CN101406992A - 加强焊接接头的方法、塔架的元件、塔架和风力涡轮机 - Google Patents

加强焊接接头的方法、塔架的元件、塔架和风力涡轮机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种加强焊接接头的方法、风力涡轮机塔架的元件、塔架和风力涡轮机。在该方法中，焊接接头将一个部件(30)的至少两部分(33，34)或将第一部件(6)的至少一部分(4)和第二部件(7)的至少一部分(5)彼此连接起来，其中通过从至少一个焊缝(2，3)除去焊接材料(8)，以及通过从至少一个部件(6，7，30)的至少一部分(4，5)上除去毗连至少一个焊缝(2，3)的材料，来逐一改变至少一个焊缝(2，3)的几何形状和至少一个部件(6，7，30)的至少一部分(4，5)的几何形状，这里至少一部分(4，5)毗连至少一个焊缝(2，3)。

Description

加强焊接接头的方法、塔架的元件、塔架和风力涡轮机
技术领域
本发明涉及一种用于加强焊接接头(包括焊缝)和/或用于相对于疲劳载荷提高焊接接头耐受性的方法。本发明还涉及一种用于风力涡轮机塔架的元件、一种风力涡轮机的塔架和一种风力涡轮机。
背景技术
风力涡轮机的塔架通常包括多个中空的圆柱形元件，这些元件被焊接在一起构成了两端具有凸缘的塔架的一个节段。数个这样的节段用螺栓固定在一起构成塔架。每个这样的圆柱形元件都由钢板制成。每个钢板都被切割成需要的长度和宽度。接下来轧制钢板，以形成具有在轧制过的钢板两端之间的缝隙的中空圆柱形元件。最后将所述两端焊接起来以封闭中空的圆柱形元件。然后将数个这样的中空圆柱形元件焊接起来构造成如上所述的风力涡轮机的塔架的节段。通常，对中空圆柱形元件的内部和外部都要进行焊接。因此每个焊接接头都包括内部的焊缝和外部的焊缝。通常具有基本垂直延伸的焊接接头或焊缝以及基本水平延伸的焊接接头或焊缝，其中每个垂直延伸的焊接接头或焊缝封闭中空圆柱形元件，而每个水平延伸的焊接接头或焊缝连接两个中空的圆柱形元件。
原则上，风力涡轮机塔架的尺寸是根据两个因素确定的。其中一个因素是塔架必须具有一定的强度，另一个因素是塔架必须承受一定的疲劳载荷。这两个主要因素是用于确定塔架不同部件尺寸的相关因素。
在本文中，焊接接头，特别是中空圆柱形元件之间的焊缝是最相关的。通常与中空圆柱形元件的平板部分相比，焊缝对疲劳载荷和/或应力载荷的耐受性较差。因此当风力涡轮机的塔架直立起来时，水平延伸的焊缝会承受更高的载荷。因而焊缝是最不牢固的环节，且这些焊缝与尺寸相关。特别是焊缝的疲劳载荷，通常是用于确定塔架尺寸的相关因素。因此通常是按照较弱的焊缝来确定中空圆柱形元件的平板部分的尺寸。因而通常需要板材较厚以便提供较强的焊缝。目前所采用的板厚约为70mm-80mm。在制造用于风力涡轮机塔架的中空圆柱形元件时，由于能够处理厚板的轧辊并不普遍，因此80mm是这一类型的极限。另外需要更多的钢材来制造中空圆柱形元件和塔架。
通过增大中空圆柱形元件的直径以及由此增大塔架的直径，来获得具有不变的板厚或者所述中空圆柱形元件的板材较厚的、具有较高强度的风力涡轮机塔架。但是因为塔架必须要经过运输(例如在公路上运输)，所以直径的上限值通常为约4.5m。板材越厚，塔架的强度就能够再度增强。
因此本发明的目的是提供一种如前所述的方法，通过该方法，焊接接头的强度能够提高并且/或者焊接接头相对于疲劳载荷的耐受性能够增加。本发明进一步的目的是提供一种用于风力涡轮机塔架的相应的元件，相应的风力涡轮机的塔架以及相应的风力涡轮机。
