超低溫風力發電塔架焊接消應力技術研究與應用

康學軍

摘 要：在風力發電塔架焊接過程中，塔架的焊接區域以遠高于周圍區域的速度被急劇加熱，并局部熔化。焊接區域因材料受熱而導致熱膨脹區受到周圍較冷區域的約束，并造成彈性熱應力，受熱區溫度升高后導致屈服極限下降。結果在焊接區域形成了塑性的熱壓縮，焊縫冷卻后，比焊接周圍區域相對縮短、變窄或減小。因此，這個區域就呈現了拉伸殘余應力，而焊縫周圍的區域則承受壓縮殘余應力。該文主要闡述了風力發電機塔架在制作焊接過程中利用振動時效+超聲波沖擊時效消除焊接應力的工藝方法。

關鍵詞：塔架；振動時效；超聲波時效；消應力

引言

我國地域廣闊，豐富的風力資源具有良好的開發前景，發展潛力巨大。據最新風能資源普查初步統計成果顯示，我國陸上距離地面10m高度風能資源總儲量約43.5億kW，居世界第1位。其中，技術可開發量為2.5億kW，技術可開發面積約20萬km2。另外，海平面上10m高度可開發和利用的風能儲量約為7.5億kW。風能資源富集區主要在西北、華北北部、東北及東南沿海地區，因此發展風電的潛力巨大。在未來，我國風能行業將會繼續保持高速發展，從2014年到2020年，預計我國每年平均裝機容量將在1800萬千瓦。因此，風能將會在我國能源領域占據越來越重要的位置，成為絕對不可或缺的主要電源。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

風力發電機塔架是支撐風力發電機組、扇葉，承受風力載荷的主要設備結構件，風力發電場自然條件都比較惡劣，尤其在-40℃超低溫環境下工作。因此，在實際生產制造過程中，超低溫風電塔架通常要求采用材質為Q345B的鋼板。

1.2 實驗方法

方案1：風力發電塔架焊接完成后，采用振動時效檢測焊接應力對構件變形程度的影響。

方案2：風力發電塔架焊接完成后，采用超聲波沖擊時效檢測焊接應力對構件變形程度的影響。

方案3：風力發電塔架焊接完成后，采用振動時效+超聲波沖擊時效檢測焊接應力對構件變形程度的影響。

1.3 實驗內容

1.3.1 消除殘余應力方法分析

在主機廠家的技術要求中，對于厚度大于30mm的鋼板，焊縫局部需進行焊后消應力處理。

消除殘余應力的方法很多，如自然時效、熱時效、振動時效等[1]。振動時效又稱振動消除應力法，是將工件（包括鑄件、鍛件、焊接構件等）或焊件在固有頻率下進行數分鐘至數十分鐘的振動處理，以振動的形式給工件或焊件施加附加應力，當附加應力與殘余應力疊加后，達到或超過材料的屈服極限時，工件將發生微觀或宏觀塑性變形，從而降低并均勻化工件內的殘余應力，使尺寸精度獲得穩定的一種方法。這種時效處理方法耗能極少，能源消耗僅為熱時效的3～5%，成本僅為熱時效的8～10%，然而應力消除率一般在30～50%，由于振動時效耗能少、時間短、效果顯著，因而近年來在國內外都得到迅速發展和廣泛應用；超聲沖擊時效是利用變幅桿的高頻率振蕩使得沖擊頭以20kHZ以上的頻率撞擊焊縫及其熱影響區，高沖擊能量主要對工件表面產生二方面作用，其一，沖擊部位及其附近產生一定層深的微量塑性變形，以大幅降低焊接殘余應力；其二，沖擊部位表面溫度急劇上升和急劇冷卻，交變熱循環和交變外應力撞擊作用，使受沖擊部位外表塑性變形層的晶粒細化，從而調整焊接殘余應力[2]。

綜上所述，將超聲沖擊時效與振動時效兩者結合起來，這對焊接構件的抗疲勞性能和抗應力腐蝕性能也大有益處，對風電塔筒比較適合。

1.3.2 振動時效消應力工藝

（1）消應力參數制定

采用HK2000振動時效裝置。

振動時效時，整段塔架采用滾輪架進行支撐，其支承位置應選在整段塔架共振時的節線位置處。再將激振器剛性地固定在離節線稍遠的位置并與控制系統連接好。調整激振力的檔級，檔級應由小到大的順序調整。根據初步估算找出動應力較大的一些點打磨并貼上電阻應變片與動態應變儀相連接。用X射線法或磁應力法測其振動處理前的殘余應力量值。

