海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)頂法蘭密封面損傷堆焊修復(fù)方案研究

文 | 錢正宏

近年來，伴隨著施工裝備水平的提高，海上風(fēng)電施工技術(shù)不斷進(jìn)步，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)樁沉樁垂直度/樁頂法蘭面水平度控制技術(shù)日臻完善。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)樁沉樁垂直度一般能控制在2‰之內(nèi)，最高達(dá)到0.12‰的精度。沉樁技術(shù)的進(jìn)步有力地推動(dòng)了無過渡段單管樁基礎(chǔ)的應(yīng)用?，F(xiàn)階段，該型基礎(chǔ)已成為我國(guó)近海風(fēng)電機(jī)組的主流基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于軟土地質(zhì)。

無過渡段單管樁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在樁頂焊接有基礎(chǔ)頂法蘭，通過頂法蘭實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的連接。這種基礎(chǔ)在沉樁過程中，液壓沖擊錘的沖擊力首先作用于樁頂法蘭，再通過樁頂法蘭向樁壁傳遞。樁頂法蘭在沉樁過程中承受平均5000次以上的重錘沖擊，在偶然因素的作用下，樁頂法蘭有時(shí)會(huì)出現(xiàn)意外受損。在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中交變載荷的作用下，螺栓的疲勞強(qiáng)度會(huì)大大削弱，極易發(fā)生法蘭連接螺栓疲勞斷裂，進(jìn)而引起倒塔的惡性事故。因此，必須對(duì)法蘭面進(jìn)行修復(fù)處理。鑒于法蘭與樁體為不能拆卸的焊接連接結(jié)構(gòu)，只能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，但風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)環(huán)境惡劣、樁頂操作區(qū)域狹小，給修復(fù)工作增加了許多困難。在場(chǎng)區(qū)現(xiàn)有環(huán)境條件下，如何完成法蘭的修復(fù)，是迫切需要解決的問題。

本文通過對(duì)常用焊接方法適用性和焊接裂紋敏感性的分析，研究了高強(qiáng)度超厚工件在潮濕多風(fēng)環(huán)境、狹小空間條件下的焊接修復(fù)工藝，成功進(jìn)行了法蘭密封面修復(fù)。

法蘭損傷情況分析

受損基礎(chǔ)使用于4MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，基礎(chǔ)樁長(zhǎng)59米、重450噸，變徑段以下樁身直徑5.3米，頂部法蘭外徑5054mm、內(nèi)徑4350mm，法蘭厚度125 mm。使用IHC-S1200液壓沖擊錘實(shí)施沉樁作業(yè)。在沉樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高進(jìn)行法蘭面水平度測(cè)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)法蘭密封面多處遭啃噬損傷，見圖1。

經(jīng)測(cè)量統(tǒng)計(jì)，損傷共14處，最深處約3.5 mm，受傷面積約占法蘭面總面積的6%，沿法蘭面周向散布。

分析認(rèn)定，由于IHC-S1200錘帽內(nèi)替打環(huán)下表面的臨時(shí)焊接件未清理干凈，在替打環(huán)下表面形成多處帶棱角的不規(guī)則凸起，其在沉樁過程中直接接觸樁頂法蘭面，造成法蘭面遭啃噬損傷。

修復(fù)方案選擇及焊接裂紋敏感性分析

一、法蘭材質(zhì)分析

該法蘭是山東伊萊特重工股份有限公司制造的歐標(biāo)EN10025-3：S355NL-Z35鋼鍛造法蘭，供貨熱處理狀態(tài)為正火，相當(dāng)于國(guó)標(biāo)牌號(hào)Q345E-Z35，為可焊接細(xì)晶粒高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。該鋼種具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和低溫沖擊韌性。

圖1 法蘭面遭啃噬

法蘭供貨狀態(tài)的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1、表2。

根據(jù)表1可知，供貨狀態(tài)法蘭材質(zhì)的碳當(dāng)量為0.39%（＜0.45%），通常情況下焊接性能良好，可以使用焊接修復(fù)。

二、焊接方法選擇

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)樁由鋼板經(jīng)卷制焊接而成，采用工廠化制作方式，所有焊接工作在制造廠完成。主體結(jié)構(gòu)縱環(huán)焊縫采用埋弧焊，異形結(jié)構(gòu)焊縫、相貫線焊縫、非主要構(gòu)件等采用焊條電弧焊或CO2氣保焊。

