《高强钢风电塔筒非承载附属件焊接结构疲劳性能评价方法》

ICS91.040

CCSE487

团体标准

T/CI—2024

高强钢风电塔筒非承载附属件焊接结构

疲劳性能评价方法

Evaluationmethodoffatigueperformanceofweldedstructureofhigh-strengthsteelwind

turbinetoweraccessories

（征求意见稿）

2024-XX-XX发布2024-XX-XX实施

中国国际科技促进会发布

高强钢风电塔筒非承载附属件焊接结构疲劳性能评价方法

1范围

本文件规定了高强钢风电塔筒非承载附属件焊接结构疲劳性能评价方法，也可用于普

碳钢的相关评价。

本文件适用于空气环境下大型风电塔筒非承载附属件结构疲劳设计值的确定以及高

强钢材料的选择和比对，通过在选材、供应商资质评审或投标阶段非承载附属件焊接结构

疲劳性能评价，为业主选择结构钢材料和供应商提供重要参考。如果涉及到海上风电项目，

需要结合用户端需求与海洋腐蚀环境另行评价。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本

适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

GB/T1591低合金高强度结构钢

GB/T28410风力发电塔用结构钢板

GB/T5313厚度方向性能钢板

GB/T19072风力发电机组塔架

GB/T3375焊接术语

GB50661钢结构焊接规范

GB/T12467.1金属材料熔焊质量要求.第1部分质量要求相应等级的选择准则

GB/T12467.2金属材料熔焊质量要求.第2部分完整质量要求

GB/T12467.3金属材料熔焊质量要求.第3部分一般质量要求

GB/T12467.4金属材料熔焊质量要求.第4部分基本质量要求

GB/T12467.5金属材料熔焊质量要求.第5部分满足质量要求应依据的标准文件

JB/T10045热切割质量和几何技术规范

GB/T8110熔化极气体保护电弧焊用非合金钢及细晶粒钢实心焊丝

GB/T39281气体保护电弧焊用高强钢实心焊丝

GB/T10045非合金钢及细晶粒钢药芯焊丝

2

GB/T36233高强钢药芯焊丝

NB/T47014承压设备焊接工艺评定

NB/T47015压力容器焊接规程

ISO15614-1金属材料焊接工艺规程及评定焊接工艺评定试验第一部分：钢的电弧

焊和气焊、镍及镍合金的电弧焊

ISO15609-1金属材料焊接工艺规程和评定焊接工艺规程第一部分：电弧焊

GB/T3075金属材料疲劳试验轴向力控制方法

ISO1099金属材料疲劳试验轴向力控制方法

IIW-2259-15：Recommendationsforfatiguedesignofweldedjointsand

components

DNV-RP-C203Fatiguedesignofoffshoresteelstructures

3术语和定义

GB/T3375确立规定的以及下列术语和定义适用于本标准：

3.1

业主Owner

工程的主管单位或建设单位，或由其委托并授权的单位或代表。

3.2

钢材供应商Supplier

风电塔架主体结构用高强钢生产和供应单位。

3.3

必须Shall

表示一种强制性要求的术语，是达到某种特定目的或满足某种特定要求的必要条件。

3.4

高强钢Highstrengthsteel

根据风电塔架行业特点与使用习惯，特指规定最低屈服强度级别达到420MPa及以上

的结构钢，供货状态包括正火、正火轧制、控轧控冷(TMCP)等。

3.5

风电塔筒Windturbinestowertube

3

特指风电塔架中应用一定规格的高强钢板经过卷制成型、纵焊缝焊接形成的锥筒形或

圆筒形部件，是风塔中的主要承载结构。

3.6

非承载附属件Nonloadbearingattachment

用于管路固定、检修与装饰目的而通过周向角焊缝焊接于风电塔筒主体结构上的小型

试件或试块，主要有矩形板状和中心开孔圆柱形两种基本结构形式，也可以根据需要由两

种基本结构形式演化成其他结构形式。

3.7

母材底板Bsaemetalbacking

在设计的进行疲劳性能评价的附属件焊接结构中，用于模拟风塔主体结构的高强钢母

材。母材底板是疲劳性能评价试验中的主要承载部件，通过周向角焊缝与非承载附属件连

接，在传递载荷过程中，周向角焊缝引起的应力集中作用会降低其疲劳等级。

3.8

附属件角焊缝Filletweldoftheattachment

