淺談風電塔架焊接接頭殘余應力的消除方法

王星鑫

（中車蘭州機車有限公司新廠建設辦公室，甘肅 蘭州 730050）

隨著科學技術的發展，人們的生活越來越機械化、智能化，但無論如何發展，都離不開重要的物質基礎能源。同時因為能源問題造成的紛爭也愈演愈烈。世界各國都在積極尋找可再生、能循環利用的新能源來代替傳統能源。在各類可再生能源中，核能、水能、太陽能等均存在不少不穩定的因素而不能規模化使用。但是風能因為具有清潔、環保、成本低廉、資源無盡且使用便捷等優點而被廣泛利用。根據全球風能理事會（GWEC）發布的2017年全球風電行業現狀年度報告中的相關數據，全球風電全球的風力發電設備正朝著大型化、輕型化、高效化的方向發展。我國的風電行業也在迅猛發展，2017年年底，中國的風電裝機容量為188392MW，為全球首位（圖1、2）。

圖1

圖2

風力發電裝置主要由風輪、發電機、調向器(尾翼)、塔架、限速安全機構和儲能裝置等構件組成。其中，塔架是主要承載件，它除了承受葉片、發電機等靜載荷外，還要承受葉片、發電機組等運動產生的動載荷。因此塔架必須要有足夠的強度、剛度、穩定性和動力特性。目前，全球使用的塔架按結構材料分主要有鋼結構塔架和鋼筋混凝土結構塔架兩種。本文主要討論錐臺型風電塔架，錐臺型鋼結構塔架一般由鋼板組對、焊接成若干段15m以上的錐筒，然后用法蘭連接而成，筒徑由下往上逐漸減小，整體呈圓臺狀，筒內裝有爬梯及工作平臺、電氣線路等。

1 塔架中的殘余應力

目前，由于風力發電機組單機容量的不斷提高，風電塔架常采用的材料也在不斷地進行升級，塔架的材料多采用大厚度的低合金材料Q345E。這種材料雖然碳當量小、焊接性好，但在焊接過程中，由于不均勻的溫度場或機械因素以及預熱、后熱等焊接工藝問題，會使塔架在冷卻過程中產生焊接變形，焊縫中會產生殘余應力。在沒有外力作用的條件下，焊接應力在焊件內部是平衡的。焊接應力和變形在一定條件下會影響焊件的功能和外觀。焊接殘余應力的存在將明顯降低脆性材料的結構剛度和靜載強度。此外，焊接殘余應力還會對塔架的結構穩定性和疲勞強度以及應力腐蝕開裂有不同程度的影響。因此，塔架在制造過程中必須要采取相關措施，以降低焊縫中存在的殘余應力。

2 殘余應力的處理方法

大型鋼結構焊接件常用的消除焊縫殘余應力的工藝主要有：振動時效、焊后熱處理以及自然時效等。振動時效是利用振動使工件內部殘余內應力和附加振動應力的矢量和超過材料屈服強度，焊縫產生較大的壓塑性變形，使塔架焊縫內部的內應力得以松弛和減輕，并且提高了焊接接頭的疲勞強度。這種方法因為設備價格較低，易于購買，使用方便而被廣泛采用，但通過研究發現，振動時效只能消除30%～50%的應力。

焊后熱處理是通過熱處理設備對焊縫進行局部加熱，使局部達到彈塑性轉變溫度，并保持有一定時間，使工件的殘余應力得到松弛，然后緩慢的降低溫度，使工件在冷卻后處于低應力狀態，這樣既能消除焊縫的殘余應力，又能改善焊縫的組織，同時還能降低焊縫中的含氫量。這樣能消除50%～70%的焊接殘余應力，效果良好。但是生產實踐表明，如果在升溫、保溫和降溫過程中工藝參數選擇不當，或操作時不嚴格遵守合理的工藝規范，往往得不到消除應力的結果，甚至增大工件的應力。自然時效不需要投資且沒有能耗，消除殘余應力2%～10%，時效周期1年，無能耗限制、無污染。因受到工期等因素的影響而不便使用。

通過近年來各風電塔架生產廠家的實際應用來看，熱處理設備如加熱爐等設備投資大、時效周期約在8h以上，能耗大，并且需要專用的爐體或大容量電源，這勢必會受到場地的限制。另外，熱處理還有燃料廢氣的排放，在如今嚴格要求環保的社會環境下，使用成本過高。振動時效周期只有0.5個小時左右，其能耗只有熱時效的5%左右，在生產場地只需要有380V的電源即可使用，除了有些許噪聲污染外并無其他污染源，相對較為友好。因此，近年來大多使用振動時效來消除塔架、塔架與法蘭焊縫處的殘余應力。

豪克能是新興的一種金屬加工技術，它利用激活能和沖擊能對金屬零件進行加工，一次加工即可使零件表面達到鏡面并實現改性的創新性能量加工技術。豪克能焊接應力消除設備的原理是利用大功率能量推動沖擊工具以每秒2萬次以上的頻率沖擊金屬物體表面，由于豪克能的高頻、高效和聚焦下的大能量，使金屬表層產生壓塑性變形；同時豪克能沖擊波改變了原有的應力場，產生一定數值的壓應力，并使沖擊部位得以強化。通過外部的高頻沖擊，將能量輸入到焊縫金屬內部，使內部金屬晶粒發生滑移，增加了位錯，從而增加了由于內部應力導致金屬蠕變的難度，所以變形減少了，通過預制理想壓應力，增加疲勞強度。在相對整體振動時效技術來講，可以消除80%以上的焊接應力并且有效預防應力腐蝕和焊接開裂現象的功用。

3 結語

綜上所述，豪克能消除應力是最徹底的消除焊接應力的方法。在風電乃至大型鋼結構焊接領域，如能夠正確地推廣使用，將在很大程度上提高焊縫的疲勞強度，對整體結構性能也有更好的保障。