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摘要：本文通过两个风电场风机塔筒失效案例，分析了大型风机塔筒基础环的结构薄弱点，提出了基础环法兰结构的优化方案。为保证大型风机安全运行，指出在塔筒制造的关键工序中进行工艺过程控制和质量监督的具体措施。
关键词：大型风机；基础环；结构优化；工艺控制
1 引言
风能是可再生、取之不尽的洁净能源，随着能源的持续紧张和人们环保理念的加强，风能因其开发利用技术相对成熟，经济性较高而受到各能源公司、发电企业的青睐。
塔筒是风力发电机组的基础设备，用来支撑机舱及风力发电机部件，使风力发电机风轮中心达到设计工作高度。一般塔筒要求具有足够的疲劳强度，承受机组启停、风况变化等周期性疲劳载荷的影响。因此塔筒的制造、安装质量直接关系到整个风力发电机组的设备安全与可靠运行。
2 大型风机塔筒失效
风力发电机组塔筒在运行中不仅承受塔筒自身和发电机组重力，还受到风轮旋转所产生的周期性载荷和自然随机风载的多重作用[1]。风力塔筒在外界多重力的作用下最大应力分布于于塔筒与混凝土基础连接的部位，塔筒结构上薄弱点是连接法兰与塔筒对接焊缝、壁厚变截面处。风电机组建造时，混凝土基础与塔筒基础环浇筑成为一体，因此整个风机塔筒的最大应力主要分布在塔筒基础部位对接焊缝和壁厚变截面处，内蒙古科技大学闻洋进行的按比例缩放塔筒拟静力试验，塔筒破坏过程中，应力测点验证了当这些部位应力远超出了屈服应力时，其余部位均为达到屈服点[2]。
2.1风机塔筒基础环开裂
某甲风电场装机24×2MW大型风电机组，塔高80米，基础环直径4.2米，筒体周长约13.2米，基础环筒体壁厚42mm。2015年8月份，该风电场工作人员巡检时发现1号风机基础环塔筒开裂，开裂位于基础环与法兰对接焊缝的法兰一侧母材，裂纹贯穿塔筒壁厚。外壁裂纹长约1.9米，占全周长的14.4%，外壁裂纹张口约2mm，可塞入钢锯条，见图2.1，塔筒内壁裂纹长约3.6米，占全周长的27.3%。
1号风机塔筒基础环焊缝金相组织为魏氏体组织，为焊接过程热输入过大所致；焊缝硬度165HB，熔合线硬度207HB，母材硬度仅为140HB，熔合线硬度高于焊缝和母材，此种组织状态组织和硬度分布会降低材料的塑性和冲击韧性，使熔合线附近材料的抗疲劳性能大幅下降，在长时间高疲劳应力运行条件下极易发生开裂。
对该风电场24台风电机组塔筒基础环焊缝进行扩大检查，发现20台风机塔筒基础焊缝组织具有魏氏倾向或典型的魏氏组织，2台为典型的淬硬马氏体组织，焊缝硬度达300HB，而熔合线硬度为190HB，母材硬度仅为140HB左右；2台风机焊缝表面有空洞和裂纹状磁痕显示，6台焊缝超声波检测显示内部有超标缺陷。
2.2 风力发电机组倒塌
2016年2月，某乙风电场14号风力发电机组发生倒塌事故，现场风机塔筒与基础环分离，倒向一侧，塔筒变形，叶片、机舱、轮毂设备损坏。倒塌的风机塔筒断口位于底部塔筒与法兰对接焊缝法兰一侧母材，法兰侧断口中间凸起，同焊缝坡口形貌相似，断面光洁整齐，人字形疲劳纹明显，为脆性断裂，塔筒侧断口与法兰侧断口对应，中间凹陷，塔筒外缘焊缝形貌完整，图2.3。
扩大检查发现其他风力发电机组相同位置发现开裂现象：15号风机底部法兰开裂1/2圈、12号风机底部法兰开裂1/3圈、13号风机底部法兰存在400mm长裂纹、11号风机底部法兰存在密集的裂纹群。