发明内容
本发明的第一目的通过一种用于加强包括至少一个焊缝的焊接接头和/或用于相对于疲劳载荷提高焊接接头耐受性的方法来实现，所述焊接接头将一个部件的至少两部分或将第一部件的至少一部分和第二部件的至少一部分彼此连接起来，其中通过以规定的方式从至少一个焊缝除去焊接材料，以及通过从至少一个部件的至少一部分上除去毗连至少一个焊缝的材料，来逐一改变至少一个焊缝的几何形状、外形或形态和至少一个部件的至少一部分的几何形状、外形或形态，这里所述至少一部分毗连至少一个焊缝。发明人已经认识到焊接接头的高灵敏度，特别是焊缝对疲劳载荷的高灵敏度是基于焊缝的切口效应。由于切口效应，疲劳导致的裂纹通常出现在靠近表面处的、位于部件或部件的一部分和焊缝的焊接材料之间的熔化带或熔合线处。在静载荷或动载荷的作用下，这些裂纹导致焊缝损坏。发明人进一步认识到，当焊接接头的几何形状改变时，焊接接头特别是焊缝的强度以及/或者焊接接头特别是焊缝相对于疲劳载荷的耐受性能够增加。如此照例分别形成焊接接头和焊缝，其中一个部件(例如风力涡轮机塔架的中空圆柱形元件)的两部分，或者两个或多个部件(例如风力涡轮机塔架的两个中空圆柱形元件)的两部分焊接在一起。之后以下面限定的方式逐一改变所形成焊缝的几何形状，以及另外改变至少一个部件的至少一部分的几何形状，这里所述至少一部分毗连至少一个焊缝，所述方式即除去焊缝的特定部分和/或焊缝的特定或少量的焊接材料，以及从焊缝的外表面开始除去至少一个部件的至少一部分的材料。
通常沿着焊接接头或焊缝，优选沿着整个焊接接头或焊缝，以基本相同的方式改变焊接接头、焊缝和至少一个部件的至少一部分的几何形状。根据如上所述，沿着焊接接头或焊缝的横截面基本相同。如此焊接接头不会被削弱，但是其几何形状改变了。这种改变了的焊接接头和焊缝与未经改变的焊接接头或焊缝相比，相应地能够承受更高的载荷，特别是疲劳载荷。因此通过改变焊接接头的几何形状，能够增加包括焊缝的整个焊接接头的强度。
在本发明的一个变例中，包含焊接材料的至少一个焊缝在所有情况下都毗连所述部件的一部分的连接区域，该连接区域在焊接过程中至少局部受到热载荷。
根据本发明的另一变例，至少一个焊缝的焊接材料以及在至少一个部件的连接区域中，与至少一个部件至少一部分上的与至少一个焊缝相毗连的材料被除去。或者至少一个焊缝的焊接材料以及在至少一个部件的连接区域的内外部中，与至少一个部件至少一部分上的与至少一个焊缝相毗连的材料被除去。
在本发明的一实施例中，除去材料优选指在至少一个焊缝和至少一个部件的至少一部分上形成小沟槽，这里所述部分毗连至少一个焊缝。通常焊缝和所述一个或两个部件的与焊缝毗连的两部分都包括所形成的沟槽。
根据本发明的一个变例，所述沟槽为U形、V形和/或凹槽形。在本发明的一实施例中，所述沟槽的深度为0.2mm至5mm，优选为0.5mm至2mm，以及/或者宽度为2mm至40mm，或超过40mm，优选为10mm至20mm，以及/或者弧长为2mm至45mm，或超过45mm，优选为10mm至25mm。
按照本发明的另一实施例，所述焊接接头包括I形对焊接头、V形对焊接头、X形对焊接头或角焊缝。
按照本发明的又一变例，所述沟槽是用手工或机械制造而成。所述沟槽能够通过使用研磨机或磨床研磨和/或磨削制造而成。沟槽优选通过研磨制造而成。
本发明另一个目的通过提供一种用于风力涡轮机塔架的元件而实现，该元件包括焊接接头，所述焊接接头包括将元件的两部分相互焊接在一起的至少一个焊缝，其中所述焊接接头是按照前述方法修改的。因此通常基本垂直延伸的焊接接头的几何形状是由下面限定的方式逐一修改的，即从至少一个焊缝除去焊接材料，以及从至少一个部件的至少一部分上除去材料，这里所述至少一部分上的材料毗连至少一个焊缝。
