風(fēng)電塔筒基礎(chǔ)環(huán)雙排螺栓孔法蘭的焊接變形控制技術(shù)

吳海宏

摘 要：廣東石板嶺風(fēng)電場的塔筒基礎(chǔ)環(huán)采用大直徑鋼管與雙排螺栓孔法蘭T型焊接的結(jié)構(gòu)形式，法蘭最大直徑為4893mm，普通法蘭的焊接工藝無法保證法蘭焊接變形及平面度、內(nèi)傾度的要求，針對雙排螺栓孔法蘭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用焊接新工藝，保證焊后符合設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電塔筒；雙排螺栓孔法蘭；焊接變形

中圖分類號：TG404 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）10-0155-02

Abstract： The tower and tube foundation ring of Shibanling Wind Farm in Guangdong Province adopts the structure of large diameter steel pipe welded with double row bolt hole flange T-type. The maximum diameter of the flange is 4，893 mm. The welding process of the common flange can not meet the requirements of flange welding deformation， flatness and inclinations. According to the structural characteristics of the double-row bolted flange， a new welding process is adopted to ensure that the welding process meets the design requirements after welding.

Keywords： wind power tower cylinder； double row bolt hole flange； welding deformation

1 概述

近年來隨著國家政策調(diào)整、電力需求量的增加及對環(huán)保工作的重視，風(fēng)力發(fā)電作為清潔能源，在我國得到大力推廣。風(fēng)電設(shè)備設(shè)計(jì)不斷推陳出新，在塔筒設(shè)計(jì)方面更是創(chuàng)新推出雙排螺栓孔法蘭的連接形式。我公司承接的廣東石板嶺風(fēng)電場塔筒制造項(xiàng)目，其基礎(chǔ)環(huán)上法蘭便是采用雙排螺栓孔法蘭與第一塔筒螺栓連接的形式，要求基礎(chǔ)環(huán)焊接后上法蘭平面度小于1.5mm，內(nèi)外圈的內(nèi)傾度均達(dá)到0-1mm。由于普通鍛造法蘭的焊接工藝不適用，在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，本文對風(fēng)電塔筒基礎(chǔ)環(huán)雙排螺栓孔法蘭焊接工藝進(jìn)行了深入分析總結(jié)，為同行業(yè)應(yīng)用提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2 影響焊接變形的主要因素

由于法蘭直徑較大，在焊接過程中局部高溫容易導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)母材及法蘭的變形，以下從幾個(gè)方面分析影響焊接變形的主要因素。

2.1 焊縫與法蘭面的距離

焊縫與法蘭位置不足50mm，距離較短，焊接時(shí)必須控制焊接線能力的大小，避免施焊時(shí)局部受熱不均引起焊接變形。

2.2 焊接坡口的規(guī)格

焊接坡口越大，需熔敷的金屬便越大，熱輸入也越大，產(chǎn)生變形機(jī)會也越大。在訂購鍛造法蘭和筒體板材下料時(shí)，預(yù)先設(shè)定合適的坡口。

2.3 組裝間隙的大小

由于下料等環(huán)節(jié)，可能導(dǎo)致管口不平整，在筒節(jié)與法蘭組裝時(shí)出現(xiàn)組裝間隙過大或間隙不均，造成在焊接時(shí)金屬填充量出現(xiàn)細(xì)微差別，從而引起焊接變形。

2.4 焊接順序

焊接順序關(guān)系到受熱和冷卻先后次序不同而產(chǎn)生焊縫膨脹和收縮不同，根據(jù)圖1所示，法蘭外圈完全處于自由變形狀態(tài)，極易導(dǎo)致法蘭外圈變形量超差。

2.5 焊接工藝參數(shù)

不同的焊接工藝參數(shù)關(guān)系到線能量輸入的大小，線能量關(guān)系到熱量的輸入，直接影響焊接變形。

3 制作過程

先將下法蘭與基礎(chǔ)環(huán)筒體焊接合格后，將法蘭置于專用組裝平臺上（如圖2），并用雙排高強(qiáng)螺栓將其鎖緊，再將下法蘭與基礎(chǔ)環(huán)筒體的焊接件倒裝在法蘭上，進(jìn)行非強(qiáng)制性無間隙組對，確保組裝間隙均勻并且小于1mm，筒壁與法蘭錯(cuò)邊量均勻且小于0.5mm。

組對合格后在外圈采用手工點(diǎn)焊方式固定法蘭與筒節(jié)，安排兩人在內(nèi)圈進(jìn)行對稱打底焊，隨后在外圈進(jìn)行清根并內(nèi)外交替手工焊接至各余最后2道蓋面不焊，待焊道完全冷卻后松開該平臺上的鎖緊螺栓，將基礎(chǔ)環(huán)整體吊至專用自動焊接平臺，先焊外圈焊縫，再焊內(nèi)圈焊縫。

