使用高強度鋼板降低風力機塔筒成本的研究

□陸 輝 □史偉濤

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

1 研究背景

現代大型兆瓦級水平軸風力機的塔筒一般均采用筒型薄壁結構，高度為100 m左右，在頂端裝有較大質量的機艙和風輪。優良的塔筒設計，可以保證整機動力穩定性，因此塔筒設計不僅要滿足空氣動力學要求，而且要在結構、工藝、成本、使用等方面進行綜合分析[1]。塔筒作為風力機的關鍵支撐部件，在整機成本中占有較大比例。

大多數塔筒材料為低合金高強度結構鋼Q345，隨著風力機功率的提升，塔筒鋼材用量逐漸增加。Q420的屈服強度高于Q345，這意味著在相同載荷下，Q420鋼板可以比Q345鋼板更薄，從而降低整個塔筒的鋼材用量。與此矛盾的是，Q420比Q345的材料成本高。筆者針對這個問題，應用軟件設計Q345和Q420兩種不同材質的三款塔筒，比較三款塔筒的綜合成本，分析降低塔筒成本的可行性。同時，對兩種不同材質塔筒的加工工藝進行分析。

2 坐標系

建立坐標系，如圖1所示。圖1中XT為豎直向下方向的坐標軸；ZT與XT垂直，為指向風力機的水平坐標軸；YT與XT和ZT垂直，為符合右手法則的坐標軸；T 為塔筒每個橫截面的中心原點；FXT、FYT、FZT為塔筒所受載荷沿相應坐標軸的分力；MXT、MYT、MZT為塔筒所受載荷沿相應坐標軸的彎矩。

圖1 坐標系

3 材料性能

材料性能見表1[2]。

表1 材料性能

4 塔筒載荷

塔筒載荷根據某款機型的工況，應用專業風力機塔筒設計軟件計算得到，計算過程不再詳述。塔筒各截面載荷見表2。

5 塔筒計算

5.1 穩定性屈曲校核

塔筒設計通常需要進行塔筒極限強度校核、穩定性屈曲校核和疲勞強度校核。由于此機型塔筒的極限強度和疲勞強度具有較大的安全余量，因此筆者僅進行穩定性屈曲校核。

表2 塔筒各截面載荷

穩定性屈曲校核主要用于校核塔筒在極限載荷下的穩定性及確定結構失穩的臨界載荷。筆者對塔筒進行屈曲校核的方法主要依據文獻[3]，并應用專業風力機塔筒設計軟件進行計算。

屈曲抵抗應力特征值基本計算公式如下：

式中：σx，Rk為殼體縱向屈曲抵抗應力特征值，MPa；χx為屈曲縮減因數；fyk為材料屈服強度，MPa；λx為外殼縱向屈曲細長比；λx0為縱向擠壓極限細長比；λxP為縱向塑性極限細長比；σx，Rcr為殼體縱向屈曲抵抗應力臨界值，MPa；α為彈性缺陷折減因數；β為塑性范圍因數；σθ,Rk為殼體環向屈曲抵抗應力特征值，MPa；χθ為屈曲縮減因數；λθ為外殼環向屈曲細長比；λθ0為環向擠壓極限細長比；λθP為環向塑性極限細長比；σθ,Rcr為殼體環向屈曲抵抗應力臨界值，MPa；τxθ,Rk為殼體屈曲抵抗切應力特征值，MPa；χτ為屈曲縮減因數；λτ為外殼剪切屈曲細長比；λτ0為剪切擠壓極限細長比；λτP為剪切塑性極限細長比；τxθ,Rcr為殼體屈曲抵抗切應力臨界值，MPa。

屈曲抵抗應力如下：

式中：σx,Rd為殼體縱向屈曲抵抗應力設計值，MPa；γM1為分項安全因數；σθ,Rd為殼體環向屈曲抵抗應力設計值，MPa；τxθ,Rd為殼體屈曲抵抗切應力設計值，MPa。

應力評估如下：

式中：σx，Ed為殼體縱向應力設計值，MPa；σθ，Ed為殼體環向應力設計值，MPa；τxθ，Ed為殼體切應力設計值，MPa；kx、kθ、kτ、ki為屈曲作用因數。

5.2 計算結果

依據相同的極限載荷分別設計三款不同材質的塔筒，即鋼板材料全為Q345的塔筒、僅底部兩段為Q420的塔筒和鋼板材料全為Q420的塔筒[4]。根據上述公式，從塔筒底部開始對截面編號，應用軟件進行計算，結果見表3。

5.3 結果分析

為了更加直觀體現三款不同塔筒的差別，將三款塔筒各塔節的壁厚和質量做橫向比較，如圖2和圖3所示。可以明顯看出，塔筒下半段的塔節壁厚和質量變化較大，越往上差距變小，最后趨于一致。這實際上是由于鋼板壁厚的原因，壁厚較大的鋼板受材料更換的影響較大[5]。

根據最新的市場價格，包含原材料采購、筒體生產和運輸成本，Q345塔筒的價格約為9000元/t，Q420塔筒的價格約為9 500元/t。為了研究三款不同塔筒的經濟性，進行橫向比較，見表4。

表3 塔筒計算結果

圖2 塔筒塔節壁厚曲線

圖3 塔筒塔節質量曲線

表4 塔筒經濟性比較

由表4可知：底部兩段更換Q420鋼板，可以節省6%質量的鋼板，成本節約將近3%；整個塔筒全部更換Q420鋼板，可以節省7.23%質量的鋼板，成本節約2.09%。為了節省塔筒材料采購成本，在具體項目實施時可以采用全部更換為Q420鋼板或者底部兩段更換為Q420鋼板。需要指出的是，從表4中可以發現，僅將底部兩段更換為Q420鋼板，成本節約更為顯著。

6 加工工藝對比分析

塔筒筒節采用鋼板卷圓以后拼焊而成，母材特性、焊接工藝等均會對焊接質量造成影響[6]。通常在焊接過程中對焊接性影響最大的是母材的含碳量，因此常將鋼中含碳量作為判別鋼材焊接性的主要標志，含碳量越高，其焊接性就越差[7]。合金元素對焊接性也將產生一定的影響，所以合金鋼的焊接性比非合金鋼差[8]。為了綜合衡量母材中元素對焊接性的影響，引入了碳當量這個概念，根據GB/T 1591—2008《低合金高強度結構鋼》，Q345和Q420的碳當量對比見表5[9]。

表5 碳當量對比

塔筒設計時所選用的鋼板厚度通常都不超過63 mm，從表5可以看出，Q345與Q420碳當量是非常接近的，因此可以采用相同的焊接工藝施焊[10-12]。

7 結論

通過比較采用不同材質的三款塔筒，確認當塔筒受極限載荷影響時，可以采用整體將塔筒鋼板材質由Q345換為Q420，也可以采用部分筒節由Q345換為Q420。無論采用何種方案，都不會增大塔筒的制造難度，最終方案取決于經濟性對比分析，因此使用高強度鋼板降低風力機塔筒成本是可行的。

[1]HAU E.Wind Turbines：Fundamentals，Technologies，Application，Economics[M].3 rd Edition.Berlin:Springer，2013:496-499.

[2]低合金高強度結構鋼:GB/T 1591—2008[S].

[3]Design of Steel Structures-Part 1-6：Strength and Stability of Shell Structures:EN 1993-1-6:2007[S].

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