所述元件优选是由板件制造而成的圆柱形管状件，其中所述板件具有焊接在一起的两个端部。
本发明的又一目的是通过提供一种风力涡轮机的塔架来实现，所述塔架包括通过至少一个基本水平延伸的、包括至少一个焊缝的焊接接头而彼此连接在一起的至少两个中空圆筒形或圆柱形管状元件，其中该焊接接头是按照前述方法修改的。
附图说明
下面将参照附图对本发明进行更详细的说明，其中：
图1示出了传统的焊接接头，
图2，3示出了按照本发明的焊接接头，
图4示出了不同的焊接接头的疲劳试验的结果，
图5示出了用于风力涡轮机塔架的元件，
图6示出了焊接在一起的按照图5所示的两个元件，以及
图7示出了一种风力涡轮机。
具体实施方式
图1示意性示出了传统的焊接接头，其包括X形对焊接头1。X形对焊接头1包含两个焊缝2，3，其中一个为第一V形对焊接头2的形式，另一个为彼此相对设置的第二V形对焊接头3的形式。该焊接接头将钢制的板式第一部件6的一部分4和钢制的板式第二部件7的一部分5连接起来。
包含焊接材料8的第一焊缝2毗连着第一板件6的一部分4的第一连接区域9，并且毗连着第二板件7的一部分5的第一连接区域10。包含焊接材料8的第二焊缝3毗连着第一板件6的一部分4的第二连接区域11，并且毗连着第二板件7的一部分5的第二连接区域12。虚线标记的连接区域9-12是第一和第二板件6，7的所述部分4，5的上述区域，这些区域在焊接过程中至少局部承受负载和/或受到加热的影响。
第一焊缝2和第二焊缝3包括在焊接之后形成的焊接材料8的略微凸起的部分13，14。这是焊缝的正常结构。由于切口效应，这种焊缝特别是对疲劳载荷有相对较高的灵敏度。在本文中，疲劳导致的裂纹出现在板材6，7的所述部分4，5和焊缝2，3的焊接材料8之间的熔化带15或熔合线15处。在静载荷或动载荷的作用下这些裂纹将导致焊缝2，3损坏。
因此按照本发明来修改焊接接头的几何结构、形式或形状。在图2所示的本实施例中，通过从每个焊缝2，3中除去焊接材料8，来逐一修改第一焊缝2的几何形状和第二焊缝3的几何形状。此外，通过除去板件6，7的连接区域9，10，和11，12中的板件6，7的所述部分4，5的材料，来逐一修改两个板件6，7的所述部分4，5(所述部分4，5毗连着第一和第二焊缝2，3)的几何形状，其中板件6，7的材料分别毗连第一焊缝2和第二焊缝3。
在本发明该实施例的这种情形下，焊接材料8和板件6，7的材料的去除是指在第一和第二焊缝2，3开沟槽以及在板件6，7的所述部分4，5上部分地开沟槽。可以手动或自动开沟槽。但是用手工磨掉焊接材料和板件材料是困难的，是带有危险性的劳动密集型工作，并且质量也会变化。因此优选采用研磨机和/或磨床开沟槽。在本实施例的情况下，制造的沟槽为U形沟槽16，17。通过以所描述的方式改变焊缝2，3和板件6，7的所述部分4，5的几何形状，能够提高焊缝接头的强度。
图3示出了具有可选形式的沟槽的焊缝2，3和所述部分4，5。在本发明的该实施例的情形下，所述沟槽为凹槽形沟道18，19。通过形成这种凹槽形沟道18，19，除去了第一和第二焊缝2，3的焊接材料8以及位于板件6，7连接区域9-12内部和外部中的板件6，7所述部分4，5的材料。
