風電塔筒生產(chǎn)法蘭內(nèi)傾度控制技術(shù)的研究

羅榮菊

（中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 丹東 118301）

0 引言

風力發(fā)電塔筒是風力發(fā)電機的關(guān)鍵支撐部件，它是由多節(jié)圓錐形筒體，依靠法蘭盤連接組成一個錐形圓筒狀結(jié)構(gòu)。不同機型塔筒高度不同，但總高度一般在70～80 米之間。塔筒頂部安裝發(fā)電機機艙、輪轂、葉片等部件總重量可達90 噸。塔筒法蘭做為連接每節(jié)筒體的連接件，其平面度（含內(nèi)傾度）是一項非常重要的幾何指標，它將直接影響兩法蘭之間的結(jié)合程度及塔筒預緊狀態(tài)。在塔筒生產(chǎn)制造時對法蘭焊后平面度的要求各發(fā)電機廠全部要求都是內(nèi)傾平面。由于每段塔架是由滾制筒體和連接法蘭焊接而成，如何控制塔筒兩端連接法蘭焊接后的平面內(nèi)傾度是塔筒制作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 塔筒法蘭平面度技術(shù)要求

風力發(fā)電塔筒所用法蘭一般為鍛造法蘭，材質(zhì)一般不低于Q345CZ25 性能要求，整體環(huán)鍛輾環(huán)成形。法蘭在設計時考慮焊后平面內(nèi)傾度的要求，法蘭設計帶加工內(nèi)傾量，在鍛造加工時可預做出內(nèi)傾量，內(nèi)傾量一般技術(shù)要求為：頂部法蘭1.0±0.5mm，其它法蘭1.5±0.5mm。但也有法蘭在設計時不做內(nèi)傾要求只做平面度要求，法蘭加工制造時不做內(nèi)傾是平法蘭。法蘭與塔筒焊接后平面度一般技術(shù)要求為：頂部法蘭0～1.0mm，其它法蘭0～2.0mm。內(nèi)傾度頂部法蘭0～1.0mm，其它法蘭0～1.5mm。

法蘭加工時不論預先做或不做內(nèi)傾度要求其與筒體焊接后法蘭平面都要求內(nèi)傾，這就要求法蘭與塔筒焊接要有嚴格的焊接工藝在焊接過程中嚴格控制焊接變形，保證焊后平面度內(nèi)傾量達到設計技術(shù)要求。

2 影響法蘭焊后平面內(nèi)傾度的因素

2.1 塔筒與法蘭對接坡口形式的影響

塔筒與法蘭對接坡口形式在控制法蘭焊后平面度變化有著重大的影響，法蘭與筒體對接坡口形式一般有對稱雙面坡口、不對稱雙面坡口、單面坡口等幾種形式。對于法蘭頸厚度大于等于24mm 開設雙面坡口，小于24mm 的開設單面坡口，鈍邊6～8mm。

雙面對稱坡口在實際生產(chǎn)中焊接工藝操作繁雜，在焊接過程中需多次調(diào)整焊接順序。雙面對稱坡口焊接時需交替進行，先焊接內(nèi)壁坡口內(nèi)壁側(cè)坡口焊接到1/3 時停止焊接，背面?zhèn)扔锰蓟馀偾甯?，焊接背面?zhèn)绕驴诘?/3，然后轉(zhuǎn)到內(nèi)壁側(cè)坡口焊接到2/3，再轉(zhuǎn)到背面?zhèn)群附右恢钡奖趁鎮(zhèn)群附油戤叀Ｗ詈蠛附觾?nèi)壁側(cè)坡口剩余的1/3 焊接量。這樣交替焊接，主要是控制焊接變形，并將最后一遍焊接按排在內(nèi)壁側(cè)主要是控制焊接變形達到內(nèi)傾的要求。經(jīng)過多次焊接，相同的焊接工藝施焊法蘭焊接后平面度檢測結(jié)果不是很理想，法蘭外翻情況較多，焊后平面度也不能保證，焊接變形控制難度較大。通過分析主要原因在于雙面對稱焊接坡口，在焊接過程中筒體外壁熱輸入比筒體內(nèi)壁熱輸入要多且熱輸入是不均勻的。造成這種情況主要是背面根部用碳弧氣刨清理時有較大的熱輸入；背面清理時由于正面第一層焊接缺陷深度不同在清理時刨槽深度就不一致，背面第一層焊接時焊接電流、焊接速度需多次調(diào)整熱輸入不均勻；背面清根將正面第一層焊接有欠缺的部分清除，背面焊縫深度增大焊接坡口內(nèi)填充量增大，背面的焊接熱輸入增大；雖然將最后一遍焊接安排在內(nèi)壁坡口，但外壁焊接時產(chǎn)生的熱輸入較大且熱輸入不均勻，最后一遍焊接產(chǎn)生的熱變形不能抵消背面變形量，導致法蘭面易產(chǎn)生外翻變形。經(jīng)過多次生產(chǎn)試驗雙面對稱坡口焊接時多次調(diào)整焊接順序影響了生產(chǎn)效率，焊后法蘭平面內(nèi)傾量的控制也不是很理想。