（2）激振力選擇

振動時效過程中，激振器將施加給零件動態的附加動應力，其交變周期與激振力的交變周期相對應。動應力與殘余應力之和應大于材料的屈服極限，即R動+R殘≥R。如果工件的殘余應力較小時，只需要選用較小的動應力，就能使零件達到時效的目的；如果零件的殘余應力較大的時候，就要選用較大的動應力，產生較大的塑性變形來達到實效的目的。但是，動應力必須要小于材料的疲勞極限[3]。

構件振動的動應力來自于激振裝置的激振力。對于機械式激振裝置，激振力就是偏心輪的旋轉產生的離心力，其大小為：

F=mrw2sin（wt）

其中：m-偏心輪質量；

r-偏心輪偏心距；

w-角速度；

通過查閱資料得知，在主振頻率下，最佳激振力使用值為0.07～0.10KN/mm2，由于該項目中塔架剛性大，固有頻率高，適當放寬要求，設定最佳激振力值不小于0.05KN/mm2。

（3）激振頻率確定

在一般情況下，時效處理會選擇在一階亞共振區進行，即最大加速度值的1/3～2/3處，這一點的頻率就是振動主頻率。然而考慮到風電塔架超高、超大、超重的特點，其可能固有頻率超出了激振器的頻率范圍，因而采用“分頻共振法”[4]對工件進行時效處理。

（4）激振時間確定

在振動時效的過程中，隨著構件殘余應力的降低和均勻化，工件的固有頻率及由工件振動而顯示出的振幅、動應力等也隨之發生變化，因而振動時效時間可以由這些參數的變化情況來確定。

（5）工件的支承位置和激振器裝夾位置的確定

激振器應安裝在工件振動的波峰處，加速度傳感器應裝在遠離激振器的另一波峰位置。支承選用橡膠、輪胎、泡沫塑料等彈性材料，以減少工件、支撐、地基三者之間的撞擊，因為振動時無位移，振幅為零。波峰的查找方法可采用撒沙法，當工件在主振頻率上激振時，工件同時發生振動，此時在工件的表面撒一些沙子，觀察沙子跳動形成的狀態，沙子聚集的地方為波節，反之為波峰。

風電塔架作為圓形件，我們采用主振振型和周邊環狀波動彎曲振型進行試驗研究。在沿圓周三等分點處采取三點支撐或4點支撐；激振點選擇在兩支撐點之間；加速度傳感器則位于另外兩點之間。超低溫風電塔架下段整體振動消應力時，測試點及放置位置如圖1所示：

圖中“■”表示振動時效應力測試點，法蘭環縫上的3個測點必須有1個測點放置于環縫與縱縫的T形接頭處，環縫B1上的測點3與測點1、2成120°。中間環縫在兩T形接頭處各選一個測點，第三個測點在前2個測點中間位置。圖中“▲”三角形表示滾輪架支撐位置，A表示縱縫，B表示環縫，M表示門框與筒體拼接角焊縫。

根據風電塔筒結構的特點，多次反復試振，確定工藝參數如下：

a.支承方式：底部四點支承，采用現有焊接滾輪架，正好四點支承，比較適合。

b.激振點：激振器安裝在法蘭端面上，用卡具卡緊。

c.拾振位置：底段上法蘭端面處。

d.激振器偏心：用HK2000型全自動振動時效裝置。

e.激振頻率：采用“分頻共振法”對工件進行時效處理，即在一階共振頻率的對應1/3和1/5等頻率上對工件進行時效處理。

f.處理時間：25分鐘。

1.3.3 消應力設備及消應力過程控制

本課題中，我們采用HY2050豪克能消除應力設備。豪克能焊接應力消除技術，以其頻率高、能量大、聚焦性好、性能穩定等優勢，遠超超聲沖擊技術，徹底消除焊接應力，并產生理想的壓應力。

在此次試驗研究過程中，提高焊接接頭疲勞性能的方法為：用手握手柄，將沖擊槍的沖擊頭對準焊縫的焊趾，且基本垂直于焊縫。沖擊頭的沖擊針陣列沿焊縫方向排列，具體操作如圖2示。