图4示意性示出了对包含不同焊接接头的多对焊接在一起的板件进行疲劳试验的结果。X轴表示以对数刻度(logarithmic scale)标注的载荷周期的次数，Y轴表示以对数刻度(logarithmic scale)标注的应力范围。对成对的板材进行疲劳试验，所述成对的板材具有如图1所示的焊接接头，因此所述焊接接头的几何形状没有改变。在图4中每个试验结果由小三角形表示。具有这类焊接接头的焊接板材的平均性能由图4中的曲线20表示。曲线21表示相应的标准偏差的行程。此外，还对具有如图2或图3所示焊接接头的成对板材或对具有带制得沟槽的焊接接头的成对板材进行了疲劳试验，所述沟槽具有其它的几何形状。从板件表面测量分别得到的沟槽深度可以在0.5mm至2mm之间改变，沟槽的宽度可以在10mm至20mm之间改变，沟槽的弧长分别可以在10mm至20mm之间改变。分别对不同深度、宽度和弧长的组合进行试验。每个试验结果由图4中的小方形、菱形、圆形、加号、减号等表示，其中每一种小符号都表示沟槽深度、宽度或弧长的一种组合。在图4中具有这类焊接接头(所述接头具有经过修改的几何形状)的焊接板的平均性能由曲线22表示。如从图4中能够看到的，曲线22明显位于比曲线20高的位置，这表明具有经过改变的几何形状的焊接接头与具有未更改几何形状的焊接接头相比，能够承受更高的疲劳载荷。曲线23表示相应的标准偏差的行程。
此外还发现，实际上沟槽的深度和宽度、或者深度和弧长、或者深度和半径的所有的不同组合都显示出基本相同的结果：即改变了几何形状的焊接接头具有增大了的抵抗疲劳载荷的阻力。虽然具有传统焊接接头的焊接板对几乎总是在熔化带或熔合线处破裂，但具有改变了几何形状的焊接接头的焊接板对则表现出更加分散的破裂。甚至一些裂纹出现在受焊接影响地带之外的板中。这表明在改变了焊接接头的几何形状后，焊接接头能够承受与板件相同的应力。
此外从图4中分别对应于曲线20和曲线22上的单个试验结果的分布能够看出，具有改变了几何形状的焊接接头的焊接板的性能变化较少(例如曲线21和23)。这很可能是因为传统焊接接头的熔化带或熔合线的几何形状的变化较小。利用磨削和/或研磨工艺改变焊接接头的几何形状，使得焊接接头的几何形状更加一致，因此不会出现(几何形状)变化较小的情况。
图5示意性示出了用于风力涡轮机塔架的元件30。具有一定长度和一定宽度的板件31经过轧制形成如图5所示的圆柱形的管状元件30。通过X形对焊接头35，使轧制和成形板材31后出现在元件30两端部33，34之间的遗留缝隙32闭合。该X形对焊接头35与图2中所示的X形对焊接头一致，因此带有元件内侧焊缝和外侧焊缝的基本垂直延伸的焊接接头具有通过研磨和/或磨削而形成的改变了的几何形状。这样的多个元件30被组装成风力涡轮机塔架的至少一部分或一个节段。
图6示出了将按照图5所示的两个元件30焊接在一起以用于装配风力涡轮机塔架的至少一个节段。由此两个元件30上下叠置在一起并通过X形对焊接头36将其内部和外部焊接在一起。该X形对焊接头36与X形对焊接头35和图2中所示对焊接头相一致，因此带有塔架节段内侧焊缝和外侧焊缝的基本水平延伸的焊接接头具有通过研磨和/或磨削而形成的改变了的几何形状。
这样能够组装如图7所示的风力涡轮机41塔架40的至少一个节段。
采用所述具有创造性的用于加强焊接接头，特别是用于加强塔架元件的焊接接头的方法，一方面能够减少用于形成和制造元件的板件的厚度，因此能够节省材料，降低费用。按照对这方面最初的粗略调查，材料减少13％至20％似乎是可行的。由于塔架通常具有超过200吨的惯性，因此减少5％的材料意味着按
Figure A20081017692300101
钢材计算材料成本将减少
Figure A20081017692300102
另一方面能够组装较大型的塔架。相对于破裂状态较小的偏差意味着能够设计具有狭窄边缘的塔架。