该风电场14号风力发电机组倒塔的断口位于塔筒底部，与12、13、15号及某甲风电场1号风力发电机组开裂部位相同，为整个塔筒最大应力处。断口及开裂部位均位于底部法兰与塔筒对接焊缝法兰一侧母材区域，结构上该区域为法兰颈部变截面位置，同时又处在法兰与筒体对接焊缝的热影响区附近。
上述两处风电场风机塔筒失效验证了闻洋的试验，说明大型风机塔筒底部基础环法兰壁厚变截面处是受力薄弱点，结构设计有待进一步优化；而从某甲风电场塔筒基础环和对接焊缝的检验结果来看，风机塔筒的制造质量应重点关注，尤其是塔筒基础环的制造加工质量。
3塔筒制造工艺过程
为了降低单机发电成本和风能利用效率，发展大型的风电机组成为趋势，这就需要尺寸更大的塔筒来安装大功率发电机和提高风轮中心高度。
大型风电机组配套所需的尺寸更大的塔筒意味着塔筒直径和壁厚的增加，而塔筒直径和壁厚的增加对生产工艺要求更高，制造加工难度大，工艺控制不当易出现质量问题。如塔筒直径增加对法兰锻造和机加工的尺寸精度要求更高，而塔筒壁厚的增加直接提高焊接加工难度，焊接过程如控制不当则容易出现焊接缺陷。
一般大型风机塔筒的制造主要包括法兰锻造与加工、筒体钢板卷制与焊接、法兰与筒体焊接等环节，因此，分析每个环节的加工工艺控制要点是风机塔筒质量控制与监督的关键。
3.1 大型风机塔筒的结构
大型风机塔筒一般为锥形桶，由上段、中段、下段和基础环组成，由不同壁厚的钢板卷制的筒体与法兰焊接而成，每段塔筒之间通过法兰孔螺栓连接。图3.1是风机塔筒连接结构示意图，图中筒体与法兰焊缝在塔筒厂焊接完成，风机安装现场用螺栓连接每段塔筒。
3.2 法兰锻造与加工
两处风电场塔筒的开裂失效均位于法兰与筒体对接焊缝靠近法兰一侧母材，即法兰的颈部位置，除了前文提高的结构原因外，法兰本身制造质量因素也不容忽视。法兰锻造与加工工艺一般为钢锭开坯-锻造-冲孔-辗扩成形-热处理-机加工等工序，见图3.2，其颈部强度主要与钢锭坯料选择、辗扩成型和热处理工艺环节有关。
3.2.1钢锭选择
法兰原材料应选用经过炉外精炼和针孔脱气的钢锭，不能使用连铸板坯。因为钢锭在冷却凝固过程中体积要收缩，最后凝固的部分因为得不到液态金属的补充会形成空洞状的缺陷，大而集中的空洞称为缩孔，细小而分散的空隙则称为疏松。钢锭、连铸圆坯疏松集中于中心部位，连铸板坯的疏松部位分布于板坯厚度方向的中间层。
钢锭和连铸圆坯的疏松集中在中心部位，在冲孔工序可将疏松缺陷部位全部去除，不会对法兰的质量产生影响。
虽然疏松一般会在热加工锻造过程中得到的改善，但是连铸板坯的疏松部位在板坯厚度方向的中间层，布满整个板坯，且连铸板坯厚度小，锻造压缩比小于6，中心疏松等缺陷将被保留在产品中，当法兰是对称成型时，此时的疏松组织会在法兰的颈部，使颈部连接强度和韧性降低，甚至发展为裂纹。图3.3所示为连铸板坯法兰对称成型时疏松缺陷部位，图3.4为某法兰制造厂提供的连铸板坯制造的法兰环切片，从切片上可看到法兰颈部位置树根形貌的裂纹。
法兰材料一般采用Q345D、Q345E和S355NL，属于低碳微锰合金，极易形成带状组织。带状组织严重弱化了材料的冲击韧性和塑性，降低颈部焊接部位的疲劳强度，形成开裂。因此法兰制造过程中应严格控制带状组织的形成。
3.2.2 辗扩成型
辗扩成型工序中，法兰坯件一端受导向辊和芯辊的挤压，使法兰坯件径向压缩，一端受端面辊的挤压，使法兰坯件径向拉长，图3.4。该工序若控制不当，法兰环形坯件边缘部位的不规则会在法兰端面形成折叠，而折叠可能会留在法兰成品的颈部，影响颈部的强度。
