王 婷,梁 穎,雷 雯,胡 斌,呂 琴,2
(1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院,北京 100029;2.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,杭州 310018)
風(fēng)能是可再生能源[1-3],與傳統(tǒng)能源相比, 其具有清潔、資源豐富、分布范圍廣等特點(diǎn)。自2012年以來(lái),我國(guó)新增風(fēng)電裝機(jī)容量連續(xù)4年榮居世界第一,風(fēng)機(jī)塔筒是風(fēng)電機(jī)組的大型部件,其作用主要是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及吸收發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)[4]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于高聳結(jié)構(gòu),且長(zhǎng)期暴露于沙塵、降雨、積雪等惡劣的環(huán)境中,塔筒極易發(fā)生突發(fā)性倒塌事故,亦時(shí)有塔筒失穩(wěn)倒塌事故的報(bào)道[5-7]。據(jù)分析,塔筒失效倒塌的主要原因是局部應(yīng)力集中程度的不斷加深,故及時(shí)測(cè)量塔筒早期的應(yīng)力集中區(qū)對(duì)于提升塔筒的使用壽命具有重要意義。
風(fēng)機(jī)塔筒屬于大型結(jié)構(gòu)部件,為了模擬在役風(fēng)機(jī)塔筒的服役工況,筆者通過(guò)相似理論[8]設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)塔筒等比模型,然后采用與實(shí)體風(fēng)機(jī)材料相同的Q345E鋼和與實(shí)體風(fēng)機(jī)相同的加工方式搭建模型,同時(shí)通過(guò)力學(xué)相似原理完成受力載荷從實(shí)體到模型的簡(jiǎn)化,搭建了多通道協(xié)調(diào)加載試驗(yàn)平臺(tái),模擬塔筒在工作環(huán)境下受到的不同載荷,以分析其對(duì)塔筒表面應(yīng)力集中的影響。
考慮到風(fēng)機(jī)塔筒主體是鐵磁性Q345E鋼,磁記憶檢測(cè)能準(zhǔn)確檢測(cè)受載鐵磁構(gòu)件的應(yīng)力集中部位[9-14]。為探究不同工況對(duì)塔筒表面應(yīng)力集中的影響情況,筆者選擇金屬磁記憶檢測(cè)方法對(duì)塔筒表面進(jìn)行,開(kāi)展對(duì)塔筒構(gòu)件早期損傷的試驗(yàn),獲取不同影響因素下的磁記憶信號(hào)規(guī)律,為在役風(fēng)機(jī)塔筒的早期損傷檢測(cè)提供經(jīng)驗(yàn)。
目前塔筒大部分為上直下錐的結(jié)構(gòu),以國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力有限公司1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為參照物,通過(guò)相似理論等比例設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)塔筒模型,原型和模型高度比例為40…1,直徑比例為8…1。設(shè)計(jì)模型的高度和壁厚分別為1 600 mm和7 mm;采用塔筒常用材料Q345E鋼進(jìn)行加工,其抗拉強(qiáng)度為470630 MPa,屈服強(qiáng)度為345 MPa,伸長(zhǎng)率為22%。
