试论提高风电塔筒环向焊缝疲劳寿命的措施

试论提高风电塔筒环向焊缝疲劳寿命的措施

陈洪良

中船澄西船舶修造有限公司江苏江阴214433

摘要：风电塔筒是风力发电中比较主要的组成元素，在风力发电中起到的是支撑性作用，是风力发电机组的塔杆。风电塔筒环向焊缝疲劳寿命的措施在逐渐发展，这对于提高风电塔筒的制作质量是非常重要的。本文根据已有的理论知识以及作者多年的工作经验，对风电塔筒环向焊缝疲劳寿命的措施进行了进一步的研究探讨，希望可以对完善风电塔筒制环向焊缝疲劳寿命的措施提供理论依据。

关键词：风电塔筒；环向焊缝；疲劳寿命；措施探讨

风力发电具有技术成熟、可靠性高、成本低且规模效益显著的特点，既可并网运行，也可离网运行，是我国目前发展最快的新型能源技术。塔筒是风力发电机组最主要的支撑结构，在设计时考虑到制造、运输以及吊装的经济性，通常会将塔筒分成若干段，塔筒相邻段之间通过螺栓进行连接，螺栓一般选用10.9级高强度螺栓，螺纹辗压成型。风力发电进入商业运行已有十多年，塔筒的高度也从最初的40m增大到目前的100m以上。随着风机数量增长和投运时间延长，问题也不断暴露出来，已经发生多起塔筒焊缝开裂事故，严重的甚至造成倒塔。影响了风机的安全稳定运行。

1风电塔筒环向焊缝设计

鉴于风力发电机组塔筒的受力特点，筒节壁厚从塔底到塔顶是递减的，因而会存在相邻筒节壁厚不同的情况。塔筒焊接时筒节有外对齐和中心对齐两种方式，为了降低因截面不连续而产生的应力集中，对于壁较厚的筒节一般按照1∶4斜度进行削边处理，保证焊缝的平滑过渡。当筒节采用外对齐时，只需要在内侧对厚板按1∶4斜度进行削边处理，而筒节采用中心对齐时需要在内外两侧同时对厚板按1∶4斜度进行削边处理。筒节采用中心对齐相比筒节采用外对齐，会增加削边的工作量。

塔筒在风机运行过程中，既要承受弯矩的作用，也要承受顶部机舱、叶轮等部件所传递压力的作用，因而，对环向焊缝使用有限元分析软件进行应力集中因数的求解时，需要分别考虑弯矩和轴向力的影响。

2风电塔筒环向焊缝制作

风力发电机组塔筒环向焊缝具有数量多、长度长的特点，通常采用埋弧自动焊接技术，焊缝的坡口形式、焊接工艺均会影响焊缝质量。焊缝在焊接时必须做到外形美观，不能出现明显咬边、气孔、漏焊、烧穿、夹渣、未熔合等影响焊缝使用寿命的缺陷。

正式焊接前必须将焊接部位表面的锈蚀、油污、水分及其它有害物质清除干净，焊接过程中必须严格控制环境温度和湿度，防止焊缝产生氢脆裂纹。对于厚度大于40mm的钢板，焊前必须进行预热处理。焊机的电压波动幅度需不大于5%，合理设置焊接能量输入控制焊接速度，保证焊缝宽度、余高等外观尺寸满足设计要求。由于塔筒焊缝焊接工作量较大，不能一次完成，需要分为多层焊道进行焊接，因此宜采用双面焊接。内壁坡口焊接完毕后，外壁需在清根至露出焊缝坡口金属、清除杂质并用角磨机去除气刨渗碳层之后再进行焊接。每层焊接完毕后均要清除熔渣，如检测到表面存在缺陷，则需要在打磨之后进行补焊。为了达到风机20年的设计寿命，塔筒的焊缝必须具有合理的硬度和塑性，焊接时需严格保证清根质量，控制焊缝层间温度，防止由于焊接线能量输入过大造成焊缝冷却时在热影响区产生马氏体组织，从而降低焊缝的塑性。大量生产实践表明，焊接线能量输入不得大于40kJ/cm。打磨可以改善焊缝外观质量，提高焊缝的疲劳强度，对于风电塔筒所使用的低合金高强度钢焊接件有较为明显的效果，因而塔筒中一些重要的环向焊缝，如筒节与法兰连接处，在焊接完成后可对焊缝进行打磨处理，从而提高关键位置焊缝的疲劳寿命。

3风电塔筒环向焊缝检验

检验是保证风电塔筒环向焊缝达到设计要求的重要手段，塔筒焊缝的检验可以分为外观检查和无损检测两个方面。外观检查主要是检查焊缝的外形尺寸和余高是否满足设计要求、焊缝与母材是否平滑过渡，以及焊缝表面是否有明显裂纹与夹渣等缺陷。焊缝的内部质量必须借助无损检测工具进行判断。目前塔筒环向焊缝的无损检测主要通过超声波探伤、磁粉探伤进行，焊缝的质量等级必须符合NB/T47013—2015《承压设备无损检测》标准一级要求。对于环向焊缝和纵向焊缝连接处的T形接头，需要增加射线探伤检测，焊缝质量等级不得低于NB/T47013—2015标准二级要求。对于外观检查过程中发现的焊缝缺陷（如焊缝余高超标、表面裂纹等），可以通过打磨、补焊的方法消除。对于无损检测过程中发现的焊缝内部缺陷（如裂纹、未熔合等），则需要制定针对性措施进行处理。通过对焊缝进行合理检验，消除不可接受的焊接缺陷，可以有效提高焊缝的疲劳寿命。

风电塔筒所使用的低合金高强度钢在焊接完成一定时间以后容易产生延迟裂纹，此种裂纹主要受焊缝含氢量、焊缝所承受拉应力及由材料淬硬倾向决定的金属塑性储备影响，因此在塔筒焊接完成之后不能马上进行无损检测，而是需要将塔筒放置一段时间以后才能对焊缝内部质量进行检测。根据规范要求，放置时间不得短于24h。随着风电行业的不断发展，加之超声波探伤、磁粉探伤等常规无损检测技术自身的局限性，诞生了超声波衍射时差法检测技术，这一技术采用一对频率、尺寸、角度相同的纵波探头进行探伤，具有检测效率高、使用方便等优点，可以有效提高焊缝检测质量，目前在塔筒焊缝检测领域得到了广泛应用。

结语

综上所述，风电塔筒环向焊缝设计、制作、检验是非常复杂的过程，要想保证在实际施工操作中能够准确无误，那么对其中各个环节的质量把控是十分必要的。通过长期的实践，提高与优化风电塔筒环向焊缝设计、制作、检验，使焊缝疲劳寿命得到了有效控制，使得风电塔筒一次性合格率得到了大幅提升，全部达到90%以上，不但提升了生产效率，减少了生产成本，还消除了因频繁刨焊所导致的焊缝外观质量差、焊缝成形不佳的问题，有效提升了产品外观质量以及内在品质，得到了用户良好的评价。实践证明，该措施在风电塔筒环向焊缝过程中可操作性较强，效果显著，可广泛应用于风电塔筒的生产，也可为其他焊接焊缝问题的解决提供借鉴。

参考文献：

[1]张淑枝、解金波，等.风电塔筒厚钢板焊接工艺参数分析[J]，山东工业技术，2014（18）：32-33.

[2]朱凌静，凌婷，刘海波，等.风机塔筒高强度螺栓断裂分析[J].华东科技（学术版），2015（2）：250-251.