精軋鋼筋內(nèi)縮；2.精軋鋼筋的摩擦；3.混凝土加熱養(yǎng)護時，精軋鋼筋與承受拉力的設(shè)備之間的溫差；4.精軋鋼筋的應(yīng)力松弛；5.混凝土的收縮和徐變。考慮到這些因素引起預(yù)應(yīng)力損失，精軋螺紋鋼筋的最終張拉力為490±10MPa。精軋鋼筋屈服強度為1080Mpa, 抗拉強度為1230Mpa，張拉力值為490Mpa（即615.74kN），實際施加預(yù)應(yīng)力是其屈服強度的45%（國內(nèi)外規(guī)范建議實際施加預(yù)應(yīng)力上限不應(yīng)超過鋼材屈服強度的70%－80%）。即施加預(yù)應(yīng)力遠小于鋼材屈服強度，但是根據(jù)現(xiàn)場實際運行情況，有部分精軋鋼筋斷裂。在拔力未達到材料屈服強度的情況下發(fā)生斷裂，說明此材料屈服強度未達到規(guī)范要求。經(jīng)專業(yè)實驗室檢驗和專家認(rèn)定，這個批次的材料非金屬夾雜物超標(biāo)，從而導(dǎo)致材料脆性斷裂，該批次精軋鋼筋強度過高，導(dǎo)致塑性差，斷裂原因是這批次材料不合格。

國家金屬制品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心對斷裂精軋鋼筋進行產(chǎn)品檢驗，主要檢測的內(nèi)容包含化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相分析檢測，檢測方法根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋》GBT20065-2006中相關(guān)引用標(biāo)準(zhǔn)進行檢測?；瘜W(xué)成分使用德國Foundry Master臺式真空火花發(fā)射光譜儀進行檢測，其原理是根據(jù)量子學(xué)理論：當(dāng)金屬被能量激發(fā)時，原子的殼層電子會被激發(fā)到較高能量級的外層軌道上處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在一定條件下它從較高能級躍遷到較低能級就會以光的形式釋放出多余的能量，即得到發(fā)射光譜。各種元素都有不同的特征譜線，這些譜線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)進行分光色散，成為按波長排序的一系列連續(xù)光譜，再經(jīng)過電轉(zhuǎn)化元件把光信號轉(zhuǎn)化為電信號，最后計算機測量系統(tǒng)就可以通過計算某元素特征譜線的強度來確定元素的百分含量。力學(xué)性能采用拉力試驗機（型號：WAW-2000），主要通過外部施加拉力測得精軋鋼筋的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率等。金相分析通過金相顯微鏡分析系統(tǒng)（型號：4XC）對精軋鋼筋檢查金屬組織、壓延、鍛造及熱處理等加工處理導(dǎo)致金相組織的變化?！额A(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋》GB-T20065-2006中規(guī)定精軋鋼筋的硫、磷含量不大于0.035%，化學(xué)成分分析允許偏差符合GB/T222的規(guī)定。斷裂精軋鋼筋的表面硬度較低，而心部硬度較高。斷裂源位于表面粗糙的凹坑區(qū)域，并與斷口內(nèi)部粗糙區(qū)域交匯。該區(qū)域內(nèi)的夾雜、凹坑、疏松、空隙、裂紋等缺陷較多且聚集，組織呈沿晶+解理脆性斷裂；瞬斷區(qū)組織疏松，疏松的孔內(nèi)存在雜質(zhì)，有的雜質(zhì)已經(jīng)脫落變?yōu)榘伎?；在大凹坑和夾雜處已經(jīng)明顯有裂紋產(chǎn)生并擴展，組織呈解理+沿晶脆性斷裂。斷裂源與瞬斷區(qū)均有較多雜質(zhì)、空隙，但斷裂源處的疏松情況較瞬斷區(qū)嚴(yán)重，夾雜也較為集中。非斷口處的顯微組織較均勻，局部有少量偏析；非斷口處均有脫碳，這是鋼筋表面維氏硬度偏低的原因。部分?jǐn)嗔言磪^(qū)如圖1所示。

圖1 部分?jǐn)嗔言磪^(qū)內(nèi)夾雜、斷裂等

金相實驗可檢查金屬組織、壓延、鍛造及熱處理等加工處理導(dǎo)致金相組織的變化，金相組織的變化包括晶粒大小、非金屬夾雜物等組織的分布情況及材料的破壞原因判斷等內(nèi)容，從而可分析金屬材料的物理性能和機械性能。在金相實驗前需取精軋鋼筋斷口處橫截面與縱截面的金相試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕然后使用金相顯微鏡進行觀察。通過觀察，發(fā)現(xiàn)在斷口的裂紋邊緣、裂紋間、斷面局部存在較多的帶條狀、大塊狀、點狀夾雜和枝晶偏析。在偏析區(qū)域中發(fā)暗處組織為正?；鼗鹎象w；發(fā)亮處組織異常，為淬火馬氏體+回火馬氏體+屈氏體，并有夾雜物存在。馬氏體是一種硬而脆的組織，在使用中受拉伸等交變應(yīng)力作用時，該組織處易萌生裂紋并擴展，甚至斷裂。

由于生產(chǎn)廠家在冶煉時卷入了氧化皮或除渣不凈，使得鋼筋的表面和內(nèi)部局部存在過多的氧化物夾雜，造成局部區(qū)域內(nèi)組織疏散、夾雜聚集和元素偏析，阻斷了金屬的連續(xù)性。鋼筋熱處理時，不但沒有改善其組織性能，反而使偏析處產(chǎn)生不良的脆性組織，降低了鋼筋的塑性和韌性，增大了鋼筋的組織能力。鋼筋的外表面脫碳也降低了鋼筋表面的耐磨性，使其綜合性能下降。

