使用高强度钢板降低风力机塔筒成本的研究

□陆 辉 □史伟涛

1.上海泰胜风能装备股份有限公司 上海 201508

2.上海电气风电集团有限公司 上海 200241

1 研究背景

现代大型兆瓦级水平轴风力机的塔筒一般均采用筒型薄壁结构，高度为100 m左右，在顶端装有较大质量的机舱和风轮。优良的塔筒设计，可以保证整机动力稳定性，因此塔筒设计不仅要满足空气动力学要求，而且要在结构、工艺、成本、使用等方面进行综合分析[1]。塔筒作为风力机的关键支撑部件，在整机成本中占有较大比例。

大多数塔筒材料为低合金高强度结构钢Q345，随着风力机功率的提升，塔筒钢材用量逐渐增加。Q420的屈服强度高于Q345，这意味着在相同载荷下，Q420钢板可以比Q345钢板更薄，从而降低整个塔筒的钢材用量。与此矛盾的是，Q420比Q345的材料成本高。笔者针对这个问题，应用软件设计Q345和Q420两种不同材质的三款塔筒，比较三款塔筒的综合成本，分析降低塔筒成本的可行性。同时，对两种不同材质塔筒的加工工艺进行分析。

2 坐标系

建立坐标系，如图1所示。图1中XT为竖直向下方向的坐标轴；ZT与XT垂直，为指向风力机的水平坐标轴；YT与XT和ZT垂直，为符合右手法则的坐标轴；T 为塔筒每个横截面的中心原点；FXT、FYT、FZT为塔筒所受载荷沿相应坐标轴的分力；MXT、MYT、MZT为塔筒所受载荷沿相应坐标轴的弯矩。

图1 坐标系

3 材料性能

材料性能见表1[2]。

表1 材料性能

4 塔筒载荷

塔筒载荷根据某款机型的工况，应用专业风力机塔筒设计软件计算得到，计算过程不再详述。塔筒各截面载荷见表2。

5 塔筒计算

5.1 稳定性屈曲校核

塔筒设计通常需要进行塔筒极限强度校核、稳定性屈曲校核和疲劳强度校核。由于此机型塔筒的极限强度和疲劳强度具有较大的安全余量，因此笔者仅进行稳定性屈曲校核。

表2 塔筒各截面载荷

稳定性屈曲校核主要用于校核塔筒在极限载荷下的稳定性及确定结构失稳的临界载荷。笔者对塔筒进行屈曲校核的方法主要依据文献[3]，并应用专业风力机塔筒设计软件进行计算。

屈曲抵抗应力特征值基本计算公式如下：

式中：σx，Rk为壳体纵向屈曲抵抗应力特征值，MPa；χx为屈曲缩减因数；fyk为材料屈服强度，MPa；λx为外壳纵向屈曲细长比；λx0为纵向挤压极限细长比；λxP为纵向塑性极限细长比；σx，Rcr为壳体纵向屈曲抵抗应力临界值，MPa；α为弹性缺陷折减因数；β为塑性范围因数；σθ,Rk为壳体环向屈曲抵抗应力特征值，MPa；χθ为屈曲缩减因数；λθ为外壳环向屈曲细长比；λθ0为环向挤压极限细长比；λθP为环向塑性极限细长比；σθ,Rcr为壳体环向屈曲抵抗应力临界值，MPa；τxθ,Rk为壳体屈曲抵抗切应力特征值，MPa；χτ为屈曲缩减因数；λτ为外壳剪切屈曲细长比；λτ0为剪切挤压极限细长比；λτP为剪切塑性极限细长比；τxθ,Rcr为壳体屈曲抵抗切应力临界值，MPa。

屈曲抵抗应力如下：

式中：σx,Rd为壳体纵向屈曲抵抗应力设计值，MPa；γM1为分项安全因数；σθ,Rd为壳体环向屈曲抵抗应力设计值，MPa；τxθ,Rd为壳体屈曲抵抗切应力设计值，MPa。

应力评估如下：

式中：σx，Ed为壳体纵向应力设计值，MPa；σθ，Ed为壳体环向应力设计值，MPa；τxθ，Ed为壳体切应力设计值，MPa；kx、kθ、kτ、ki为屈曲作用因数。

5.2 计算结果

依据相同的极限载荷分别设计三款不同材质的塔筒，即钢板材料全为Q345的塔筒、仅底部两段为Q420的塔筒和钢板材料全为Q420的塔筒[4]。根据上述公式，从塔筒底部开始对截面编号，应用软件进行计算，结果见表3。

5.3 结果分析

为了更加直观体现三款不同塔筒的差别，将三款塔筒各塔节的壁厚和质量做横向比较，如图2和图3所示。可以明显看出，塔筒下半段的塔节壁厚和质量变化较大，越往上差距变小，最后趋于一致。这实际上是由于钢板壁厚的原因，壁厚较大的钢板受材料更换的影响较大[5]。

根据最新的市场价格，包含原材料采购、筒体生产和运输成本，Q345塔筒的价格约为9000元/t，Q420塔筒的价格约为9 500元/t。为了研究三款不同塔筒的经济性，进行横向比较，见表4。

表3 塔筒计算结果

图2 塔筒塔节壁厚曲线

图3 塔筒塔节质量曲线

表4 塔筒经济性比较

由表4可知：底部两段更换Q420钢板，可以节省6%质量的钢板，成本节约将近3%；整个塔筒全部更换Q420钢板，可以节省7.23%质量的钢板，成本节约2.09%。为了节省塔筒材料采购成本，在具体项目实施时可以采用全部更换为Q420钢板或者底部两段更换为Q420钢板。需要指出的是，从表4中可以发现，仅将底部两段更换为Q420钢板，成本节约更为显著。

6 加工工艺对比分析

塔筒筒节采用钢板卷圆以后拼焊而成，母材特性、焊接工艺等均会对焊接质量造成影响[6]。通常在焊接过程中对焊接性影响最大的是母材的含碳量，因此常将钢中含碳量作为判别钢材焊接性的主要标志，含碳量越高，其焊接性就越差[7]。合金元素对焊接性也将产生一定的影响，所以合金钢的焊接性比非合金钢差[8]。为了综合衡量母材中元素对焊接性的影响，引入了碳当量这个概念，根据GB/T 1591—2008《低合金高强度结构钢》，Q345和Q420的碳当量对比见表5[9]。

表5 碳当量对比

塔筒设计时所选用的钢板厚度通常都不超过63 mm，从表5可以看出，Q345与Q420碳当量是非常接近的，因此可以采用相同的焊接工艺施焊[10-12]。

7 结论

通过比较采用不同材质的三款塔筒，确认当塔筒受极限载荷影响时，可以采用整体将塔筒钢板材质由Q345换为Q420，也可以采用部分筒节由Q345换为Q420。无论采用何种方案，都不会增大塔筒的制造难度，最终方案取决于经济性对比分析，因此使用高强度钢板降低风力机塔筒成本是可行的。

[1]HAU E.Wind Turbines：Fundamentals，Technologies，Application，Economics[M].3 rd Edition.Berlin:Springer，2013:496-499.

[2]低合金高强度结构钢:GB/T 1591—2008[S].

[3]Design of Steel Structures-Part 1-6：Strength and Stability of Shell Structures:EN 1993-1-6:2007[S].

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