提高風電塔筒環向焊縫疲勞壽命的措施

□陸輝□曹廣啟

1.上海泰勝風能裝備股份有限公司上海201508 2.上海電氣風電集團有限公司上海200241

提高風電塔筒環向焊縫疲勞壽命的措施

□陸輝1□曹廣啟2

1.上海泰勝風能裝備股份有限公司上海201508 2.上海電氣風電集團有限公司上海200241

對提高風電塔筒環向焊縫疲勞壽命的措施進行了介紹與分析，通過有限元仿真確認，塔筒筒節的中心對齊能夠減小焊縫位置處的應力集中因數，進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量、對焊縫進行合理檢驗等。

1 課題背景

塔筒是風力發電機組的關鍵支撐結構，為了便于運輸，一般分為3～5段。每段塔筒均由若干筒節和法蘭焊接而成，塔筒相鄰段之間使用螺栓進行連接[1]。風力發電進入商業運行已有十多年，塔筒的高度也從最初的40 m增大到目前的100 m以上。隨著風機數量增長和投運時間延長，問題也不斷暴露出來，已經發生多起塔筒焊縫開裂事故，嚴重的甚至造成倒塔。影響了風機的安全穩定運行。圖1所示為某風場塔筒環向焊縫開裂。

兆瓦級風力發電機組對塔筒的環向焊縫與縱向焊縫均有較為嚴格的要求，然而由于塔筒環向焊縫較長，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，因此環向焊縫更容易受到焊縫成形質量、內部缺陷、焊縫等級、應力集中等因素的影響。筆者從焊縫的設計、制作、檢驗三個角度出發，探討提高環向焊縫疲勞壽命的措施。

圖1 環向焊縫開裂

2 焊縫設計

對塔筒的環向焊縫采用名義應力法進行抗疲勞性能分析，名義應力法根據焊接接頭的形狀和受力特性，按照EN 1993-1-9《鋼結構的疲勞強度》標準選取相應的焊接細節分類等級，并考慮焊縫位置處的應力集中因數進行疲勞壽命分析。不同的細節等級對應不同的應力-壽命曲線[2]。就設計而言，降低焊縫位置處的應力集中可以提高焊縫的疲勞壽命。

鑒于風力發電機組塔筒的受力特點，筒節壁厚從塔底到塔頂是遞減的，因而會存在相鄰筒節壁厚不同的情況。塔筒焊接時筒節有外對齊和中心對齊兩種方式，為了降低因截面不連續而產生的應力集中[3]，對于壁較厚的筒節一般按照1∶4斜度進行削邊處理，保證焊縫的平滑過渡，如圖2所示。當筒節采用外對齊時，只需要在內側對厚板按1∶4斜度進行削邊處理，而筒節采用中心對齊時需要在內外兩側同時對厚板按1∶4斜度進行削邊處理。筒節采用中心對齊相比筒節采用外對齊，會增加削邊的工作量。

圖2 筒節對齊方式

從生產制作的便利性出發，同一個塔筒所有筒節需要選用同一種對齊方式。以3 MW機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向焊縫截面位置處所產生的應力集中。

此段塔筒有多條環向焊縫，由于塔筒開門洞的原因,相鄰筒節壁厚差別較大，達到34 mm。選取位于門洞上方截面位置處進行應力集中的對比分析，在建立三維模型時，分別按外對齊和中心對齊進行建模，并對厚板按1∶4斜度進行削邊處理。為了保證分析結果的準確性，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，為了便于劃分網格，使用ANSYS Workbench的Slice功能對模型進行切割處理。

圖3 塔筒外形尺寸

圖4 有限元分析模型

塔筒在風機運行過程中，既要承受彎矩的作用，也要承受頂部機艙、葉輪等部件所傳遞壓力的作用，因而，對環向焊縫使用有限元分析軟件進行應力集中因數的求解時，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力。將該應力除以截面位置處的名義應力，即可得到截面位置處在軸向力和彎矩分別作用下的應力集中因數。

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，按照塔筒門受壓進行彎矩加載。軸向力作用下截面位置處的名義應力σf按式（1）進行求解，彎矩作用下截面位置處的名義應力σw按式（2）進行求解。式中：F為軸向力；A為截面面積；D為截面外徑；d為截面內徑；M為彎矩；W為截面抗彎模量。

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

圖5 單位軸向力作用下截面應力分布

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

圖6 單位彎矩作用下截面應力分布

由表1可以看出，當相鄰筒節存在壁厚差時，無論是在軸向力還是彎矩作用下，筒節采用中心對齊均可以有效減小截面位置處的應力集中因數，應力集中因數減小將有利于提高焊縫疲勞壽命[4]。可見，雖然筒節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力集中因數，有利于提高焊縫疲勞壽命，因而在設計時需要優先選用筒節中心對齊方式。