不對稱雙面坡口設計時大坡口在筒壁內(nèi)側(cè)，大坡口約占坡口深度的2/3。焊接時先焊接內(nèi)壁大坡口，焊接到坡口內(nèi)只剩余3mm 左右深度時停止焊接，然后背面坡口清根，焊接背面坡口直到背面坡口焊接完畢，最后再焊接正面坡口剩余的蓋面層。這種坡口設計正面坡口一般焊接3～4，背面坡口2～3 層整條焊縫就焊接完畢。經(jīng)過多次生產(chǎn)試驗對于法蘭頸厚度大于24mm 的對接坡口，采用不對稱雙面坡口焊接后法蘭平面內(nèi)傾度控制較理想都符合內(nèi)傾設計要求。主原因在于在焊接過程中筒體內(nèi)壁熱輸入比筒體外壁熱輸入多，最后一遍焊接放在筒體內(nèi)壁正面焊接熱變形產(chǎn)生的變形量抵消背面所產(chǎn)生的熱變形量，使法蘭平面產(chǎn)生內(nèi)傾變形。

單面坡口設計時坡口開設在筒壁內(nèi)側(cè)，鈍邊6～8mm，焊接首先將正面坡口焊接完畢，然后背面清根施焊。這種坡口形式焊接完畢檢測法蘭平面內(nèi)傾量控制比較理想。

通過多次生產(chǎn)試驗焊接坡口設計對焊后法蘭平面度有較大的影響。坡口設計時要考慮焊接時筒體內(nèi)外壁熱輸入不同引起法蘭平面度變化量不同，最終達到技術(shù)要求的平面內(nèi)傾量。

2.2 焊接順序?qū)Ψㄌm焊后平面內(nèi)傾度的影響

為保證焊接后法蘭平面度達到設計技術(shù)要求，焊接順序是非常關(guān)鍵的控制因素之一，在實際生產(chǎn)中需根據(jù)焊接變形情況適時調(diào)整焊接順序，最終達到設計技術(shù)要求。對于相同的坡口，焊接順序不同，焊后法蘭平面度的變形量也是不同的。以目前我公司生產(chǎn)的1.5WM 風力發(fā)電機組基礎(chǔ)環(huán)上法蘭焊接生產(chǎn)試驗檢測結(jié)果說明焊接順序?qū)Ψㄌm平面度的影響。

圖1 法蘭設計技術(shù)要求AFig.1 Flange design requirement A

基礎(chǔ)環(huán)上法蘭設計要求見圖1、圖2。法蘭與基礎(chǔ)筒體焊接完畢后平面度≦2.0mm，內(nèi)傾度0～1.5mm。考慮法蘭焊接后內(nèi)傾度的要求法蘭在加工時預做了1.0±0.5mm的內(nèi)傾量。

焊接生產(chǎn)試驗：整個坡口焊接完畢共需焊接7 層，內(nèi)壁正面坡口焊接4 層，外壁背面坡口清根后焊接3 層。

第一次焊接生產(chǎn)試驗焊接順序：先焊接內(nèi)壁第1、2、3 層，然后背面清根將背面焊縫3 層全部焊接完畢，再焊接正面剩余的蓋面層。焊接順序見圖3。

圖2 法蘭設計技術(shù)要求BFig.2 Flange design requirement B

圖3 法蘭與筒體環(huán)縫焊接順序Fig.3 Flange and cylinder girth weld sequence

焊后工件冷卻用激光平面檢測儀檢測法蘭平面，共檢測27 組數(shù)據(jù)。法蘭平面度與內(nèi)傾量如圖4 和表1 所示。

以上檢測數(shù)據(jù)表明法蘭平面全部內(nèi)傾，最大內(nèi)傾量3.52mm，法蘭端面的平面度4.299mm，內(nèi)傾量與平面度都超過了設計要求。此焊接順序主要是考慮焊接后使法蘭面形成內(nèi)傾的變形，由于法蘭加工時預做了內(nèi)傾度，兩次產(chǎn)生的內(nèi)傾疊加量使法蘭面的內(nèi)傾量超過了設計1.5mm 的要求。