1.3.4 塔筒焊縫殘余應力測試

殘余應力的測試采用HK218殘余應力測試儀；12OQ應變計等設備。

本課題中采用盲孔法測量時效后構件中的殘余應力。盲孔法測量殘余應力就是在被測點上鉆一個小盲孔，使被測點的應力得到部分或全部釋放，并由事先貼在小孔周圍的應變計測得釋放的應變量，再根據彈性力學原理計算出殘余應力來。這種測量方法的鉆孔直徑和深度都不大，不會影響被測工件的正常使用，并且這種方法具有較好的精度。

2 實驗結果及分析

2.1 振動處理監測曲線與分析

塔筒在振動處理時給出了監測曲線，如上圖3所示。根據JB/5926.91機械行業標準的規定，監測曲線中出現下述三種情況之一，則認為振動處理達到了預期的效果：時間振幅曲線[G（T）]，隨著時間在發生變化；幅頻特性曲線的對比，振動后的曲線（虛線）峰值升高；幅頻特性曲線的對比，振動后曲線（虛線）峰線左移即頻率下降。

根據上述有關規定，觀察我們對風電塔架筒體分段處理時獲得的曲線圖，可以看出：塔筒分段的曲線圖上時間振幅曲線[G（T）]，呈下降型，峰值升高1.7m/s2，峰點的頻率從5312轉/分變到5309轉/分，下降3轉/分，由此可以得出結論，本次處理是有效果的。

2.2 消應力后風電塔筒殘余應力測試分析

為了檢測振動時效在消除應力方面的效果，在振動處理前、后，分別在門框與塔筒對接角焊縫附近選擇了9點進行殘余應力的檢測。測試結果如表1所示。

從表1可以看出，振動處理前平行焊縫平均主應力σ1為191.3

8MPa，而振動處理后主應力σ1為140.89MPa，消除率為26.38%，達到標準要求。垂直焊縫的平均主應力σ2為108.62MPa，而振動處理后的應力σ2為86.19MPa，消除率為20.65%，也達到了國家標準。因此這次振動時效消除焊接殘余應力處理是合格的。另外，增加超聲沖擊處理前平行焊縫平均主應力σ1為189.53MPa，而振動處理后主應力σ1為114.07.MPa，消除率為39.81%，達到標準要求。垂直焊縫的平均主應力σ2為65.54MPa，而振動處理后的應力σ2為42.06MPa，消除率為35.83%，效果非常明顯。因此這次振動時效消除焊接殘余應力處理是合格的。對非常重要的部位，增加超聲沖擊處理效果更佳。另外殘余應力均化效果較好。

3 結論

（1）從塔筒的曲線圖上時間振幅曲線可以得出結論，本次處理是有效果的。

（2）從上表焊縫殘余應力測量結果可以看出，振動處理后構件殘余應力消除率達到了37.57%，達到標準要求，且應力均化程度較好。因此這次振動時效消除焊接殘余應力處理是合格的。對非常重要的部位，增加超聲沖擊處理效果更佳，處理后殘余應力消除率為64.52%。

（3）從塔筒的振動時效處理過程與效果來看：塔筒的振動時效處理效果不錯，達到了消除焊接殘余應力的目的；增加超聲沖擊處理效果更佳；振動時效和超聲沖擊處理技術在風電塔筒實際產品上的應用是完全可行的。

參考文獻

[1]馮博.風力發電機組塔筒結構分析研究[D].重慶大學，2010.

[2]馬人樂，馬躍強，劉慧群，等.風電機組塔筒模態的環境脈動實測與數值模擬研究[J].振動與沖擊，2011，30（5）：39-42.

[3]湯煒梁，袁奇，韓中和，等.風力機塔筒抗臺風設計[J].太陽能學報，2008，29（4）：23-29.

[4]趙文濤，曹平周，陳建鋒，等.風力發電鋼塔筒的載荷計算方法和載荷組合研究[J].特種結構，2010，27（4）：73-77.

[5]黃文怡，梁波，代洪慶，等.風力發電機塔筒的強度、穩定性及動力學分析[J].黑龍江八一農墾大學學報，2010，22（3）：59-62.