此外本发明能够延长钢制塔架的寿命。
如上所述的焊接接头包括X形对焊接头。但本发明还涉及包括I形对焊接头、V形对焊接头或角焊缝的焊接接头。

Claims (14)

1、一种用于加强包括至少一个焊缝(2，3)的焊接接头和/或用于相对于疲劳载荷提高焊接接头耐受性的方法，所述焊接接头将一个部件(30)的至少两部分(33，34)或将第一部件(6)的至少一部分(4)和第二部件(7)的至少一部分(5)彼此连接起来，其中通过从至少一个焊缝(2，3)除去焊接材料(8)，以及通过从至少一个部件(6，7，30)的至少一部分(4，5)上除去毗连至少一个焊缝(2，3)的材料，来逐一改变至少一个焊缝(2，3)的几何形状和至少一个部件(6，7，30)的至少一部分(4，5)的几何形状，这里所述至少一部分(4，5)毗连至少一个焊缝(2，3)。
2、根据权利要求1所述的方法，其中包含焊接材料(8)的所述至少一个焊缝(2，3)在所有情况下都毗连所述部件(6，7，30)的一部分(4，5)的连接区域(9-12)，该连接区域在焊接过程中至少局部受到热载荷。
3、根据权利要求2所述的方法，其中至少一个焊缝(2，3)的焊接材料(8)以及在至少一个部件(6，7，30)的所述连接区域(9-12)中，与至少一个部件(6，7，30)至少一部分(4，5)上的与至少一个焊缝(2，3)相毗连的材料被除去。
4、根据权利要求2或3所述的方法，其中至少一个焊缝(2，3)的焊接材料(8)以及在至少一个部件(6，7，30)的所述连接区域(9-12)的内外部中，与至少一个部件(6，7，30)至少一部分(4，5)上的与至少一个焊缝(2，3)相毗连的材料被除去。
5、根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中除去材料是指在至少一个焊缝(2，3)和至少一个部件(6，7，30)的至少一部分(4，5)上形成沟槽(16-19)，这里所述部分(4，5)毗连至少一个焊缝(2，3)。
6、根据权利要求5所述的方法，其中所述沟槽为U形(16，17)、V形和/或凹槽形(18，19)。
7、根据权利要求5或6所述的方法，其中所述沟槽的深度为0.2mm至5mm，和/或宽度为2mm至40mm，和/或弧长为2至45mm。
8、根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中所述焊接接头包括I形对焊接头、V形对焊接头、X形对焊接头(1)或角焊缝。
9、根据权利要求5-8中任一项所述的方法，其中所述沟槽(16-19)是用手工或机械制造而成。
10、根据权利要求5-9中任一项所述的方法，其中所述沟槽(16-19)是通过研磨和/或磨削制造而成。
11、一种用于风力涡轮机塔架的元件，该元件包括焊接接头，所述焊接接头包括将元件(30)的两部分(33，34)相互焊接在一起的至少一个焊缝，其中所述焊接接头是按照权利要求1-10中的方法修改的。
12、根据权利要求11所述的元件，它是由板件(31)制造而成的圆柱形管状件，其中所述板件具有焊接在一起的两个端部(33，34)。
13、一种风力涡轮机的塔架，包括通过至少一个基本水平延伸的焊接接头而彼此连接在一起的至少两个元件(30)，所述焊接接头包括至少一个焊缝，其中该焊接接头是按照权利要求1-10中的方法修改的。
14、一种风力涡轮机，其包含根据权利要求13所述的塔架。
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