圖4 法蘭平面度與內(nèi)傾量Fig.4 Flange flatness and introversion amount

表1 法蘭平面度與內(nèi)傾量數(shù)據(jù)Tab.1Flangeflatnessandintroversiondata

檢測結(jié)果法蘭平面全部內(nèi)傾，內(nèi)傾量最大值1.14mm，平面度1.624mm，內(nèi)傾量與平面度都符合設計要求。通過多次生產(chǎn)試驗，焊接順序?qū)负蠓ㄌm平面內(nèi)傾量有重要的影響，在實際生產(chǎn)中要隨時檢測及時調(diào)整焊接順序以保證焊后法蘭平面內(nèi)傾量符合設計技術(shù)要求。

2.3 焊接方法對法蘭平面內(nèi)傾量的影響

法蘭平面變形主要是由于焊接熱輸入引起的應變所產(chǎn)生，不同的焊接方法因其施焊的焊接參數(shù)不同所產(chǎn)生的熱輸入就不同，引起的應變就不同，可以用焊接線能量來表示。電弧加熱工件的功率Q=ηUI。其中：η—電弧加熱工件的熱效率系數(shù)（手工電弧焊0.77～0.87，埋弧自動焊0.77～0.99，CO2氣體保護焊0.66～0.69）；U—電弧電壓（V）；I—焊接電流（A）；焊接線能量E=Q/ν（J/cm）；ν－焊接速度（cm/s）。

表2 法蘭與筒體焊接常用焊接方法工藝參數(shù)Tab.2Flangeandcylinderweldingmethodsprocess parameters

η 取范圍平均值：手工電弧焊取0.82，埋弧自動焊取0.88，CO2氣體保護焊取0.675，計算各種焊接方法焊接線能量如下：埋弧自動焊焊接線能量范圍為：2612.1～4488J/cm；手工電弧焊焊接線能量范圍為：811.8～1603.6J/cm；CO2氣體保護焊焊接線能量范圍為：540～784.5J/cm。通過焊接線能量數(shù)值表明CO2氣體保護焊焊接熱輸入低，引起的焊接應變小，埋弧自動焊焊接熱輸入大，引起的焊接應變也大。在實際生產(chǎn)中由于CO2氣體保護和手工電弧弧焊是人工操作焊接，生產(chǎn)效率低、焊接缺陷出現(xiàn)率高，一般不采用。為提高生產(chǎn)效率降低焊接缺陷發(fā)生率，塔筒生產(chǎn)制造全部采用埋弧自動焊進行焊接。

2.4 焊接工藝參數(shù)對法蘭平面內(nèi)傾量的影響

焊接工藝參數(shù)也是影響法蘭平面內(nèi)傾量的重要因素，在法蘭與筒體焊接生產(chǎn)試驗過程，在其它各項工藝都不變的情況下，調(diào)整焊接電流、電壓、焊接速度，焊后法蘭的內(nèi)傾量與平面度也是不同。法蘭與筒體焊接生產(chǎn)前需進行焊接試驗確定最優(yōu)參數(shù)確保焊后法蘭內(nèi)傾量。目前法蘭與筒體的環(huán)向焊縫采用埋弧自動焊焊焊接，通過多次生產(chǎn)試驗確定焊接參數(shù)如表3 所示。

表3 埋弧自動焊焊接參數(shù)Tab.3Submergedarcweldingparameters

2.5 其它因素的影響

在塔筒生產(chǎn)過程中為了使法蘭的平面度與內(nèi)傾量不受筒體其它筒節(jié)組裝焊接影響，在筒體組焊過程中首先將法蘭與之相對接的筒節(jié)組焊完成，其它筒節(jié)組焊成一個較大的整體，最后再將本段筒體兩端帶法蘭的筒節(jié)與筒體組裝焊接，減少在組裝焊接這程中對法蘭平面度與內(nèi)傾度的影響。

3 結(jié)論

通過大量風電塔筒生產(chǎn)，我們掌握了風電塔筒制作法蘭平面內(nèi)傾度產(chǎn)生的原因及影響因素，在實際生產(chǎn)中需制定合理的焊接坡口、焊接工藝、焊接順序、焊接方法，并在生產(chǎn)中根據(jù)檢測情況及時調(diào)整，是保證法蘭焊后平面內(nèi)傾量的關(guān)鍵。對于法蘭平面內(nèi)傾量不合格的產(chǎn)品采用火焰加熱進行校正，最終保證產(chǎn)品質(zhì)量。

[1]付榮柏.焊接變形的控制與矯正[M].機械工業(yè)出版社，2006.

[2]陳祝年.焊接工程師手冊[M].機械工業(yè)出版社，2002.