為了對(duì)比不同缺口類型誘發(fā)早期損傷導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象,在兩個(gè)塔筒模型上分別預(yù)制了刻槽和平底孔兩種缺陷,刻槽長(zhǎng)為15 mm,寬為5 mm,平底孔直徑為15 mm。為了模擬塔筒的早期損傷,每個(gè)塔筒共預(yù)制了12處缺口,平均分布在與塔筒的頂部、中部和底部同一高度的圓周上,每個(gè)高度4個(gè)缺口的方位分別為塔筒的迎風(fēng)面、迎風(fēng)右側(cè)面、背風(fēng)面、背風(fēng)右側(cè)面。為保證整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的穩(wěn)定性,為塔筒模型設(shè)計(jì)了支撐底座,尺寸為1 000 mm×1 000 mm×50 mm(長(zhǎng)×寬×高),塔筒模型及底座的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 塔筒模型及底座的結(jié)構(gòu)示意
圖2為風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意及受力簡(jiǎn)化圖(圖中FXH為風(fēng)機(jī)所受的軸向推力;Wf為塔筒所受的風(fēng)載荷;G為塔筒所受的重力)。依據(jù)文獻(xiàn)[15]可知,塔筒主要承受風(fēng)載荷和重力載荷,重力載荷可被認(rèn)為是恒定值,風(fēng)載荷包括風(fēng)輪承受的水平推力以及塔筒承受的水平風(fēng)載荷兩種(以作用于風(fēng)輪上的水平推力為主)。在搭建載荷加載試驗(yàn)平臺(tái)時(shí),將整個(gè)模型受到的水平載荷簡(jiǎn)化為作用于風(fēng)輪中心的水平載荷。
圖2 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意及受力簡(jiǎn)化圖
塔筒工作的4種典型工況是切入風(fēng)速、額定風(fēng)速、切向風(fēng)速和極限風(fēng)速。通過(guò)相似理論計(jì)算不同風(fēng)速下塔筒受到的風(fēng)載荷和豎向載荷,結(jié)果如表1所示。
表1 不同風(fēng)速下試驗(yàn)塔筒的載荷計(jì)算結(jié)果
在試驗(yàn)室多通道協(xié)調(diào)加載平臺(tái)(見(jiàn)圖3)的輔助下,對(duì)塔筒試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行水平及豎直方向的勻速加載。水平加載工裝的設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)塔筒和加載裝置的配合,支撐架的作用是穩(wěn)定加載過(guò)程。為保證塔筒下端的穩(wěn)定,使用高強(qiáng)度的螺栓將塔筒底座固定于臺(tái)座上。
(1) 按照掃查路徑(見(jiàn)圖4)對(duì)平底孔缺陷進(jìn)行標(biāo)定,刻槽缺陷檢測(cè)路徑與之相同。
(2) 對(duì)塔筒構(gòu)件進(jìn)行退磁:使用手持型退磁器(型號(hào)為WLM-TB60)在塔筒構(gòu)件外表面沿水平和垂直地面的兩個(gè)方向進(jìn)行退磁,退磁區(qū)域覆蓋整個(gè)構(gòu)件。上述交流退磁法不會(huì)影響試件本身的機(jī)械性能[16]。
(3) 退磁后使用自行開(kāi)發(fā)的磁記憶檢測(cè)儀對(duì)構(gòu)件進(jìn)行掃查。檢測(cè)3個(gè)掃查路徑下的初始磁場(chǎng)信號(hào)并記錄數(shù)據(jù),為了確保信號(hào)的可靠性和穩(wěn)定性,試驗(yàn)過(guò)程中提離值恒定為2 mm,掃查步長(zhǎng)為1 mm,極限系數(shù)K為10[17-19]。
(4) 初始信號(hào)檢測(cè)完畢后,根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果設(shè)定模型載荷加載值。采用多通道協(xié)調(diào)加載設(shè)備對(duì)模型進(jìn)行加載,加載的豎向載荷為12.342 kN,水平載荷分別為0,8.79,9.59,10.51,31.44 kN(勻速加載)。
(5) 每一段加載需保壓15 min并實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)。
