提高風(fēng)電塔筒環(huán)向焊縫疲勞壽命的措施

□陸輝□曹廣啟

1.上海泰勝風(fēng)能裝備股份有限公司上海201508 2.上海電氣風(fēng)電集團(tuán)有限公司上海200241

提高風(fēng)電塔筒環(huán)向焊縫疲勞壽命的措施

□陸輝1□曹廣啟2

1.上海泰勝風(fēng)能裝備股份有限公司上海201508 2.上海電氣風(fēng)電集團(tuán)有限公司上海200241

對提高風(fēng)電塔筒環(huán)向焊縫疲勞壽命的措施進(jìn)行了介紹與分析，通過有限元仿真確認(rèn)，塔筒筒節(jié)的中心對齊能夠減小焊縫位置處的應(yīng)力集中因數(shù)，進(jìn)而提高焊縫的疲勞壽命。此外，提高焊縫疲勞壽命的措施還包括控制焊接質(zhì)量、對焊縫進(jìn)行合理檢驗等。

1 課題背景

塔筒是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵支撐結(jié)構(gòu)，為了便于運輸，一般分為3～5段。每段塔筒均由若干筒節(jié)和法蘭焊接而成，塔筒相鄰段之間使用螺栓進(jìn)行連接[1]。風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入商業(yè)運行已有十多年，塔筒的高度也從最初的40 m增大到目前的100 m以上。隨著風(fēng)機(jī)數(shù)量增長和投運時間延長，問題也不斷暴露出來，已經(jīng)發(fā)生多起塔筒焊縫開裂事故，嚴(yán)重的甚至造成倒塔。影響了風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運行。圖1所示為某風(fēng)場塔筒環(huán)向焊縫開裂。

兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對塔筒的環(huán)向焊縫與縱向焊縫均有較為嚴(yán)格的要求，然而由于塔筒環(huán)向焊縫較長，通常單條焊縫的長度都在10 m以上，是單條縱向焊縫長度的4倍左右，因此環(huán)向焊縫更容易受到焊縫成形質(zhì)量、內(nèi)部缺陷、焊縫等級、應(yīng)力集中等因素的影響。筆者從焊縫的設(shè)計、制作、檢驗三個角度出發(fā)，探討提高環(huán)向焊縫疲勞壽命的措施。

圖1 環(huán)向焊縫開裂

2 焊縫設(shè)計

對塔筒的環(huán)向焊縫采用名義應(yīng)力法進(jìn)行抗疲勞性能分析，名義應(yīng)力法根據(jù)焊接接頭的形狀和受力特性，按照EN 1993-1-9《鋼結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度》標(biāo)準(zhǔn)選取相應(yīng)的焊接細(xì)節(jié)分類等級，并考慮焊縫位置處的應(yīng)力集中因數(shù)進(jìn)行疲勞壽命分析。不同的細(xì)節(jié)等級對應(yīng)不同的應(yīng)力-壽命曲線[2]。就設(shè)計而言，降低焊縫位置處的應(yīng)力集中可以提高焊縫的疲勞壽命。

鑒于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒的受力特點，筒節(jié)壁厚從塔底到塔頂是遞減的，因而會存在相鄰?fù)补?jié)壁厚不同的情況。塔筒焊接時筒節(jié)有外對齊和中心對齊兩種方式，為了降低因截面不連續(xù)而產(chǎn)生的應(yīng)力集中[3]，對于壁較厚的筒節(jié)一般按照1∶4斜度進(jìn)行削邊處理，保證焊縫的平滑過渡，如圖2所示。當(dāng)筒節(jié)采用外對齊時，只需要在內(nèi)側(cè)對厚板按1∶4斜度進(jìn)行削邊處理，而筒節(jié)采用中心對齊時需要在內(nèi)外兩側(cè)同時對厚板按1∶4斜度進(jìn)行削邊處理。筒節(jié)采用中心對齊相比筒節(jié)采用外對齊，會增加削邊的工作量。