高強度合金鋼螺桿

一、高強螺桿力學(xué)性能

高強度合金鋼材料42CrMo是高強螺桿的主要選擇材料，42CrMo鋼具有高強度和韌性，淬透性也較好，無明顯的回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好。該鋼適宜制造要求一定強度和韌性的大、中型塑料模具。其緊固件產(chǎn)品為直徑范圍M30－M64螺桿，兩端各有螺紋。其性能參數(shù)如表3所示。

二、高強螺桿在風(fēng)電基礎(chǔ)領(lǐng)域應(yīng)用情況

自精軋鋼筋出現(xiàn)斷裂問題后，目前國內(nèi)幾乎所有風(fēng)電基礎(chǔ)連接件都已采用高強螺桿。截至目前，P&H無張力灌注樁筒形基礎(chǔ)和巖石錨桿基礎(chǔ)未出現(xiàn)任何高強螺桿斷裂事故。

精軋鋼筋和高強螺桿對比

一、原材料牌號及化學(xué)成分對比

根據(jù)GB/T 20065-2006精軋螺紋鋼筋生產(chǎn)廠應(yīng)進行化學(xué)成分和合金元素的選擇以保證經(jīng)過不同方法加工的成品鋼筋能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力學(xué)性能要求，其中P、S含量不大于0.035%，其主要成分為20MnSi。

高強螺桿原材料主要選擇42CrMo，也會根據(jù)客戶要求及產(chǎn)品特殊要求選用35CrMo及B7，具體化學(xué)成分如表4所示。

二、生產(chǎn)制造工藝對比

精軋鋼筋生產(chǎn)工藝主要為：熱軋、余熱處理。

高強螺桿生產(chǎn)工藝主要為：

熱軋圓鋼—退火—粗拋—校直—拉拔—下料—淬火—回火—精?！菇恰獫L絲—精拋—達克羅(可選)。

高強螺桿圓鋼熱軋狀態(tài)交貨后，經(jīng)退火處理，能降低硬度，易于后續(xù)機加工處理，同時能細化晶粒、調(diào)整組織，消除組織缺陷，使成品性能更加穩(wěn)定。高強螺桿進行拉拔及達克羅之前均采用拋丸處理，無任何酸洗工序，能有效避免發(fā)生氫脆現(xiàn)象。熱處理工序?qū)τ诋a(chǎn)品性能的影響至關(guān)重要。

中頻淬火爐摒棄了傳統(tǒng)廂式爐和井式爐加熱不均和對錨栓長度的生產(chǎn)局限性等弊端，加熱均勻、對產(chǎn)品長度加工范圍較大，且能控制產(chǎn)品表面氧化皮厚度，進而避免產(chǎn)品表面發(fā)生脫碳現(xiàn)象。螺紋采用滾制而成，同時選擇熱處理后進行滾絲，此種工序安排有以下三點優(yōu)勢：

表3 高強螺桿力學(xué)性能

表4 高強螺桿合金含量

表5 高強螺桿力學(xué)性能

A. 提高螺紋精度，先熱處理后滾絲又避免了螺紋加工后受熱處理變形的影響；

B. 減少螺紋發(fā)生磕碰，熱處理后硬度提高，碰傷減少；

C. 熱處理后滾絲可使螺紋表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，大大提高高強螺桿的疲勞強度。

三、機械性能參數(shù)對比

精軋螺紋鋼筋性能主要參照GB/T20065-2006，而8.8、10.9級高強螺桿機械性能主要參照GB/T3098.1（ISO898-1），具體性能參數(shù)如表5所示。

高強螺桿（8.8、10.9級）-40℃低溫沖擊功最小值為27J，因此在低溫環(huán)境中，特別是針對北方地區(qū)的風(fēng)電場，高強度合金鋼可以進行更加廣泛的應(yīng)用。

結(jié)論

確保連接塔筒與基礎(chǔ)的金屬構(gòu)件質(zhì)量合格是非常重要的，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，將造成無法挽回的損失。通過預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋和高強螺桿化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相分析的對比，高強螺桿相應(yīng)的規(guī)范要求更加全面和嚴(yán)格，精軋鋼筋相應(yīng)規(guī)范要求較低，容易出現(xiàn)質(zhì)量不合格的情況。經(jīng)驗總結(jié)如下：

1.精軋螺紋鋼筋在風(fēng)電行業(yè)應(yīng)用出現(xiàn)斷裂原因為批次性精軋鋼筋材料不合格（2012年后）。早期（2009年－2011年）采用精軋螺紋鋼筋的項目至今未出現(xiàn)任何問題。

2.高強螺桿屬于高強度合金鋼，相比精軋螺紋鋼筋的材料要求更加嚴(yán)格，增加了對合金的含量、沖擊功的要求等具體要求，從而提高了高強螺桿的韌性。高強螺桿在塑性性能上優(yōu)于精軋螺紋鋼筋（屈強比和斷后伸長率指標(biāo)）。

3.目前風(fēng)電基礎(chǔ)行業(yè)基本取消使用精軋螺紋鋼筋，主要原因是精軋螺紋鋼筋在生產(chǎn)加工過程中存在產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的因素。而高強螺桿在出廠前進行兩次探傷和預(yù)張拉，大大提高了產(chǎn)品的合格率。

4.從風(fēng)電機組基礎(chǔ)-塔筒金屬連接構(gòu)件材料發(fā)展來看，應(yīng)在安全的基礎(chǔ)上繼續(xù)研發(fā)新的替代材料，如鋼絞線、碳纖維材料等。

攝影：戴美莉