為了探究4種不同典型工況下早期損傷的磁記憶信號(hào)特征,將對(duì)不同載荷作用下的塔筒模型進(jìn)行磁記憶檢測(cè)試驗(yàn)。由于塔筒承受的主要水平載荷為作用在風(fēng)輪中心的水平推力,所以背風(fēng)面的缺陷受到的擠壓力最大,因此選取塔筒中部背風(fēng)面的預(yù)制平底孔缺陷進(jìn)行分析。磁記憶檢測(cè)是以地磁場(chǎng)為激勵(lì)源,檢測(cè)塔筒的磁場(chǎng)信號(hào)變化特征并不明顯,且會(huì)受一些非應(yīng)力造成的原始磁記憶信號(hào)影響,這些磁記憶信號(hào)不會(huì)隨著載荷的變化呈增大趨勢(shì),而是減小或者不變。根據(jù)塔筒構(gòu)件在不同載荷作用下的磁記憶檢測(cè)信號(hào)很容易區(qū)分出該類型的非應(yīng)力干擾信號(hào)。為了便于與后期加載后的磁記憶信號(hào)進(jìn)行對(duì)比,首先按掃查路徑方向?qū)λ矘?gòu)件進(jìn)行檢測(cè),獲取原始信號(hào),檢測(cè)結(jié)果如圖5中0 kN對(duì)應(yīng)的兩條曲線所示。分析圖5可知,在未施加載荷的狀態(tài)下,中間位置對(duì)應(yīng)的局部損傷區(qū)域的信號(hào)出現(xiàn)幅值波動(dòng),其他區(qū)域的信號(hào)平緩,表明退磁效果明顯;從整體看,隨著載荷的增加,中間位置即平底孔缺陷區(qū)域的切向和法向的磁記憶信號(hào)均有一定程度的波動(dòng),與損傷區(qū)域位置對(duì)應(yīng)。進(jìn)一步對(duì)信號(hào)幅值進(jìn)行分析,在切入風(fēng)速、額定風(fēng)速、切向風(fēng)速對(duì)應(yīng)的載荷作用下,信號(hào)幅度增加不明顯,應(yīng)力集中程度增加緩慢;當(dāng)加載至31.44 kN時(shí),平底孔缺陷對(duì)應(yīng)位置的磁記憶信號(hào)幅值變化最大。
圖5 不同載荷作用下切向及法向磁記憶信號(hào)
當(dāng)切入風(fēng)速、額定風(fēng)速、切向風(fēng)速對(duì)應(yīng)的載荷作用時(shí),法向磁記憶信號(hào)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為-80~-10 A·m-1,全為負(fù)值,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)。為了探尋應(yīng)力集中區(qū)域,對(duì)法向分量進(jìn)行一階求導(dǎo),得到法向分量的梯度值,結(jié)果如圖6所示。觀察法向分量的梯度值可以發(fā)現(xiàn),在法向分量梯度值出現(xiàn)極大值的位置處,切向分量也出現(xiàn)極大值,分別對(duì)應(yīng)載荷是8.79 kN和9.29 kN時(shí)的218 mm處,載荷是10.51 kN時(shí)的230 mm處,以及載荷是31.44 kN的222 mm處。由此可見(jiàn),當(dāng)法向分量不過(guò)零點(diǎn)時(shí),應(yīng)力集中位置可以通過(guò)漏磁場(chǎng)的切向分量、法向分量以及法向分量梯度值的極值來(lái)共同判斷。
圖6 磁記憶信號(hào)法向分量的梯度值
因?yàn)樵谝鬯补潭ㄔ诘孛嫔?,無(wú)法改變被檢對(duì)象的方向,所以需要研究和分析不同檢測(cè)角度下磁記憶信號(hào)的變化規(guī)律,以利于提高損傷信號(hào)的識(shí)別率和準(zhǔn)確率。選取背風(fēng)面中部的平底孔缺陷,以缺陷位置處為中心點(diǎn),劃分成4種角度進(jìn)行磁記憶檢測(cè)試驗(yàn),角度間隔為45°,路線分布如圖7所示。分別保持載荷大小為0,8.79,10.51,31.44 kN進(jìn)行檢測(cè)。
圖7 不同角度的檢測(cè)路徑示意