圖2 筒節(jié)對齊方式

從生產(chǎn)制作的便利性出發(fā)，同一個塔筒所有筒節(jié)需要選用同一種對齊方式。以3 MW機(jī)型所使用的塔筒為例，塔筒外形尺寸如圖3所示，通過運用ANSYSWorkbench軟件分析外對齊和中心對齊兩種不同方式在環(huán)向焊縫截面位置處所產(chǎn)生的應(yīng)力集中。

此段塔筒有多條環(huán)向焊縫，由于塔筒開門洞的原因,相鄰?fù)补?jié)壁厚差別較大，達(dá)到34 mm。選取位于門洞上方截面位置處進(jìn)行應(yīng)力集中的對比分析，在建立三維模型時，分別按外對齊和中心對齊進(jìn)行建模，并對厚板按1∶4斜度進(jìn)行削邊處理。為了保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，建立三維模型時增加了上部假體和下部假體，用于有限元分析時邊界條件的設(shè)置。采用中心對齊的有限元模型如圖4所示，為了便于劃分網(wǎng)格，使用ANSYS Workbench的Slice功能對模型進(jìn)行切割處理。

圖3 塔筒外形尺寸

圖4 有限元分析模型

塔筒在風(fēng)機(jī)運行過程中，既要承受彎矩的作用，也要承受頂部機(jī)艙、葉輪等部件所傳遞壓力的作用，因而，對環(huán)向焊縫使用有限元分析軟件進(jìn)行應(yīng)力集中因數(shù)的求解時，需要分別考慮彎矩和軸向力的影響。在ANSYSWorkbench中，通過Remote Point功能將載荷的作用點施加到如圖3所示連接法蘭1的中心，求解截面位置處的最大應(yīng)力。將該應(yīng)力除以截面位置處的名義應(yīng)力，即可得到截面位置處在軸向力和彎矩分別作用下的應(yīng)力集中因數(shù)。

為了簡化分析，軸向力和彎矩均采用單位載荷，考慮塔筒開門洞的影響，按照塔筒門受壓進(jìn)行彎矩加載。軸向力作用下截面位置處的名義應(yīng)力σf按式（1）進(jìn)行求解，彎矩作用下截面位置處的名義應(yīng)力σw按式（2）進(jìn)行求解。式中：F為軸向力；A為截面面積；D為截面外徑；d為截面內(nèi)徑；M為彎矩；W為截面抗彎模量。

筒節(jié)采用中心對齊，在單位軸向力作用下截面位置處的等效應(yīng)力如圖5所示，在單位彎矩載荷作用下截面位置處的等效應(yīng)力如圖6所示。

圖5 單位軸向力作用下截面應(yīng)力分布

截面按筒節(jié)外對齊、中心對齊，分別加載單位軸向力（1 N）、單位彎矩（1 N·mm），得到的名義應(yīng)力、有限元分析應(yīng)力及應(yīng)力集中因數(shù)見表1。

圖6 單位彎矩作用下截面應(yīng)力分布

由表1可以看出，當(dāng)相鄰?fù)补?jié)存在壁厚差時，無論是在軸向力還是彎矩作用下，筒節(jié)采用中心對齊均可以有效減小截面位置處的應(yīng)力集中因數(shù)，應(yīng)力集中因數(shù)減小將有利于提高焊縫疲勞壽命[4]?？梢?，雖然筒節(jié)采用中心對齊會增加一些削邊工作量，但是能夠顯著降低截面的應(yīng)力集中因數(shù)，有利于提高焊縫疲勞壽命，因而在設(shè)計時需要優(yōu)先選用筒節(jié)中心對齊方式。

3 焊縫制作

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒環(huán)向焊縫具有數(shù)量多、長度長的特點，通常采用埋弧自動焊接技術(shù)，焊縫的坡口形式、焊接工藝均會影響焊縫質(zhì)量。焊縫在焊接時必須做到外形美觀，不能出現(xiàn)明顯咬邊、氣孔、漏焊、燒穿、夾渣、未熔合等影響焊縫使用壽命的缺陷[5]。