将附属件与塔筒主体结构母材连接起来的非熔透周向角焊缝，在实际服役以及疲劳评

价试验加载过程中，附属件角焊缝本身不承载，但起到传递载荷的作用，并由于传递载荷

方向的应力集中作用降低塔筒主体结构母材的疲劳等级。

3.9

焊接适应性Weldability

基于特定材料和焊接工艺方法的焊接过程中形成质量与性能良好的焊接接头的能力，

这里特指从动载疲劳性能的维度出发，高强钢风塔筒体(母材底板)焊接非承载附属件的适

应能力。

3.10

焊接工艺指导书Proposedweldingprocedurespecification

按照工程项目要求，根据已有的焊接试验结果或工程经验编制的可用于材料焊接适应

性评价的焊接工艺指导性文件。

3.11

焊接工艺规程Weldingprocedurespecification

基于焊接工艺指导书、经过评价合格的可用于材料焊接适应性评价的一整套详细的焊

接技术规定和程序。

4

3.12

重要变量Essentialvariables

特指某一重要的条件或因素，当其发生变化时，会对已经评价合格的材料焊接适应性

结果产生重要影响，并需要重新按照标准要求进行焊接适应性评价。

3.13

高周疲劳性能Highcyclefatigueperformance

材料或焊接结构在一定的循环交变动载荷作用下，在不发生局部宏观塑性变形前提下

的疲劳寿命。这里特指高强钢附属件焊接结构系列应力水平高周疲劳性能评价试验时得到

的系列条件疲劳寿命。

3.14

疲劳强度特征值Detailedcategaryfatiguestrength

基于固定斜率的高周疲劳S-N曲线、疲劳循环次数为2*106次时对应的疲劳应力范围

值。

4代号和缩略语

本文件出现的代号和缩略语规定如下：

PWPS：焊接工艺指导书

WPS：焊接工艺规程

SMAW：手工焊条电弧焊

GMAW：实心焊丝熔化极气体保护半自动焊

FCAW-G：药芯焊丝熔化极气体保护半自动焊

TIG：手工钨极氩弧焊

FAT：疲劳强度特征值

σmax：动载疲劳最高应力值

σmin：动载疲劳最低应力值

∆σ：动载疲劳应力范围值，∆σ=σmax-σmin

N：特定疲劳载荷条件下循环次数(条件疲劳寿命)

5模拟高强钢风塔非承载附属件焊接结构型式设计

5.1在实际服役状态的风塔结构中，附属件角焊缝不直接承受正向载荷，仅起到传递载荷

的作用。附属件角焊缝的存在引起了局部应力集中，从而降低了风塔结构母材的整体疲劳

5

等级。所以，针对高强钢风塔非承载附属件焊接结构疲劳性能的评价，实际上是对风塔筒

体高强钢母材在附属件周向角焊缝应力集中作用影响下的疲劳性能评价。

5.2应用待评价的高强钢母材作为底板，厚度为25mm。

5.3采用不区分钢级的具有代表性的矩形板状附属件(长度为50mm)，宽度为12~16mm，平

行试验段母材地板宽度为80mm，如图1所示。根据疲劳试验需要，可以保留夹持段宽度

100~120mm。附属件具体形式由业主、设计方或主机供应商根据项目需求决定。

5.4在进行附属件焊接结构型式设计时，既要考虑带有非承载附属件的风塔结构现场服役

的代表性，又要考虑常用的高频疲劳试验机加载能力。

5.5为了保证在后续的动载疲劳试验过程中不发生与母材底板截面或边缘尖锐棱角相关

的疲劳失效，母材底板两截面粗糙度≤Ra3.2，边缘棱角进行适当打磨，并基本实现圆滑过

渡。

图1模拟高强钢风塔矩形板状附属件焊接结构型式设计

1、高强钢母材底板；2、矩形板状附属件；3、附属件周向角焊缝

6附属件结构的焊接

6.1为了进行模拟高强钢风塔非承载附属件焊接结构疲劳性能评价，需要针对图1设计的

结构型式，首先完成附属件周向角焊缝的焊接。

6

6.2在进行附属件周向角焊缝焊接前，钢材供应商需要结合风电塔筒附属件现场制造焊接

实际条件与自身经验，编制完成模拟高强钢风塔非承载附属件结构周向角焊缝焊接工艺指

导书(PWPS)，并提交业主或权威第三方审核批准，只有该PWPS经过审核批准后，方可开

始附属件周向角焊缝的焊接试验。

6.3当周向角焊缝质量良好、且经过后续附属件焊接结构疲劳性能评价并得到业主或权威

第三方认可后，PWPS上升为焊接工艺规程(WPS)，并作为高强钢风电塔筒非承载附属件焊

接结构疲劳性能评价报告的一部分提交业主。

6.4PWPS和WPS应包含以下内容：

a)高强钢母材底板信息包括来源、最终状态、强度级别、厚度、主要化学成分、碳当

量(Ceq)与冷裂纹敏感指数(Pcm)、实际的力学性能(屈服强度、抗拉强度、延伸率、低温冲击

韧性、维氏硬度等)

