某塔筒生產(chǎn)廠家承攬了一批3MW的風電塔架的制造任務(wù)，該塔筒為管塔式結(jié)構(gòu)，分為四段塔身和一節(jié)基礎(chǔ)環(huán)。塔筒總高87.6m，要求對基礎(chǔ)環(huán)及塔筒上壁板厚度大于30mm的焊縫進行焊接應(yīng)力消除，提高焊縫質(zhì)量，減少延遲裂紋的存在風險。

基礎(chǔ)環(huán)及四節(jié)塔筒的幾何形狀和重量

基礎(chǔ)環(huán)直徑4.7m，高度2.69m，重量26t。

塔筒直徑4.7m，長度14.477m，重量86t，鋼板厚度在54-36mm之間。

塔筒直徑4.7m，長度19.96m，重量75t，鋼板厚度在36-26mm之間。

塔筒直徑4.7m，長度22.32m，重量62t，鋼板厚度在26-18mm之間。

塔筒直徑4.7/3.07m，長度30.42m，重量56t，鋼板厚度16、18mm。

以上數(shù)據(jù)可看出，基礎(chǔ)環(huán)和塔筒*一、二段需要消除應(yīng)力，要整體熱處理生產(chǎn)廠家沒有這樣的熱處理爐，而且如此大直徑運輸條件也不允許在其他地方生產(chǎn)。根據(jù)具體情況，最后制定了在廠內(nèi)采用振動時效配合時效沖擊的方式消除構(gòu)件應(yīng)力，并提高焊接接頭及結(jié)構(gòu)疲勞強度的方案。

振動時效工藝實施

現(xiàn)場實施時，首先對工作整體進行振動時效，用彈性橡膠墊將工件與地面隔開，支撐要穩(wěn)固。對于基礎(chǔ)環(huán)需三點支撐。將振動時效儀的激振器固定在構(gòu)件上，將其與控制器連接，并使用傳感器收集數(shù)據(jù)。

對于振動時效，最重要的幾個參數(shù)是：“支撐點、振型、激振點、拾振點、加速度、固有頻率、時間。”其中振動加速度、共振頻率、共振時間是決定時效工藝效果的主要參數(shù)。可根據(jù)國家標準規(guī)定，采用參數(shù)曲線觀測法，間接評定振動時效工藝效果。

設(shè)備采用聚航科技生產(chǎn)的JH-600A液晶交流振動時效設(shè)備，采用高速變頻伺服電機，有殘余應(yīng)力動態(tài)跟蹤功能，消除率高。結(jié)束后打印振動時效工藝曲線，根據(jù)GB/T25713-2010標準判斷振動時效效果達到要求。

超聲波去應(yīng)力工藝實施

對焊縫進行超聲沖擊，以提高焊接接頭疲勞強度。在塔筒環(huán)縫、縱縫的焊接時采用的是埋弧自動焊，在填充金屬時接頭部位留有余高、凹坑及各種焊接缺陷，導(dǎo)致嚴重的應(yīng)力集中，同時，還產(chǎn)生一定數(shù)值的焊接殘余拉應(yīng)力。在焊趾部位距離表面0.5mm左右處一般存有熔渣等缺陷，該缺陷較尖銳，相當于疲勞裂紋提前萌生。焊接接頭在應(yīng)力集中，焊趾熔渣缺陷及焊接殘余拉應(yīng)力的聯(lián)合作用下，導(dǎo)致疲勞強度嚴重降低。

設(shè)備采用聚航科技產(chǎn)生的JH-Q50液晶超聲波焊接應(yīng)力消除設(shè)備，主要由兩部分組成：控制器和沖擊槍。原理主要是通過超聲波控制器推動大功率*聲換能器產(chǎn)生超聲波，超聲波聚焦后推動沖擊頭以每秒約2-3萬次的頻率超音速沖擊金屬物體表面，金屬表面溫度極速升高又迅速冷卻，使金屬表層產(chǎn)生較大的有益的壓應(yīng)力；由于超聲波的高能量沖擊波改變了原有的應(yīng)力場，使作用區(qū)表層和內(nèi)部的焊接應(yīng)力得以消除，同時金屬表面組織發(fā)生變化，被沖擊部位得以強化。

殘余應(yīng)力檢測

現(xiàn)場對塔筒構(gòu)件在焊接結(jié)束、振動時效處理后、超聲沖擊處理后分別進行了殘余應(yīng)力測試。根據(jù)前后三組數(shù)據(jù)分別對各點應(yīng)變值和應(yīng)力值進行對比，結(jié)果表明，各點數(shù)據(jù)均有大幅度降低，殘余應(yīng)力三次測量值分別為146.13、65.32、16.06，應(yīng)力降低達到89%，達到了預(yù)期效果。通過焊接應(yīng)力消除及焊縫焊趾處微觀結(jié)構(gòu)的改變，可判斷工件的疲勞強度也有一定提高。

總結(jié)

采用振動時效和超聲沖擊結(jié)合的方法對風力發(fā)電機組塔筒進行應(yīng)力消除，不僅可以消除整個構(gòu)件的應(yīng)力，又能對焊縫處重點處理，消除焊接接頭處的微小裂紋，焊渣缺陷，調(diào)整了焊接殘余應(yīng)力場，大幅度降低其焊接拉應(yīng)力，大大提高構(gòu)建的穩(wěn)定性，進一步提高焊接接頭的疲勞強度和疲勞壽命。另外這種處理方式不受工件材質(zhì)、形狀、結(jié)構(gòu)、鋼板厚度、重量、場地限制，容易實施，而且環(huán)保、節(jié)能安全無污染，在風電塔筒制造行業(yè)值得推廣應(yīng)用。