王星鑫

（中車蘭州機車有限公司新廠建設(shè)辦公室，甘肅 蘭州 730050）

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們的生活越來越機械化、智能化，但無論如何發(fā)展，都離不開重要的物質(zhì)基礎(chǔ)能源。同時因為能源問題造成的紛爭也愈演愈烈。世界各國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、太陽能等均存在不少不穩(wěn)定的因素而不能規(guī)?；褂谩５秋L能因為具有清潔、環(huán)保、成本低廉、資源無盡且使用便捷等優(yōu)點而被廣泛利用。根據(jù)全球風能理事會（GWEC）發(fā)布的2017年全球風電行業(yè)現(xiàn)狀年度報告中的相關(guān)數(shù)據(jù)，全球風電全球的風力發(fā)電設(shè)備正朝著大型化、輕型化、高效化的方向發(fā)展。我國的風電行業(yè)也在迅猛發(fā)展，2017年年底，中國的風電裝機容量為188392MW，為全球首位（圖1、2）。

圖1

圖2

風力發(fā)電裝置主要由風輪、發(fā)電機、調(diào)向器(尾翼)、塔架、限速安全機構(gòu)和儲能裝置等構(gòu)件組成。其中，塔架是主要承載件，它除了承受葉片、發(fā)電機等靜載荷外，還要承受葉片、發(fā)電機組等運動產(chǎn)生的動載荷。因此塔架必須要有足夠的強度、剛度、穩(wěn)定性和動力特性。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。本文主要討論錐臺型風電塔架，錐臺型鋼結(jié)構(gòu)塔架一般由鋼板組對、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，整體呈圓臺狀，筒內(nèi)裝有爬梯及工作平臺、電氣線路等。

1 塔架中的殘余應力

目前，由于風力發(fā)電機組單機容量的不斷提高，風電塔架常采用的材料也在不斷地進行升級，塔架的材料多采用大厚度的低合金材料Q345E。這種材料雖然碳當量小、焊接性好，但在焊接過程中，由于不均勻的溫度場或機械因素以及預熱、后熱等焊接工藝問題，會使塔架在冷卻過程中產(chǎn)生焊接變形，焊縫中會產(chǎn)生殘余應力。在沒有外力作用的條件下，焊接應力在焊件內(nèi)部是平衡的。焊接應力和變形在一定條件下會影響焊件的功能和外觀。焊接殘余應力的存在將明顯降低脆性材料的結(jié)構(gòu)剛度和靜載強度。此外，焊接殘余應力還會對塔架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和疲勞強度以及應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力。

2 殘余應力的處理方法

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

焊后熱處理是通過熱處理設(shè)備對焊縫進行局部加熱，使局部達到彈塑性轉(zhuǎn)變溫度，并保持有一定時間，使工件的殘余應力得到松弛，然后緩慢的降低溫度，使工件在冷卻后處于低應力狀態(tài)，這樣既能消除焊縫的殘余應力，又能改善焊縫的組織，同時還能降低焊縫中的含氫量。這樣能消除50%～70%的焊接殘余應力，效果良好。但是生產(chǎn)實踐表明，如果在升溫、保溫和降溫過程中工藝參數(shù)選擇不當，或操作時不嚴格遵守合理的工藝規(guī)范，往往得不到消除應力的結(jié)果，甚至增大工件的應力。自然時效不需要投資且沒有能耗，消除殘余應力2%～10%，時效周期1年，無能耗限制、無污染。因受到工期等因素的影響而不便使用。

通過近年來各風電塔架生產(chǎn)廠家的實際應用來看，熱處理設(shè)備如加熱爐等設(shè)備投資大、時效周期約在8h以上，能耗大，并且需要專用的爐體或大容量電源，這勢必會受到場地的限制。另外，熱處理還有燃料廢氣的排放，在如今嚴格要求環(huán)保的社會環(huán)境下，使用成本過高。振動時效周期只有0.5個小時左右，其能耗只有熱時效的5%左右，在生產(chǎn)場地只需要有380V的電源即可使用，除了有些許噪聲污染外并無其他污染源，相對較為友好。因此，近年來大多使用振動時效來消除塔架、塔架與法蘭焊縫處的殘余應力。

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金屬零件進行加工，一次加工即可使零件表面達到鏡面并實現(xiàn)改性的創(chuàng)新性能量加工技術(shù)。豪克能焊接應力消除設(shè)備的原理是利用大功率能量推動沖擊工具以每秒2萬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；同時豪克能沖擊波改變了原有的應力場，產(chǎn)生一定數(shù)值的壓應力，并使沖擊部位得以強化。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，從而增加了由于內(nèi)部應力導致金屬蠕變的難度，所以變形減少了，通過預制理想壓應力，增加疲勞強度。在相對整體振動時效技術(shù)來講，可以消除80%以上的焊接應力并且有效預防應力腐蝕和焊接開裂現(xiàn)象的功用。

3 結(jié)語

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