b)非承载附属件信息包括附属件种类(矩形板状或中心开孔圆柱形)、附属件材料最

终状态、强度级别、厚度

c)附属件焊接结构型式设计包括模拟高强钢风塔非承载附属件结构型式、具体尺寸、

焊道布置等，提供详细的接头型式图

d)焊接方法结合风电塔筒非承载附属件现场制造焊接特点，模拟高强钢风塔附属件

结构焊接方法选用药芯焊丝半自动焊GMAW

e)焊接材料包括手工电焊条、气体保护实心焊丝、气体保护药芯焊丝、钨极氩弧焊

丝、保护气体等，并提供对应焊接材料的型号(AWS或GB标准型号分类)、牌号(厂家和商

标)、炉批号、规格等

f)焊接位置与焊接方向结合风电塔筒非承载附属件现场制造焊接特点，焊接位置为

平焊，焊接方向为周向焊接，可以采用周向连续焊接，也可以采用附属件侧向中断焊接后、

重新起弧对称焊接，起弧和收弧位置尽可能不在附属件正向

g)焊接环境包括环境温度、湿度和风速

h)电流种类与极性电流种类是指焊接电源的输出电流特征，包括直流和交流两种。

在直流输出特征情况下，包括焊丝直流正接(DCEP)和直流反接(DCEN)两种接线方式。电流

种类与极性的选择需要明确

i)焊接电源厂家与型号提供焊接电源厂家与型号，对于多功能焊接装备，需要明确

具体的焊接模式

7

j)焊接准备工作明确附属件与母材底板接触的底部、周向焊接区域及其附近清理方

法和范围

k)预热、后热与焊后热处理明确是否需要焊前预热、后热与焊后热处理，如有，规定

所采用的预热、后热与焊后热处理制度

l)焊接工艺参数结合风电塔筒非承载附属件现场制造焊接特点，明确焊接电流、焊

接电压、焊接速度、焊接热输入范围、保护气体流量等

m)焊后清理规定焊后周向角焊缝两侧焊接飞溅物的清理方法，保证不破坏焊道原始

形貌

n)焊后变形控制监控焊后模拟高强钢风塔附属件焊接结构长度方向变形角度，如果

超过3°，需要在焊接过程中采取适当的控制措施，包括但不仅限于降低焊接热输入、背

面采用铜板或水冷等，直至附属件焊接结构长度方向变形角度小于3°

6.5具体的PWPS和WPS参考格式见附件1。

7附属件周向角焊缝外观检查与无损检验

7.1针对完成焊接的附属件周向角焊缝，首先进行外观检查，特别是起到传递载荷作用的

附属件正向角焊缝，不能存在肉眼可见的咬边、表面气孔、不均匀尖锐过渡焊道等可能增

加局部应力集中并降低结构整体疲劳性能的宏观缺陷。

7.2随机监测至少5处附属件正向角焊缝与母材底板连接侧焊角尺寸。根据一般的钢结构

焊接设计标准要求，附属件正向角焊缝与母材底板连接侧焊角尺寸lp≥7mm。如图2所示。

图2附属件正向角焊缝焊角尺寸示意图

1、高强钢母材底板；2、矩形板状附属件；3、附属件周向角焊缝

7.3如果在周向角焊缝与母材底板侧焊接热影响区发现各种形式的焊接裂纹，需要对裂纹

试样进行解剖与分析，明确产生焊接裂纹的种类和原因，形成分析报告与解决方案，并报

8

业主和第三方知晓。同时，有针对性调整焊接工艺指导书后重新进行焊接与检验，直至该

位置没有焊接裂纹缺陷为止。

7.4如果在周向角焊缝与母材底板侧焊接热影响区以外的位置发现各种形式的焊接裂纹，

供应商自行采取措施避免焊接裂纹的产生，但需要在最终的报告中加以说明。

8附属件焊接结构高周疲劳试验

8.1针对完成外观检查(无损检验)的模拟高强钢风塔附属件焊接结构，结合其实际服役特

点，进行系列应力水平高周疲劳试验，通过拟合疲劳S-N曲线并提取疲劳强度特征值，评

估模拟高强钢风塔附属件焊接结构实际疲劳等级，以此作为高强钢风塔筒体选材依据。

8.2考虑到焊接结构疲劳试验结果影响因素众多以及由此导致的固有的数据离散性特点，

为了使实际测试得到的附属件焊接结构疲劳S-N曲线更加符合统计学特征，并对高强风塔

