淺談風(fēng)電塔架焊接接頭殘余應(yīng)力的消除方法

王星鑫

（中車蘭州機(jī)車有限公司新廠建設(shè)辦公室，甘肅 蘭州 730050）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活越來越機(jī)械化、智能化，但無(wú)論如何發(fā)展，都離不開重要的物質(zhì)基礎(chǔ)能源。同時(shí)因?yàn)槟茉磫栴}造成的紛爭(zhēng)也愈演愈烈。世界各國(guó)都在積極尋找可再生、能循環(huán)利用的新能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源。在各類可再生能源中，核能、水能、太陽(yáng)能等均存在不少不穩(wěn)定的因素而不能規(guī)?；褂?。但是風(fēng)能因?yàn)榫哂星鍧?、環(huán)保、成本低廉、資源無(wú)盡且使用便捷等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛利用。根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）發(fā)布的2017年全球風(fēng)電行業(yè)現(xiàn)狀年度報(bào)告中的相關(guān)數(shù)據(jù)，全球風(fēng)電全球的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備正朝著大型化、輕型化、高效化的方向發(fā)展。我國(guó)的風(fēng)電行業(yè)也在迅猛發(fā)展，2017年年底，中國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)容量為188392MW，為全球首位（圖1、2）。

圖1

圖2

風(fēng)力發(fā)電裝置主要由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、調(diào)向器(尾翼)、塔架、限速安全機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)能裝置等構(gòu)件組成。其中，塔架是主要承載件，它除了承受葉片、發(fā)電機(jī)等靜載荷外，還要承受葉片、發(fā)電機(jī)組等運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷。因此塔架必須要有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和動(dòng)力特性。目前，全球使用的塔架按結(jié)構(gòu)材料分主要有鋼結(jié)構(gòu)塔架和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)塔架兩種。本文主要討論錐臺(tái)型風(fēng)電塔架，錐臺(tái)型鋼結(jié)構(gòu)塔架一般由鋼板組對(duì)、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(tái)狀，筒內(nèi)裝有爬梯及工作平臺(tái)、電氣線路等。

1 塔架中的殘余應(yīng)力

目前，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷提高，風(fēng)電塔架常采用的材料也在不斷地進(jìn)行升級(jí)，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(dāng)量小、焊接性好，但在焊接過程中，由于不均勻的溫度場(chǎng)或機(jī)械因素以及預(yù)熱、后熱等焊接工藝問題，會(huì)使塔架在冷卻過程中產(chǎn)生焊接變形，焊縫中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在沒有外力作用的條件下，焊接應(yīng)力在焊件內(nèi)部是平衡的。焊接應(yīng)力和變形在一定條件下會(huì)影響焊件的功能和外觀。焊接殘余應(yīng)力的存在將明顯降低脆性材料的結(jié)構(gòu)剛度和靜載強(qiáng)度。此外，焊接殘余應(yīng)力還會(huì)對(duì)塔架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和疲勞強(qiáng)度以及應(yīng)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(guān)措施，以降低焊縫中存在的殘余應(yīng)力。

2 殘余應(yīng)力的處理方法

大型鋼結(jié)構(gòu)焊接件常用的消除焊縫殘余應(yīng)力的工藝主要有：振動(dòng)時(shí)效、焊后熱處理以及自然時(shí)效等。振動(dòng)時(shí)效是利用振動(dòng)使工件內(nèi)部殘余內(nèi)應(yīng)力和附加振動(dòng)應(yīng)力的矢量和超過材料屈服強(qiáng)度，焊縫產(chǎn)生較大的壓塑性變形，使塔架焊縫內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力得以松弛和減輕，并且提高了焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。這種方法因?yàn)樵O(shè)備價(jià)格較低，易于購(gòu)買，使用方便而被廣泛采用，但通過研究發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)時(shí)效只能消除30%～50%的應(yīng)力。

焊后熱處理是通過熱處理設(shè)備對(duì)焊縫進(jìn)行局部加熱，使局部達(dá)到彈塑性轉(zhuǎn)變溫度，并保持有一定時(shí)間，使工件的殘余應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)，這樣既能消除焊縫的殘余應(yīng)力，又能改善焊縫的組織，同時(shí)還能降低焊縫中的含氫量。這樣能消除50%～70%的焊接殘余應(yīng)力，效果良好。但是生產(chǎn)實(shí)踐表明，如果在升溫、保溫和降溫過程中工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，或操作時(shí)不嚴(yán)格遵守合理的工藝規(guī)范，往往得不到消除應(yīng)力的結(jié)果，甚至增大工件的應(yīng)力。自然時(shí)效不需要投資且沒有能耗，消除殘余應(yīng)力2%～10%，時(shí)效周期1年，無(wú)能耗限制、無(wú)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(fēng)電塔架生產(chǎn)廠家的實(shí)際應(yīng)用來看，熱處理設(shè)備如加熱爐等設(shè)備投資大、時(shí)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(shì)必會(huì)受到場(chǎng)地的限制。另外，熱處理還有燃料廢氣的排放，在如今嚴(yán)格要求環(huán)保的社會(huì)環(huán)境下，使用成本過高。振動(dòng)時(shí)效周期只有0.5個(gè)小時(shí)左右，其能耗只有熱時(shí)效的5%左右，在生產(chǎn)場(chǎng)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(wú)其他污染源，相對(duì)較為友好。因此，近年來大多使用振動(dòng)時(shí)效來消除塔架、塔架與法蘭焊縫處的殘余應(yīng)力。

豪克能是新興的一種金屬加工技術(shù)，它利用激活能和沖擊能對(duì)金屬零件進(jìn)行加工，一次加工即可使零件表面達(dá)到鏡面并實(shí)現(xiàn)改性的創(chuàng)新性能量加工技術(shù)。豪克能焊接應(yīng)力消除設(shè)備的原理是利用大功率能量推動(dòng)沖擊工具以每秒2萬(wàn)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(chǎn)生壓塑性變形；同時(shí)豪克能沖擊波改變了原有的應(yīng)力場(chǎng)，產(chǎn)生一定數(shù)值的壓應(yīng)力，并使沖擊部位得以強(qiáng)化。通過外部的高頻沖擊，將能量輸入到焊縫金屬內(nèi)部，使內(nèi)部金屬晶粒發(fā)生滑移，增加了位錯(cuò)，從而增加了由于內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致金屬蠕變的難度，所以變形減少了，通過預(yù)制理想壓應(yīng)力，增加疲勞強(qiáng)度。在相對(duì)整體振動(dòng)時(shí)效技術(shù)來講，可以消除80%以上的焊接應(yīng)力并且有效預(yù)防應(yīng)力腐蝕和焊接開裂現(xiàn)象的功用。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，豪克能消除應(yīng)力是最徹底的消除焊接應(yīng)力的方法。在風(fēng)電乃至大型鋼結(jié)構(gòu)焊接領(lǐng)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(qiáng)度，對(duì)整體結(jié)構(gòu)性能也有更好的保障。