從表3可以看出，焊條電弧焊由于操作靈活方便、裝備簡(jiǎn)單、適宜于全位置焊接；由于對(duì)環(huán)境敏感度低，適用于現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)工作。

表1 主要化學(xué)成分（%）

表2 力學(xué)性能

表3 三種常用焊接方法特性比較

根據(jù)上述分析，擬選取采用表面堆焊工藝的焊條電弧焊方法，對(duì)法蘭損傷表面進(jìn)行修復(fù)。

三、焊接裂紋敏感性分析

由于法蘭面厚度達(dá)125 mm、結(jié)構(gòu)剛性大，焊接時(shí)的拘束度大、焊接應(yīng)力大，焊后易產(chǎn)生焊接裂紋。焊接裂紋是在焊接應(yīng)力及其他致脆因素的共同作用下，材料的原子結(jié)合遭到破壞，形成新界面而產(chǎn)生的縫隙。裂紋一旦形成，在應(yīng)力集中作用下，漸漸向外延伸和擴(kuò)展，最終造成構(gòu)件的破壞及失效。

（1）在焊接應(yīng)力和低熔點(diǎn)共晶的作用下，焊縫金屬在結(jié)晶過程中，當(dāng)晶粒長(zhǎng)大方向與結(jié)晶產(chǎn)生的拉應(yīng)力方向一致時(shí)，就會(huì)沿晶界產(chǎn)生開裂，形成結(jié)晶裂紋。低熔點(diǎn)共晶與焊接熔池中的S、P等雜質(zhì)含量有關(guān)，而晶粒長(zhǎng)大方向與焊縫的形狀系數(shù)有關(guān)。通過降低焊縫中S、P等雜質(zhì)含量、改變坡口形式適當(dāng)增大焊縫形狀系數(shù)，可以抑制結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生。

（2）由于海上空氣潮濕、環(huán)境含水量高，焊接過程中的濕氣在高溫下被還原而生成氫，并溶解在液體金屬中。在焊接殘余應(yīng)力、淬硬組織和氫的作用下，焊縫會(huì)開裂，形成冷裂紋。焊前預(yù)熱（控制近縫區(qū)的冷卻速度，使之不易形成淬硬組織）、焊后消氫、控制焊接環(huán)境和焊接材料的干燥度等措施可以有效防止冷裂紋的產(chǎn)生。

（3）焊接應(yīng)力是冷裂紋、熱裂紋產(chǎn)生的必要條件，通常情況下，高溫回火熱處理是消除焊接殘余應(yīng)力的常用手段。但由于工件為大型敞口結(jié)構(gòu)，不具備密封包裹條件；導(dǎo)熱速度快，不能進(jìn)行高溫回火熱處理。因此，只能通過控制預(yù)熱和層間溫度延緩焊接冷卻速度以及機(jī)械錘擊等方法，降低焊接殘余應(yīng)力。

焊接修復(fù)工藝

考慮到海上環(huán)境空曠、無遮擋物，風(fēng)和潮濕空氣的影響比較明顯，現(xiàn)場(chǎng)利用樁體外平臺(tái)、平臺(tái)圍欄事先搭設(shè)防風(fēng)防雨棚，并固定牢固，防止遭到突發(fā)風(fēng)暴的破壞。防風(fēng)防雨棚內(nèi)設(shè)置臨時(shí)照明和防潮除濕裝置，保持相對(duì)濕度不大于90%。

經(jīng)綜合分析，擬定如下修復(fù)工藝流程：焊口清理―焊前預(yù)熱―焊接操作―后熱處理―外觀檢驗(yàn)―焊縫磨平―無損檢測(cè)。參考缺陷尺寸制作模擬試板，按擬定的修復(fù)工藝流程和焊接參數(shù)，進(jìn)行模擬修復(fù)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)過程及結(jié)果調(diào)整各步驟工藝參數(shù)，直至試驗(yàn)結(jié)果滿足修后質(zhì)量要求。