筒体结构设计和选材具有直接的指导作用，采用三个不同应力范围值(Δσ)完成附属件焊

接结构疲劳试验，每个应力范围值(Δσ)得到3个有效试验数据，累计得到9个有效试验

数据，并据此拟合S-N曲线。

8.3针对模拟高强钢风塔附属件焊接结构，高周疲劳S-N曲线试验要求规定如下：

a)试验遵循标准：GB/T3075或ISO1099

b)数据处理参考标准：IIW-2259-15与DNV-RP-C203

c)利用经过有效校准的高频疲劳试验机或液压伺服疲劳试验机，进行轴向拉伸加载疲

劳试验，平均力示值相对误差的最大允许值为±1%，力波动度0.5%F·S

d)考虑到小尺寸试样焊接残余应力小于实际焊接结构件及其对疲劳测试结果的影响，

应力比R=0.5，同轴度小于5%

e)试验温度为室温，无需试样加热。环境湿度为不超过50%RH。同时，利用红外测温

仪随机监测试验过程中试样温度，如果因为循环交变加载引起试验过程中试样温度超过

80℃，则需要采取局部吹冷风等降温措施

f)为了消除疲劳试验过程中由于疲劳试样宏观形状因素导致的应力升高效应对测得

的名义应力的影响，使用应变片采集并修正名义应力。应变片需要放置在试样正反两面的

焊缝两侧缺口应力集中区域以外。根据实际的焊接工艺方法及其造成的焊缝应力集中区域

范围与应力梯度，应变片应位于平行试验段，且距离焊趾位置不小于母材底板厚度

g)对于每个应力范围值(Δσ)的首个疲劳试样，使用应变片采集并修正名义应力，同

时得到修正系数。对于同一应力范围值(Δσ)的剩余2个疲劳试样，不再重复使用应变片

监测，直接利用前述修正系数进行名义应力修正

9

h)试验结束判据：当附属件焊接结构疲劳试样内部出现微裂纹导致试验机加载频率大

幅度降低、或者出现裂纹失效、或者循环次数达到2×106次，停止试验

i)试验结果有效性判定：(a)检查完成试验的附属件焊接结构疲劳试样断裂位置。如

果从附属件正向角焊缝与母材底板连接侧焊趾位置开裂，认为试验结果有效；(b)如果从

附属件正向角焊缝与附属件连接侧焊趾位置开裂，则试验结果仅供参考，不参与后续疲劳

S-N曲线拟合；(c)如果从其他位置断裂，包括但不仅限于周向角焊缝金属、侧向角焊缝

金属或焊趾、母材底板任意部位、夹持部位等，认为试验结果无效，需要重新取样进行试

验

j)每个应力范围(Δσ)的疲劳循环次数位于5×104~2×106次。否则，认为试验结果无

效，需要适当升高或降低应力范围值(Δσ)，重新进行试验

k)如果在焊态下进行附属件结构疲劳试验，固定斜率m=3，应用所有应力水平下得到

的有效数据点进行S-N曲线拟合。

l)疲劳试验数据统计分析参照IIW-2259与DNV-RP-C203标准要求。考虑试验数量对

应的特征值k以及标准偏差，拟合得到存活率为97.7%、双侧置信度为75%的试验S-N曲

线。如图4所示。

m)从试验S-N曲线中提取对应疲劳循环次数N=2×106次的应力范围值Δσ，作为实

际测试对接接头疲劳强度特征值，记作FAT，如图4所示。

n)横向比较普碳钢与高强钢附属件焊接结构实测疲劳强度特征值FAT，并分别与IIW

2259标准FAT80或DNV-RP-C203标准E级S-N曲线疲劳强度水平进行对比，综合评估高

强钢附属件焊接结构疲劳性能。

10

图4高存活率/高置信度S-N曲线与疲劳强度特征值FAT示意图

9构成重新评价的重要变量

9.1本标准基于风电塔筒非承载附属件现场制造焊接条件，进行模拟高强钢风塔附属件焊

接结构疲劳性能评价，从附属件周向角焊缝引起的应力集中作用对母材底板疲劳性能的影

响角度出发，评估高强钢母材在附属件焊接结构中应用的适应性，为业主选材提供重要依