1 驱动辊 2环形坯件 3导向辊 4芯辊 5端面辊
3.2.3 热处理
法兰热处理应该选择正火加回火的工艺。正火的目的是使锻造后粗大的晶粒细化、消除或减少带状组织并获得细小均匀的珠光体组织，以满足机械性能的要求。回火的目的是有效的消除正火产生的应力。
法兰经适当正火工艺处理后，金相组织为均匀的珠光体和体素体，组织应力相对较小。风塔法兰的直径较大，一般顶直径在Φ2500mm 以上，其它法兰直径在Φ3000mm 以上，在空气中冷却时很难保证各部位的冷却速度相对均匀一致，变形应力比较大。如果没有回火工序，法兰中的内应力将随着时间的推移不断释放使法兰变形，即时效作用。法兰变形一般为翘曲变形，运行中，法兰的变形受到螺栓的约束，当法兰变形量较大时，就有可能引起风机塔筒法兰结合面局部的内凹或外凸，严重时甚至造成紧固螺栓断裂，导致风机塔筒失效、倒塌事故发生。
3.2.4 基础环法兰结构优化
风力发电机组每段塔筒通过法兰连接成为一体，法兰是整个塔筒连接的关键部件。一般法兰环本体较厚，颈部较薄，形成结构上壁厚截面突变区域，结构突变处R角越小，越容易形成应力集中；颈部与塔筒焊接，焊接过程中不可避免的残余应力叠加于颈部壁厚突变处，使法兰颈部承受疲劳载荷性能降低。整个塔筒的最大应力位于塔筒底部基础环部分，因此基础环法兰颈部变截面区域承受的应力最为复杂，是整个塔筒的薄弱环节。
某甲风电场的基础环法兰颈部壁厚为42mm，内坡口一侧宽16mm，R直径为10mm，法兰颈部高度为30mm，如图3.6，法兰与筒体焊接后，焊缝与R角距离为4mm（30mm-16mm-10mm=4mm），而一般焊缝的热影响区长度为5-10mm，由于基础环筒体壁厚较大，实际塔筒的焊缝热影响区长度更大，因此塔筒与法兰的焊缝热影响区与结构上壁厚突变区重叠，严重减弱了该结构的疲劳强度。
为提高基础环法兰颈部的疲劳强度，设计时一方面应考虑应增加R角直径，减低壁厚突变导致的结构应力集中；另一方面应适当增加颈部高度，使焊缝热影响区避开结构突变区域。
3.3塔筒制造
塔筒的主要制造工序是钢板下料、卷制成形、组对、筒体焊接、筒体与法兰焊接、质量检验等。
3.3.1 下料、卷制
大型风机塔筒总高度为50-80米或更高，由三段或四段组成，每段筒体又由数块钢板卷制、组对拼焊而成，钢板的下料和卷制工序主要是控制板材质量、下料和滚板尺寸精度，避免材料浪费，如下料前应对板材进行质量验收检验，做好标记移植工作，避免不合格板材流入下道工序；下料前后应进行尺寸检测，宜采用数控切割，不允许拼接；卷制时为避免直头浪费，应采用胎板在滚板机上压弧或胎压工艺，提高滚板成形精度[3]。
3.3.2 焊接质量控制
不同于下料、卷制等冷加工工艺，焊接过程是塔筒生产的重要工序环节，尤其是塔筒与法兰焊接，其质量好坏直接影响塔筒的使用寿命。
为保证焊接质量，施焊焊工必须经过培训后持证上岗；焊接过程应严格遵守焊接工艺参数，重点控制焊接的应力分布和控制法兰与筒体焊接后的角变形。
法兰和塔筒在焊接前各自的内应力分布基本均匀，焊接后残余应力控制不当会使法兰发生角变形，应通过合理安排焊接顺序、坡口大小和焊接线能量来控制焊接应力，焊接后一般要求法兰角变形内倾控制在0~1.5mm内。由于塔筒运行承受疲劳载荷，要求焊缝具有较高的冲击韧性，故焊后需立即进行消氢处理，一般消氢处理加热温度为200～350℃，保温2h左右。