3 焊縫制作

風力發電機組塔筒環向焊縫具有數量多、長度長的特點，通常采用埋弧自動焊接技術，焊縫的坡口形式、焊接工藝均會影響焊縫質量。焊縫在焊接時必須做到外形美觀，不能出現明顯咬邊、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，生產廠家必須按NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》標準的規定送具有資質的第三方機構進行檢驗，焊縫的坡口形式、焊接材料的選用必須按塔筒設計方審核認可的焊接工藝評定執行。盡可能采用機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。卷制筒節時，必須使用樣板進行多次檢驗，保證筒節弧度的均勻性。在組對筒節時，必須嚴格控制相鄰筒節的錯邊量，保證筒節之間的同軸度。筒節之間不得進行強制裝配，焊接部件必須在無外力狀態下放入正確位置之后再進行焊接，避免產生焊接應力[6]。

表1 截面A名義應力、有限元分析應力及應力集中因數

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清除干凈，焊接過程中必須嚴格控制環境溫度和濕度，防止焊縫產生氫脆裂紋。對于厚度大于40 mm的鋼板，焊前必須進行預熱處理。焊機的電壓波動幅度需不大于5%，合理設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行焊接，因此宜采用雙面焊接。內壁坡口焊接完畢后，外壁需在清根至露出焊縫坡口金屬、清除雜質并用角磨機去除氣刨滲碳層之后再進行焊接。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行補焊。為了達到風機20年的設計壽命，塔筒的焊縫必須具有合理的硬度和塑性，焊接時需嚴格保證清根質量，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產生馬氏體組織，從而降低焊縫的塑性。大量生產實踐表明，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量，提高焊縫的疲勞強度，對于風電塔筒所使用的低合金高強度鋼焊接件有較為明顯的效果，因而塔筒中一些重要的環向焊縫，如筒節與法蘭連接處，在焊接完成后可對焊縫進行打磨處理，從而提高關鍵位置焊縫的疲勞壽命[8]。

由于塔筒焊接是一個非常復雜的熱成形過程，因此為了保證焊縫質量，不僅需要制定合理的焊接工藝，選用性能穩定的焊接設備，還必須嚴格管控焊接人員的資質，只有具備國家認可資質的焊工才可以從事風電塔筒的焊接工作。

4 焊縫檢驗

檢驗是保證風電塔筒環向焊縫達到設計要求的重要手段，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。焊縫的內部質量必須借助無損檢測工具進行判斷。目前塔筒環向焊縫的無損檢測主要通過超聲波探傷、磁粉探傷進行，焊縫的質量等級必須符合NB/T47013—2015《承壓設備無損檢測》標準一級要求。對于環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，焊縫質量等級不得低于NB/T47013—2015標準二級要求。對于外觀檢查過程中發現的焊縫缺陷（如焊縫余高超標、表面裂紋等），可以通過打磨、補焊的方法消除。對于無損檢測過程中發現的焊縫內部缺陷（如裂紋、未熔合等），則需要制定針對性措施進行處理。通過對焊縫進行合理檢驗，消除不可接受的焊接缺陷，可以有效提高焊縫的疲勞壽命。

風電塔筒所使用的低合金高強度鋼在焊接完成一定時間以后容易產生延遲裂紋，此種裂紋主要受焊縫含氫量、焊縫所承受拉應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部質量進行檢測。根據規范要求，放置時間不得短于24 h。隨著風電行業的不斷發展，加之超聲波探傷、磁粉探傷等常規無損檢測技術自身的局限性，誕生了超聲波衍射時差法檢測技術[10]，這一技術采用一對頻率、尺寸、角度相同的縱波探頭進行探傷，具有檢測效率高、使用方便等優點，可以有效提高焊縫檢測質量，目前在塔筒焊縫檢測領域得到了廣泛應用。

5 結論

在設計時，筒節采用中心對齊可以降低環向焊縫位置處的應力集中因數。在制作時，制定合理的焊接工藝可以保證焊縫成形質量，減小焊接缺陷產生的概率。

焊后檢驗時，選用科學合理的檢測方法可以及時準確發現焊縫內部缺陷，并進行缺陷消除處理。筆者對以上提高焊縫疲勞壽命、保證機組安全穩定運行的重要措施進行了分析，以供參考。

[1]曹廣啟，陳恩，季劍.法蘭間隙對塔筒連接螺栓疲勞壽命的影響分析[J].裝備機械，2015（4）：25-29.

[2]解放.典型構件疲勞性能S-N曲線的獲取及應用[J].機械設計，2015，32（4）：71-73.

[3]朱慶典，萬守莉，陳輝.壓力容器的優化設計[J].機械制造，2011，49（12）：18-19.

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

[5]田東旭.對風電塔筒焊接工藝的技術研究[J].中國機械，2015（17）：28-29.

[6]郭秋愛，王延平.3 MW風電塔筒焊接應力消除及提高疲勞強度的方法探析[J].科技創新導報，2013（26）：72.

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

[8]HUANG X P，CUI W C.Experimental Study on Improving Fatigue Behaviour of Weldment by Grinding Treatment[J]. Journal ofShip Mechanics，2003，7（6）：92-98.

[9]姚欽.低合金高強鋼的延遲裂紋和應力腐蝕裂紋[J].質量技術監督研究，2009（1）：15-18.

[10]崔厚路.TOFD檢測技術在風電塔筒焊縫檢測中的應用[J].山東電力技術，2015（6）：75-77.

（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，主要從事風力發電機組塔筒設計與制造工作。