焊完24小時(shí)后先進(jìn)行超聲波檢測和外觀檢查，待焊縫質(zhì)量合格后采用激光測平儀檢查法蘭平面度和內(nèi)傾度，如有局部不合格，采用火焰進(jìn)行局部校正。

4 控制變形的具體措施

4.1 保證筒節(jié)下料精準(zhǔn)和法蘭預(yù)制內(nèi)傾度

由于鋼板的長度尺寸達(dá)到15m，為避免人為切割的誤差，可以采用全自動數(shù)控火焰切割機(jī)，設(shè)置切割余量（控制在3～5mm）。采用全自動數(shù)控切割機(jī)可以保證筒節(jié)的下料精準(zhǔn)，有效避免人工劃線的誤差和出錯(cuò)。

法蘭在鍛造時(shí)，應(yīng)預(yù)設(shè)內(nèi)外圈0-1mm的內(nèi)傾度，平面度應(yīng)小于0.6mm。

4.2 優(yōu)化坡口設(shè)計(jì)

法蘭外圈完全處于無約束狀態(tài)，容易產(chǎn)生內(nèi)傾度超差變形，填充量應(yīng)小些。法蘭內(nèi)圈收縮的阻力較大，填充量應(yīng)大些。經(jīng)過試驗(yàn)對比分析，法蘭內(nèi)側(cè)坡口角度為54°，深度為29mm，外側(cè)坡口角度為70°，深度為13mm，鈍邊為3mm，如圖3所示。通過多次試驗(yàn)，該坡口型式可以有效調(diào)節(jié)內(nèi)外圈法蘭的變形量和內(nèi)傾度，同時(shí)還可以較好的保證法蘭的平面度不超差。

4.3 采用專用剛性平臺輔助

傳統(tǒng)的剛性固定方法是焊接前先在法蘭內(nèi)外圈角焊縫位置處焊接三角加筋板，該方法需要在法蘭底面焊接筋板，容易對法蘭母材造成損傷和影響平面度。針對該雙排螺栓孔法蘭宜采用預(yù)外傾（反變形）的法蘭平臺（如圖2），將法蘭固定于剛性平臺上，靠110個(gè)高強(qiáng)螺栓將其鎖定后，才與筒節(jié)進(jìn)行組裝和焊接。采用該方法，焊道冷卻后拆除連接螺栓，可以保證法蘭平面度和內(nèi)傾度一次檢測合格率高達(dá)97%以上。

4.4 保證組裝間隙

由于坡口設(shè)計(jì)已預(yù)留3mm鈍邊，在組裝時(shí)應(yīng)確保組裝間隙大小均勻且間隙盡可能小，減少由于收縮不均引起的變形。

4.5 優(yōu)化焊接順序

焊接時(shí)50%-60%的收縮變形產(chǎn)生于第一道焊縫，根據(jù)坡口的設(shè)計(jì)，應(yīng)先焊內(nèi)圈再焊外圈。

法蘭環(huán)縫自動焊接前，先在內(nèi)側(cè)環(huán)縫用二氧化碳?xì)獗：赶却虻缀?道，外面用碳棒氣刨清根并焊2道。然后法蘭的內(nèi)外環(huán)縫交替焊接，各余2道蓋面先不焊，待焊縫冷卻后拆除鎖緊螺栓，利用滾輪架和專用自動焊接平臺，采用埋弧自動焊的方法對內(nèi)外環(huán)縫剩余的焊道焊完。

4.6 選擇合適的焊接方法和工藝參數(shù)

先采用CO2氣體保護(hù)焊，再采用埋弧自動焊的方法，經(jīng)過焊接工藝試驗(yàn)，各層次焊接工藝參數(shù)宜設(shè)定如表1所示：

5 結(jié)束語

這是我公司首次制作帶雙排螺栓孔法蘭的風(fēng)電塔筒基礎(chǔ)環(huán)，該法蘭連接形式是未來海上風(fēng)電項(xiàng)目塔筒法蘭和單機(jī)規(guī)模3MW以上機(jī)型的塔筒法蘭設(shè)計(jì)趨勢，我司還將該項(xiàng)技術(shù)成功推廣應(yīng)用到珠海桂山島海上風(fēng)電場塔筒制造項(xiàng)目中。該技術(shù)采用焊接新工藝，保證法蘭的焊接變形和質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還提高了生產(chǎn)效率，減少加熱矯正等費(fèi)用，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。該項(xiàng)技術(shù)處于國內(nèi)風(fēng)電先進(jìn)裝備制造領(lǐng)域領(lǐng)先水平，值得同行業(yè)借鑒學(xué)習(xí)。

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