控制在合理范围内是保证使用寿命的关键因素。因此法兰与筒体焊接后，应要求法兰角变形内倾控制在0~1.5mm内。此外对法兰与筒体连接的环焊缝外观要求焊缝成型美观，不得存在明显的孔、夹渣、咬边以及未熔合等缺陷[4]。
保证焊接质量，焊工须经过培训后持证上岗。焊后检测，外观要求无咬边、凹坑、飞溅、焊瘤，焊缝宽度均匀一致。
为了保证塔筒的焊接成形美观，一般在内侧开单V型坡口，焊接后在背面即外侧用碳弧气刨清根，再次加工成坡口。因为塔筒承受的载荷为疲劳载荷，要求焊缝具有较高的冲击韧性，故焊后需立即进行消氢处理，加热温度为200～350℃，保温2h左右瀚。通过合理安排焊接顺序、坡口大小和焊接线能量来控制焊接应力，从而控制法兰焊后的角变形[5]。
3.3.3焊接检验
某风电场塔筒现场金相组织检验发现焊缝普遍存在魏氏倾向，个别焊缝金相组织甚至为淬硬马氏体组织，严重降低了风机塔筒承受疲劳载荷的能力。一方面说明该风电场塔筒焊接工艺参数选择不当，另一方说明焊接工艺过程未严格按焊接工艺规范执行，导致焊接线热输入大。
为保证焊接质量，新制塔筒尤其是大壁厚基础环对接焊缝焊接前应对焊接试板进行冲击、拉伸和弯曲试验，并结合金相组织检验验证焊接参数是否合理。
对接焊缝质量要求如下：外观要求成形美观，无咬边、凹坑、飞溅，焊缝宽度均匀一致；按规程或技术要求进行100%超声检测（UT）和T型接头射线检测（RT），检验及验收依据NB/T47013，其中UTⅠ级、RTⅡ级；重要焊缝如基础环对接焊缝进行金相组织抽检。
4结论
大型风力发电机组塔筒是风机的重要支撑和基础部件，鉴于风机发电机组的特殊性，当塔筒出现质量问题时，需要拆除风叶、发电机、轮毂等进行返修，检修周期长、代价大。通过塔筒的失效案例分析，应按以下措施对风机塔筒的制造过程进行控制与质量监督，保障大型风力发电机组的安全运行。
4.1 法兰原材料应选用钢锭或连铸圆坯，严格控制辗扩成行和锻造工艺，减少法兰颈部的带状组织和疏松缺陷。
4.2 法兰热处理应考虑正火细化晶粒后，采取回火工艺消除法兰内部变形应力。
4.3 优化基础环法兰结构，增加R角直径减少结构应力集中的同时，应增加颈部高度，使焊缝热影响区避开结构突变区域，增强基础环法兰对接焊缝的抗疲劳性能。
4.4 下料前应对板材进行质量检验，控制下料和卷制的尺寸精度，避免筒体组对后尺寸误差放大。
4.5 为保证焊接质量，施焊焊工必须经过培训后持证上岗；焊接过程应严格遵守焊接工艺参数，重点控制焊接的应力分布和控制法兰与筒体焊接后的角变形。
4.6 焊接检验除外观和无损检测外，重要焊缝应增加金相组织抽检。
参考文献：
[1]关媛媛，邢艳，刘大江 风力发电机塔筒柔性连接结构优化分析 硅谷 2014，6：142-143。
[2]闻洋，孙海磊 风力发电机塔筒受力性能的试验 沈阳建筑大学学报（自然科学版）2013，29（5）：913-918。
[3]薛端阳，风力发电机塔筒制造的过程控制方案 沈阳大学学报（自然科学版）2013，25（6）：481-484
[4]张永红 风电塔筒焊接工艺的改进措施 科技资讯，2008，76（1）：76-77。
[5]梁建明，王占英，刘春东，等，风电塔筒法兰焊接工艺。焊接技术，2009，38（2）：30-31。
论文作者:倪满生
论文发表刊物:《电力设备》2017年第3期
论文发表时间:2017/4/26
标签：法兰论文; 风机论文; 应力论文; 基础论文; 颈部论文; 组织论文; 金相论文; 《电力设备》2017年第3期论文;