据和指导。

9.2对于特定材料和工艺组合条件下完成的附属件焊接结构疲劳性能评价结果，当相关重

要变量发生改变时，需要重新进行评价。

9.3构成重新评价的重要变量如下：

a)不同的钢材生产制造体系(供应商)(a)不同的材料供应商提供的高强钢板，均需

要进行模拟高强钢风塔附属件焊接结构疲劳性能评价；(b)对于同一钢材供应商的不同生

产制造基地和产线，如果有足够的证据和数据证明其同种材料具有均匀一致的附属件焊接

适应性，则不需要重新进行评价

b)同一钢材生产制造体系内不同的钢材实际抗拉强度范围包括五个强度范围分组：

≤450MPa、450~510MPa、510~570MPa、570~630MPa、630~690MPa。高强度分组的评价结果

不能覆盖低强度分组而免于重新评价

c)同一钢材生产制造体系内具有相同的实际抗拉强度范围的钢材，不同的供货状态

(包括但不仅限于正火、正火轧制、TMCP、调质处理等)与母材组织类型(包括但不仅限于铁

素体、铁素体+珠光体、铁素体+贝氏体等)

11

d)供货钢板Ceq值超过模拟高强钢风塔附属件焊接结构疲劳性能评价所用母材底板Ceq

值0.06

e)供货钢板Pcm值超过模拟高强钢风塔附属件焊接结构疲劳性能评价所用母材底板Pcm

值0.03

f)供货钢板碳含量超过模拟高强钢风塔附属件焊接结构疲劳性能评价所用母材底板

碳含量的0.06%

g)焊接方法不同的焊接方法均构成重新评价的重要变量

h)附属件正向角焊缝与母材底板连接侧焊角尺寸lp的变化率超过50%

9.4当上述构成重新评价的重要变量以外的其他因素发生变更时，包括但不仅限于母材底

板厚度、附属件种类(传递载荷方向同等长度的矩形板状或中心开孔圆柱形附属件)、附属

件材料种类与厚度、同类焊接材料型号与生产厂家等，在征得业主和权威第三方同意并对

已有的评价报告做出合理的解释与说明后，可以不进行重新评价。

9.5在结构钢材料与供应商筛选阶段开展的高强钢风电塔筒非承载附属件焊接结构疲劳

性能评价，业主和主机供应商拥有对构成重新评价重要变量以及评价频次的最终决定权，

所有评价结果可以作为材料供应商优劣比选的重要依据。

10高强钢风电塔筒非承载附属件焊接结构疲劳性能评价报告

高强钢风电塔筒非承载附属件焊接结构疲劳性能评价报告应包含以下内容：

a)底板母材与焊接材料质量证明书。同时，为了证明所匹配的焊接材料的稳定性，焊

材供应商需要提供相同领域使用证明和必要的评价数据、报告；

b)附属件焊接工艺过程记录与焊接工艺规程(WPS)；

c)焊接操作人员资质证明；

d)附属件焊接结构疲劳评价报告(包括试样尺寸、温度监测数据、偏心量测量数据、有

效性记录、无效试样记录与说明、拟合S-N曲线与疲劳强度特征值FAT提取、典型试样疲

劳断口图等)；

e)检测试验室CNAS资质证明；

f)所有检测设备有效计量报告；

g)整体评价结论。

12

附录A

资料性

PWPS和WPS格式

单位名称：

适用范围：

焊接工艺指导书(PWPS)或焊接工艺规程(WPS)编号：

焊接方法组合：日期：

底板母材金属与附属件：

焊接材料：

母材钢级：厚度(mm)：

焊材种类：

母材厂家：

焊材执行标准：

母材执行标准：

焊材型号：

Ceq：Pcm：

焊材牌号：

附属件类型与尺寸：

焊材规格：

附属件材质：

附属件焊接结构整体型式与尺寸(附简图)：

焊接环境：焊前准备工作：

环境温度(℃)：焊前组对方式：

环境湿度(RH)：焊前组对方法：

环境风速：焊前清理方式：

焊前预热、层间温度控制与焊后处理：

焊接设备特征：

焊前预热温度与预热