3MW风电塔筒焊接应力消除及提高疲劳强度的方法探析

3MW风电塔筒焊接应力消除及提高疲劳强度的方法探析

摘要：随着我国风电市场的迅猛发展，风力发电机组单机容量越来越大，3MW塔筒生产已经越来越普遍，由于发电机及塔筒自重都在增加，塔筒直径及壁板的厚度也越来越大，直径一般达到4700?mm,壁板厚度可达到60?mm,而且每段塔筒的长度均达到15?m以上，塔筒材料是低合金材料Q345E，对于这样的大件要采用热处理的方式消除焊接应力，以目前塔筒厂的生产条件很难达到。在生产过程中，通过多次试验及残余应力的检测数据，最后采用震动时效结合超声冲击的方法，成功解决了这一技术难题。

关键词:风电塔筒残余应力振动时效超声冲击方法

目前国内风力发电机组塔筒制造没有系统的、成熟的、方便可行的消除应力的方法，该文做了这方面的分析及研究，从工程实践中总结了一套比较切实可行的方法。

1 工程概述

甘肃瓜州塔筒生产厂承揽了一批3?MW的风电塔架的制造任务，该塔筒为管塔式结构，分为四段塔身和一节基础环，塔筒总高87.6?m，要求对基础环及塔筒上壁板厚度大于30?mm的焊缝进行焊接应力消除，提高焊缝质量，降低延迟裂纹的存在风险。基础环及四节塔筒的几何形状和重量如下：

基础环直径4.7?m，高度2.69?m，重量26t，

塔筒直径4.7?m，长度14.477?m，重量86t，钢板厚度在54～36?mm之间。

塔筒直径4.7?m，长度19.96?m，重量75t，钢板厚度在36～26 mm 之间。

塔筒直径4.7米，长度22.32?m，重量62t，钢板厚度在26～18 mm 之间。

塔筒直径4.7/3.07?m，长度30.42?m，重量56?t,钢板厚度16、18?mm.

以上数据可看出基础环和塔筒第一、二段需要消除应力，要整体热处理瓜州没有这样的热处理炉，而且这么大直径运输条件也不允许在外地生产。根据具体条件，最后制定了采用振动时效配合时效冲击的方式消除构件应力并提高焊接接头及结构疲劳强度的方案。

2 原理介绍

2.1 振动时效原理

振动时效是采用外力振动的方式，使工件内部产生一定周期性交变作用力，作用力和工件本身残余应力叠加，超过工件的微观屈服极限便导致工件发生微观的塑弹性力学变化，从而达到完美的残余应

力，使工件内部各方面作用的力基本趋于平衡，防止工件变形，提高工件疲劳极限。

2.2 超声冲击原理

超声冲击处理法是焊后利用超声波推动冲击工具以每秒二万次以上的频率沿焊缝方向冲击焊缝的焊趾部位，使之产生较大的压缩塑性变形，使焊趾处产生圆滑的几何过渡，从而减少焊趾处所产生的凹凸不平造成的应力集中，消除焊趾处表层的微小裂纹和熔渣缺陷，抑制裂纹的提前萌生，调整焊接残余应力场，消除其焊接拉应力（绝大多数情况下，残余拉应力对焊接结构疲劳强度的影响是不利的），在焊趾附近产生一定数值的残余压应力，并使焊趾部位材料得以强化，从而提高焊接接头疲劳强度和疲劳寿命。

3 工艺实施

现场实施时，先对工件整体进行振动时效，要注意需将工件用带弹性的支撑物与地面隔开，支撑要稳固，如下图所示，对于基础环需三点支撑。将振动时效仪的激振器固定在构件上，与控制器连接，并使用传感器收集数据。

对于振动时效，最重要的几个参数是：“支撑点、振型、激振点、拾振点、加速度、固有频率、时间。”其中振动加速度、共振频率、共振时间是决定时效工艺效果的主要参数。因此，振动时效技术国家标准规定，必须使用参数曲线观测法，来间接评定振动时效工艺效果。

TX-VSR振动时效设备，可将振动时效的振前扫频曲线、时效曲线、振后扫频曲线、振前和振后扫频比较曲线，记录和打印出来。经过对曲线的比较，符合JB/T10375-2002标准要求，即说明振动时效效果达到要求。

然后对焊缝进行超声冲击，提高焊接接头疲劳强度，在塔筒环缝、纵缝的焊接时采用的是埋弧自动焊,在填充金属时接头部位留有余高、凹坑及各种焊接缺陷,造成严重的应力集中，同时,还产生一定数值的焊接残余拉应力。在焊趾部位距离表面0.5 mm左右处一般存有熔渣等缺陷，该缺陷较尖锐，相当于疲劳裂纹提前萌生。焊接接头在应力集中，焊趾熔渣缺陷及焊接残余拉应力的联合作用下，导致疲劳强度严重降低。

超声波冲击法的试验装置主要由三部分组成:即功率超声波发生器,声学系统与机架。通过超声波发生器将电网上50?Hz工频交流电转变成超声频的20?kHz交流，用以激励声学系统的换能器。声学系统将电能转换成相同频率的机械振动,在自重及外界所施加的一定压力作用下,将这部分超声频的机械振动传递给工件上的焊缝，使以焊趾为中心的一定区域的焊接接头表面产生足够深度的塑变层。从而有效地改善焊缝与母材过渡区(焊趾)的外表形状,使其平滑过渡，降低了焊接接头的应力集中程度，使焊接接头附近一定厚度的金属得以强化,重新调整了焊接残余应力场,并由超声冲击形成较大数值的有利于疲劳强度提高的表面压应力,致使冲击处理后的接头疲劳强度得以提

高。

4 残余应力检测

现场对塔筒构件在焊接结束、振动时效处理后、超声冲击处理后分别测试了残余应力。

根据前后三组数据分别对各点应变值和应力值进行比较发现各点数据均有大幅度降低，根据残余应力检测仪说明书，ε1、ε2、ε3分别为0°45°90°方向的应变系数，δ1为残余应力计算值，可以看出残余应力三次测量值分别为146.13、65.32、16.06 ，应力降低达到89%，达到了预期效果。通过残余应力的消除及焊缝焊趾处微观结构的改变，可判断工件的疲劳强度也有一定提高。

5 结语

采用振动时效和超声冲击结合的方法对风力发电机组塔筒进行应力消除，既可以消除整个构件的应力，又对焊缝处重点处理，消除焊接接头处的微小裂纹，焊渣缺陷，调整了焊接残余应力场，大幅降低其焊接拉应力，大大提高构建的稳定性，进一步提高焊接接头的疲劳强度和疲劳寿命。另外这种处理方式不受工件材质、形状、结构、钢板厚度、重量、场地限制，容易实施，而且环保、节能安全无污染，在风电塔筒制造行业值得推广应用。

参考文献