在塔筒制造之前，生產(chǎn)廠家必須按NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定送具有資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢驗，焊縫的坡口形式、焊接材料的選用必須按塔筒設(shè)計方審核認(rèn)可的焊接工藝評定執(zhí)行。盡可能采用機(jī)械加工的方法制作焊接坡口，如需要采用熱切割方法制作焊接坡口，在坡口切割后必須打磨光滑并去除熔渣。卷制筒節(jié)時，必須使用樣板進(jìn)行多次檢驗，保證筒節(jié)弧度的均勻性。在組對筒節(jié)時，必須嚴(yán)格控制相鄰?fù)补?jié)的錯邊量，保證筒節(jié)之間的同軸度。筒節(jié)之間不得進(jìn)行強(qiáng)制裝配，焊接部件必須在無外力狀態(tài)下放入正確位置之后再進(jìn)行焊接，避免產(chǎn)生焊接應(yīng)力[6]。

表1 截面A名義應(yīng)力、有限元分析應(yīng)力及應(yīng)力集中因數(shù)

正式焊接前必須將焊接部位表面的銹蝕、油污、水分及其它有害物質(zhì)清除干凈，焊接過程中必須嚴(yán)格控制環(huán)境溫度和濕度，防止焊縫產(chǎn)生氫脆裂紋。對于厚度大于40 mm的鋼板，焊前必須進(jìn)行預(yù)熱處理。焊機(jī)的電壓波動幅度需不大于5%，合理設(shè)置焊接能量輸入控制焊接速度，保證焊縫寬度、余高等外觀尺寸滿足設(shè)計要求。由于塔筒焊縫焊接工作量較大，不能一次完成，需要分為多層焊道進(jìn)行焊接，因此宜采用雙面焊接。內(nèi)壁坡口焊接完畢后，外壁需在清根至露出焊縫坡口金屬、清除雜質(zhì)并用角磨機(jī)去除氣刨滲碳層之后再進(jìn)行焊接。每層焊接完畢后均要清除熔渣，如檢測到表面存在缺陷，則需要在打磨之后進(jìn)行補(bǔ)焊。為了達(dá)到風(fēng)機(jī)20年的設(shè)計壽命，塔筒的焊縫必須具有合理的硬度和塑性，焊接時需嚴(yán)格保證清根質(zhì)量，控制焊縫層間溫度，防止由于焊接線能量輸入過大造成焊縫冷卻時在熱影響區(qū)產(chǎn)生馬氏體組織，從而降低焊縫的塑性。大量生產(chǎn)實踐表明，焊接線能量輸入不得大于40 kJ/cm[7]。打磨可以改善焊縫外觀質(zhì)量，提高焊縫的疲勞強(qiáng)度，對于風(fēng)電塔筒所使用的低合金高強(qiáng)度鋼焊接件有較為明顯的效果，因而塔筒中一些重要的環(huán)向焊縫，如筒節(jié)與法蘭連接處，在焊接完成后可對焊縫進(jìn)行打磨處理，從而提高關(guān)鍵位置焊縫的疲勞壽命[8]。

由于塔筒焊接是一個非常復(fù)雜的熱成形過程，因此為了保證焊縫質(zhì)量，不僅需要制定合理的焊接工藝，選用性能穩(wěn)定的焊接設(shè)備，還必須嚴(yán)格管控焊接人員的資質(zhì)，只有具備國家認(rèn)可資質(zhì)的焊工才可以從事風(fēng)電塔筒的焊接工作。