一、焊口清理

對(duì)需修復(fù)的部位進(jìn)行打磨清理，將其打磨成平滑光亮的凹槽，凹槽應(yīng)圓滑過渡至法蘭表面，四側(cè)邊坡角度為30°～45°。用著色探傷進(jìn)行表面檢驗(yàn)，直至將缺陷全部清除。

二、焊前預(yù)熱

焊前預(yù)熱能減緩焊后冷卻速度，有利于焊縫金屬中氫的逸出，降低焊接結(jié)構(gòu)拘束度和焊接應(yīng)力，提高焊接接頭的抗裂性。

考慮工件結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)條件限制，采用火焰加熱法進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱溫度控制在100～150℃，加熱區(qū)為焊接區(qū)域及向外擴(kuò)展約200 mm范圍。預(yù)熱時(shí)應(yīng)交替烘烤法蘭面正、反兩側(cè)，確保受熱均勻。采用紅外測(cè)溫儀測(cè)量預(yù)熱溫度。

三、焊接操作

（一）焊接工藝參數(shù)

焊接方法選擇焊條電弧焊（SMAW）直流反接法（工件接負(fù)極）。焊接電流為100～120A，焊接電壓為22～28V，焊接速度為150～180mm/min。選擇合適的焊接工藝參數(shù)是保證焊接過程穩(wěn)定、焊縫質(zhì)量良好的有效手段。

焊接材料選用E5015低氫型焊條，直徑為3.2mm?？紤]法蘭面在工作狀態(tài)下主要承受交變壓應(yīng)力，在強(qiáng)度、耐磨性方面無特殊要求，因此，堆焊層選用與母材匹配的同質(zhì)焊接材料。

焊條按350～400℃進(jìn)行烘焙，烘焙恒溫時(shí)間1h，烘焙完成后將烘箱溫度調(diào)至150℃保溫?，F(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)，使用焊條保溫筒，隨用隨取。

（二）焊接操作要點(diǎn)

圖2 焊接順序示意

圖3 焊后（磨平前）

圖4 磨平后焊縫

圖5 平整度檢測(cè)

采用多層多道焊，焊接順序見圖2。每道橫向擺動(dòng)寬度不超過8mm，相鄰焊道焊接方向相反，各層道間接頭應(yīng)錯(cuò)開，保持層間溫度不低于200℃。在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)的焊接操作應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，避免隨意中斷、停頓。焊接過程中使用小錘對(duì)焊道進(jìn)行輕輕錘擊—利于釋放焊接殘余應(yīng)力。

（四）后熱處理

焊后在堆焊區(qū)完全冷卻之前（≥100℃），用火焰將工件加熱至300～350℃，保溫緩冷。加快焊縫及熱影響區(qū)氫的逸出，防止產(chǎn)生冷裂紋。

（五）外觀檢測(cè)

焊縫過渡平滑，無咬邊、氣孔、夾渣、裂紋、凹坑、未熔合等缺陷（圖3）。焊縫熔渣及飛濺物清除干凈。焊縫余高在0～2mm范圍內(nèi)，不低于母材。

（六）焊縫磨平

焊后24h后，將高于法蘭平面的堆焊凸起部分精磨平滑（圖4），磨平后用靠尺檢測(cè)（圖5），結(jié)果顯示，平整度符合法蘭設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)格書要求。

（七）無損檢測(cè)

焊后48小時(shí)后按C級(jí)檢驗(yàn)要求進(jìn)行100%UT檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為NB/T47013標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)合格。

修復(fù)效果及結(jié)論

焊縫經(jīng)打磨平整后投入使用已24個(gè)月，運(yùn)行情況良好，修復(fù)結(jié)果符合預(yù)期要求。

本文分析證明，在海上施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下進(jìn)行法蘭密封面修復(fù)是可行的。選擇合適的焊接工藝參數(shù)，做好防風(fēng)、防雨、防潮措施，用焊條電弧焊方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)堆焊修復(fù)效果良好。修復(fù)后的法蘭能夠滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，符合使用工況條件。

攝影：李明