风电塔筒环向焊缝疲劳寿命的措施

风电塔筒环向焊缝疲劳寿命的措施

张羽

中车兰州机车有限公司玉门风电分公司 甘肃 酒泉 735200

摘要：对提高风电塔筒环向焊缝疲劳寿命的措施进行了介绍与分析，通过有限元仿真确认，塔筒筒节的中心对齐能够减小焊缝位置处的应力集中因数，进而提高焊缝的疲劳寿命。此外，提高焊缝疲劳寿命的措施还包括控制焊接质量、对焊缝进行合理检验等。

关键词：风电塔筒；焊缝；疲劳寿命

塔筒是风力发电机组的关键支撑结构，为了便于运输，一般分为3～5段。每段塔筒均由若干筒节和法兰焊接而成，塔筒相邻段之间使用螺栓进行连接。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。

兆瓦级风力发电机组对塔筒的环向焊缝与纵向焊缝均有较为严格的要求，然而由于塔筒环向焊缝较长，通常单条焊缝的长度都在10m以上，是单条纵向焊缝长度的4倍左右，因此环向焊缝更容易受到焊缝成形质量、内部缺陷、焊缝等级、应力集中等因素的影响。

1. 焊缝设计

对塔筒的环向焊缝采用名义应力法进行抗疲劳性能分析，名义应力法根据焊接接头的形状和受力特性，按照EN1993-1-9《钢结构的疲劳强度》标准选取相应的焊接细节分类等级，并考虑焊缝位置处的应力集中因数进行疲劳寿命分析。不同的细节等级对应不同的应力-寿命曲线。就设计而言，降低焊缝位置处的应力集中可以提高焊缝的疲劳寿命。

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[3]，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，如图2所示。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。从生产制作的便利性出发，同一个塔筒所有筒节需要选用同一种对齐方式。

图1筒节对齐方式

2.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。

在塔筒制造之前，生产厂家必须按NB/T47014—2011《承压设备焊接工艺评定》标准的规定送具有资质的第三方机构进行检验，焊缝的坡口形式、焊接材料的选用必须按塔筒设计方审核认可的焊接工艺评定执行。尽可能采用机械加工的方法制作焊接坡口，如需要采用热切割方法制作焊接坡口，在坡口切割后必须打磨光滑并去除熔渣。卷制筒节时，必须使用样板进行多次检验，保证筒节弧度的均匀性。在组对筒节时，必须严格控制相邻筒节的错边量，保证筒节之间的同轴度。筒节之间不得进行强制装配，焊接部件必须在无外力状态下放入正确位置之后再进行焊接，避免产生焊接应力。

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。

由于塔筒焊接是一个非常复杂的热成形过程，因此为了保证焊缝质量，不仅需要制定合理的焊接工艺，选用性能稳定的焊接设备，还必须严格管控焊接人员的资质，只有具备国家认可资质的焊工才可以从事风电塔筒的焊接工作。

3.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。

参考文献：

• [1]塔式起重机焊缝质量分析. 沙明星.装备机械,2019