4 焊縫檢驗

檢驗是保證風(fēng)電塔筒環(huán)向焊縫達(dá)到設(shè)計要求的重要手段，塔筒焊縫的檢驗可以分為外觀檢查和無損檢測兩個方面。外觀檢查主要是檢查焊縫的外形尺寸和余高是否滿足設(shè)計要求、焊縫與母材是否平滑過渡，以及焊縫表面是否有明顯裂紋與夾渣等缺陷。焊縫的內(nèi)部質(zhì)量必須借助無損檢測工具進(jìn)行判斷。目前塔筒環(huán)向焊縫的無損檢測主要通過超聲波探傷、磁粉探傷進(jìn)行，焊縫的質(zhì)量等級必須符合NB/T47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》標(biāo)準(zhǔn)一級要求。對于環(huán)向焊縫和縱向焊縫連接處的T形接頭，需要增加射線探傷檢測，焊縫質(zhì)量等級不得低于NB/T47013—2015標(biāo)準(zhǔn)二級要求。對于外觀檢查過程中發(fā)現(xiàn)的焊縫缺陷（如焊縫余高超標(biāo)、表面裂紋等），可以通過打磨、補(bǔ)焊的方法消除。對于無損檢測過程中發(fā)現(xiàn)的焊縫內(nèi)部缺陷（如裂紋、未熔合等），則需要制定針對性措施進(jìn)行處理。通過對焊縫進(jìn)行合理檢驗，消除不可接受的焊接缺陷，可以有效提高焊縫的疲勞壽命。

風(fēng)電塔筒所使用的低合金高強(qiáng)度鋼在焊接完成一定時間以后容易產(chǎn)生延遲裂紋，此種裂紋主要受焊縫含氫量、焊縫所承受拉應(yīng)力及由材料淬硬傾向決定的金屬塑性儲備影響[9]，因此在塔筒焊接完成之后不能馬上進(jìn)行無損檢測，而是需要將塔筒放置一段時間以后才能對焊縫內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測。根據(jù)規(guī)范要求，放置時間不得短于24 h。隨著風(fēng)電行業(yè)的不斷發(fā)展，加之超聲波探傷、磁粉探傷等常規(guī)無損檢測技術(shù)自身的局限性，誕生了超聲波衍射時差法檢測技術(shù)[10]，這一技術(shù)采用一對頻率、尺寸、角度相同的縱波探頭進(jìn)行探傷，具有檢測效率高、使用方便等優(yōu)點，可以有效提高焊縫檢測質(zhì)量，目前在塔筒焊縫檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)論

在設(shè)計時，筒節(jié)采用中心對齊可以降低環(huán)向焊縫位置處的應(yīng)力集中因數(shù)。在制作時，制定合理的焊接工藝可以保證焊縫成形質(zhì)量，減小焊接缺陷產(chǎn)生的概率。

焊后檢驗時，選用科學(xué)合理的檢測方法可以及時準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部缺陷，并進(jìn)行缺陷消除處理。筆者對以上提高焊縫疲勞壽命、保證機(jī)組安全穩(wěn)定運行的重要措施進(jìn)行了分析，以供參考。

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[4]周瑾，祁文軍，薛強(qiáng).淺析應(yīng)力集中對焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影響[J].機(jī)械工程與自動化，2010（2）：212-213.

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[6]郭秋愛，王延平.3 MW風(fēng)電塔筒焊接應(yīng)力消除及提高疲勞強(qiáng)度的方法探析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2013（26）：72.

[7]葉吉強(qiáng).淺述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒焊接裂紋成因及控制措施[J].工程技術(shù)（文摘版.建筑），2016，15（7）：190.

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（編輯：啟德）

Introduced and analyzed the measures to improve the fatigue life of the toroidal ring welds of wind turbine tower.Through the finite element simulation,it is confirmed that when the center of the tower cylindrical shell section is aligned,the stress concentration factor at the weld position can be reduced,and then the fatigue life of the weld can be improved.In addition,the measures to improve the fatigue life of the weld also include the control of welding quality,reasonable inspection of the weld seamand soon.

電站與發(fā)電；焊縫；疲勞壽命

Power Station and Power Generation；Weld；Fatigue Life

TH123；TK83

B

1672-0555（2017）02-025-05

2017年2月

陸輝（1981—），男，本科，工程師，主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒設(shè)計與制造工作。