超低温风力发电塔架焊接消应力技术研究与应用

康学军

(甘肃中水电水工机械有限公司，甘肃临夏州731600)

摘要:

        在风力发电塔架焊接过程中,塔架的焊接区域以远高于周围区域的速度被急剧加热,并局部熔化。焊接区域因材料受热而导致热膨胀区受到周围较冷区域的约束,并造成弹性热应力,受热区温度升高后导致屈服极限下降。结果在焊接区域形成了塑性的热压缩,焊缝冷却后,比焊接周围区域相对缩短、变窄或减小。因此,这个区域就呈现了拉伸残余应力,而焊缝周围的区域则承受压缩残余应力。该文主要阐述了风力发电机塔架在制作焊接过程中利用振动时效+豪克能冲击时效消除焊接应力的工艺方法。

关键词: 塔架;振动时效;豪克能时效;焊接消应力

 

引言

        我国地域广阔,丰富的风力资源具有良好的开发前景,发展潜力巨大。据最新风能资源普查初步统计成果显示,我国陆上距离地面10m高度风能资源总储量约43.5 亿kW，居世界第1位。其中,技术可开发量为2.5亿kW,技术可开发面积约20万km2。另外,海平面上 10m高度可开发和利用的风能储量约为7.5亿kW。风能资源富集区主要在西北、华北北部、东北及东南沿海地区，因此发展风电的潜力巨大。在未来，我国风能行业将会继续保持高速发展，从2014年到2020年，预计我国每年平均装机容量将在1800万千瓦。因此,风能将会在我国能源领域占据越来越重要的位置,成为绝对不可或缺的主要电源。
 

1实验方法
 

1.1实验材料

风力发电机塔架是支撑风力发电机组、扇叶,承受风力载荷的主要设备结构件,风力发电场自然条件都比较恶劣,尤其在-40℃超低温环境下工作。因此,在实际生产制造过程中,超低温风电塔架通常要求采用材质为Q345B的钢板。
 

1.2实验方法

方案1:风力发电塔架焊接完成后，采用振动时效检测焊接应力对构件变形程度的影响。

方案2:风力发电塔架焊接完成后，采用豪克能冲击时效检测焊接应力对构件变形程度的影响。

方案3∶风力发电塔架焊接完成后,采用振动时效+豪克能冲击时效检测焊接应力对构件变形程度的影响。
 

1.3 实验内容

1.3.1 消除残余应力方法分析

        在主机厂家的技术要求中,对于厚度大于30mm的钢板,焊缝局部需进行焊后消应力处理。

        消除残余应力的方法很多,如自然时效、热时效、振动时效等"。振动时效又称振动消除应力法,是将工件(包括铸件、锻件、焊接构件等)或焊件在固有频率下进行数分钟至数十分钟的振动处理,以振动的形式给工件或焊件施加附加应力,当附加应力与残余应力叠加后,达到或超过材料的屈服极限时,工件将发生微观或宏观塑性变形,从而降低并均匀化工件内的残余应力,使尺寸精度获得稳定的一种方法。这种时效处理方法耗能极少,能源消耗仅为热时效的3~5%,成本仅为热时效的8~10%,然而应力消除率一般在30~50%,由于振动时效耗能少、时间短、效果显著,因而近年来在国内外都得到迅速发展和广泛应用;豪克能冲击时效是利用变幅杆高频率振荡使得冲击头以20kHZ以上的频率撞击焊缝及其热影响区，高冲击能量主要对工件表面产生二方面作用,其一,冲击部位及其附近产生一定层深的微量塑性变形,以大幅降低焊接残余应力;其二,冲击部位表面温度急剧上升和急剧冷却,交变热循环和交变外应力撞击作用,使受冲击部位外表塑性变形层的晶粒细化,从而调整焊接残余应力2。

        综上所述，将豪克能击时效与振动时效两者结合起来，这对焊接构件的抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能也大有益处,对风电塔筒比较适合。
 

......
 

结论

1、从塔筒的曲线图上时间振幅曲线可以得出结论，本次处理是有效果的。

2、从上表焊缝残余应力测量结果可以看出,振动处理后构件残余应力消除率达到了37.57%,达到标准要求，且应力均化程度较好。因此这次振动时效消除焊接残余应力处理是合格的。对非常重要的部位，增加豪克能冲击处理效果更佳,处理后残余应力消除率为64.52%。

3、从塔筒的振动时效处理过程与效果来看:塔筒的振动时效处理效果不错，达到了消除焊接残余应力的目的;增加超声冲击处理效果更佳;振动时效和超声冲击处理技术在风电塔筒实际产品上的应用是完全可行的。