圖8(a)、(b)為塔筒模型在無(wú)加載狀態(tài)下,4條不同角度檢測(cè)路徑的磁記憶信號(hào)變化曲線。初始狀態(tài)下,對(duì)比4個(gè)角度的切向分量信號(hào),可以觀察到,0°,135°檢測(cè)路徑的切向分量信號(hào)較平坦、無(wú)波動(dòng),而45°,90°檢測(cè)路徑的切向分量信號(hào)出現(xiàn)明顯的波動(dòng),而由法向分量曲線可以觀察到90°檢測(cè)路徑的信號(hào)出現(xiàn)明顯的波動(dòng), 45°的波動(dòng)較小,0°和135°的則平坦無(wú)波動(dòng)。隨著載荷的增加,除了0°檢測(cè)路徑下的信號(hào)曲線仍舊保持平坦且無(wú)波動(dòng)特點(diǎn)外,其他3個(gè)角度的曲線,無(wú)論是切向還是法向,都可以觀察到波動(dòng)幅度增大的現(xiàn)象,這與大載荷作用下?lián)p傷位置應(yīng)力集中程度增加的事實(shí)相吻合,尤其是90°檢測(cè)路徑下的信號(hào)波動(dòng)變化比45°和135°下的波動(dòng)變化更為明顯。當(dāng)載荷為31.44 kN時(shí), 90°檢測(cè)路徑下的法向和切向磁記憶信號(hào)波動(dòng)是最大的,且變化非常明顯,對(duì)應(yīng)了極限工況導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中程度的劇增現(xiàn)象。因此,與0°掃查角度相比,45°,90°和135°掃查角度下獲取的信號(hào)更易觀察到應(yīng)力集中部位,是較佳的掃查角度,其中90°掃查路徑獲取的信號(hào)不論是切向還是法向都表現(xiàn)出波動(dòng)增大的特點(diǎn),因而是最佳的掃查角度。
圖8 不同載荷、不同檢測(cè)角度時(shí)的磁記憶信號(hào)變化曲線
為了觀察不同類型的缺陷在檢測(cè)時(shí)呈現(xiàn)出來(lái)的信號(hào)差異,選取信號(hào)變化特征最明顯的背風(fēng)側(cè)頂部位置進(jìn)行檢測(cè),分別比較兩種缺陷在0,8.79,10.51,31.44 kN 4種載荷作用下的磁記憶信號(hào)切向分量的變化特征(見(jiàn)圖9)。
圖9 刻槽與平底孔磁記憶信號(hào)切向分量的變化曲線
觀察圖9中的磁記憶信號(hào)可以發(fā)現(xiàn),兩種缺陷的磁記憶信號(hào)波動(dòng)程度都隨著載荷強(qiáng)度的增大而增大。這一現(xiàn)象側(cè)面證實(shí)了所受載荷強(qiáng)度增大時(shí),缺陷處局部應(yīng)力集中程度增大;當(dāng)載荷為0 kN時(shí),平底孔的信號(hào)波動(dòng)約為11 A·m-1,而刻槽的信號(hào)波動(dòng)約為28 A·m-1,刻槽的信號(hào)波動(dòng)幅值較平底孔的大,這與通常情況下溝槽式缺陷比圓孔式缺陷更易造成應(yīng)力集中的現(xiàn)象一致;隨構(gòu)件所受載荷的逐漸增大,平底孔缺陷的信號(hào)波動(dòng)幅度也增大,從11 A·m-1增大到62 A·m-1,而刻槽缺陷的信號(hào)波動(dòng)變化值僅從28 A·m-1增大到31 A·m-1。從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看,用磁記憶方法檢測(cè)兩種缺陷,當(dāng)構(gòu)件所受載荷變化時(shí),平底孔的信號(hào)變化更易被識(shí)別。
(1) 當(dāng)法向分量不過(guò)零點(diǎn)時(shí),應(yīng)力集中位置可以通過(guò)漏磁場(chǎng)切向分量、法向分量以及法向分量的梯度值來(lái)共同判斷。
(2) 使用磁記憶檢測(cè)方法檢測(cè)風(fēng)機(jī)塔筒時(shí),檢測(cè)路徑與塔筒軸線方向垂直時(shí)的檢測(cè)效果最佳,能較為準(zhǔn)確地表征出應(yīng)力集中位置;與軸向方向成45°角的掃查路徑次之,與軸向平行的掃查路徑檢測(cè)效果最差。
(3) 當(dāng)沒(méi)有載荷作用或承受載荷較小時(shí),刻槽磁記憶信號(hào)的幅值變化大于平底孔信號(hào)的幅值變化,這是由于刻槽處的應(yīng)力集中更加明顯。當(dāng)構(gòu)件所受載荷較大時(shí),平底孔的信號(hào)變化更易被識(shí)別。