塔架法蘭焊接缺陷的火焰矯正方法

□ 王 磊

福建福船一帆新能源裝備制造有限公司 福建漳州 363211

1 存在的問題

風(fēng)力發(fā)電行業(yè)在國內(nèi)已經(jīng)發(fā)展了很多年,所使用的塔架結(jié)構(gòu)形式比較多,有管狀鋼制塔架、桁架式塔架、混凝土塔架等,目前以管狀鋼制塔架為主。塔架是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵支撐結(jié)構(gòu),為了便于運(yùn)輸,一般將塔架分為3～5段,每段塔架均由若干筒節(jié)和法蘭焊接而成[1],相鄰塔架段采用高強(qiáng)度緊固件進(jìn)行連接?？紤]到高強(qiáng)度連接螺栓受力、相鄰塔架段的密封防水等要求,塔架法蘭端面焊接后只能內(nèi)傾,內(nèi)傾值一般為0～1.5 mm,法蘭端面的整體平面度不大于2 mm,在30°區(qū)域內(nèi)局部平面度不大于0.8 mm。塔架法蘭與筒節(jié)焊接如圖1所示。

▲圖1 塔架法蘭與筒節(jié)焊接

塔架法蘭為環(huán)形鍛件,筒節(jié)采用鋼板卷制而成,材質(zhì)均采用低合金高強(qiáng)度鋼。由于塔架法蘭的頸部比較短,長度一般為頸部壁厚的2～3倍,因此塔架法蘭與筒節(jié)焊接時,焊接熱量的輸入會對塔架法蘭平面度產(chǎn)生不利影響,容易導(dǎo)致塔架法蘭端面平面度或內(nèi)傾度超標(biāo)。當(dāng)遇到平面度或內(nèi)傾度超標(biāo)時,行業(yè)內(nèi)目前采用火焰矯正方法進(jìn)行修整。為了防止在進(jìn)行火焰矯正時對塔架法蘭、鋼板的性能產(chǎn)生影響,通常要求火焰矯正必須一次成功,避免對同一缺陷反復(fù)采用火焰矯正方法進(jìn)行修整。筆者基于過往項(xiàng)目積累的經(jīng)驗(yàn),詳細(xì)介紹火焰矯正的工藝流程。

2 火焰矯正原理

火焰矯正指在變形構(gòu)件的適當(dāng)部位采用火焰進(jìn)行加熱,使加熱區(qū)域受熱膨脹,冷卻后該區(qū)域金屬產(chǎn)生收縮,利用冷卻后產(chǎn)生的冷縮應(yīng)力矯正構(gòu)件的變形[2]。由于低合金高強(qiáng)度鋼受熱后會以1.2×10-5K-1的線性膨脹系數(shù)向各方向伸長,當(dāng)冷卻到原來溫度時,除會收縮到未加熱時的長度外,還會按照1.48×10-6K-1的收縮系數(shù)進(jìn)一步收縮,從而使變形構(gòu)件收縮后相比原來長度變短。在適當(dāng)部位對已變形的構(gòu)件進(jìn)行火焰加熱,冷卻后產(chǎn)生很大的冷縮應(yīng)力,從而達(dá)到矯正變形的目的。

火焰矯正時加熱溫度不宜過高,過高會導(dǎo)致鋼材性能變脆,影響沖擊韌性[3]。目前,火焰矯正時常用的加熱方法有點(diǎn)狀加熱法、線狀加熱法、三角形加熱法三種。

點(diǎn)狀加熱法適用于薄板波浪變形的矯正,通常采用多點(diǎn)加熱,加熱點(diǎn)呈梅花狀均勻分布,加熱點(diǎn)直徑為6倍鋼板厚度加10 mm,加熱點(diǎn)間距在 100～500 mm 之間。當(dāng)鋼板厚度較大或變形量較大時,加熱點(diǎn)間距需要取較小值。點(diǎn)狀加熱法的加熱溫度一般控制在300～600 ℃之間,動作應(yīng)迅速,火焰應(yīng)集中,加熱點(diǎn)保持圓形,間距盡量均勻一致。

線狀加熱法適用于矯正中厚鋼板的圓弧彎曲,以及構(gòu)件角變形等情況。由于線狀加熱在寬度方向收縮量大,在長度方向收縮量小,因此可以用于對接焊縫角變形修整、塔架法蘭焊接后內(nèi)傾度修整等場合。線狀加熱法加熱時,應(yīng)注意加熱溫度、寬度、深度之間的聯(lián)系,根據(jù)筒節(jié)厚度及變形程度采用適當(dāng)?shù)膮?shù)。

三角形加熱法又稱楔形加熱法,適用于剛性較大的型鋼、鋼結(jié)構(gòu)件彎曲變形的矯正。三角形的加熱區(qū)域通常選在筒節(jié)邊緣,一般呈三角形,筒節(jié)收縮量隨三角形面積的增大而增大。三角形一般為等腰三角形,邊長大于筒節(jié)材料厚度的兩倍,頂點(diǎn)一般在中心上。三角形加熱法的加熱位置應(yīng)確定在筒節(jié)需要收縮的一邊,若變形范圍大,則三角形數(shù)量可以取多個。三角形加熱法加熱時,加熱溫度通常取500～600 ℃。根據(jù)變形的實(shí)際情況,三角形加熱法和線狀加熱法可以組合使用。

3 火焰矯正工藝流程

3.1 確定缺陷類型及區(qū)域

塔架法蘭與筒節(jié)焊接完成,冷卻到室溫以后,采用激光測量儀測量塔架法蘭平面度。塔架法蘭的內(nèi)傾度可以采用直角尺進(jìn)行粗測,或基于激光測量儀采集的數(shù)據(jù)擬合得到[4]。塔架法蘭平面度與內(nèi)傾度檢測如圖2所示。

▲圖2 塔架法蘭平面度與內(nèi)傾度檢測

使用激光測量儀進(jìn)行檢測前,需要根據(jù)塔架法蘭直徑確定所需的檢測點(diǎn)數(shù)量。檢測點(diǎn)需要沿塔架法蘭圓周均布,并且塔架法蘭外圈檢測點(diǎn)與塔架法蘭內(nèi)圈檢測點(diǎn)一一對應(yīng)。根據(jù)激光測量儀檢測的數(shù)據(jù),可以很方便地確定塔架法蘭內(nèi)傾度和平面度超標(biāo)的類型、具體數(shù)值和所處位置。找出變形位置、變形特征、變形量,在塔架法蘭上使用粉筆作標(biāo)記,并根據(jù)以上信息找出最佳火焰加熱位置和加熱方法,確定加熱位置的順序,一般先矯正剛性較大的方向,后矯正剛性較小的方向,先矯正變形量大的部位,后矯正變形量較小的部位。在開展火焰矯正之前,還需要確定筒節(jié)、塔架法蘭所使用的材質(zhì)。

3.2 選取火焰矯正方法及焰心

加熱方法可以根據(jù)缺陷的形式、大小,合理選擇點(diǎn)狀加熱法、線狀加熱法、三角形加熱法或組合進(jìn)行。

加熱火焰一般采用中性焰,特點(diǎn)需要充分燃燒,噴嘴呈一個很清晰的內(nèi)焰心,效率高[5]。標(biāo)準(zhǔn)的火焰稱為中性焰,當(dāng)氧氣和乙炔的體積混合比為1∶1時,產(chǎn)生中性焰。這種火焰有非常明亮透明的焰心,焰心被明亮的藍(lán)色火焰包圍。氧氣與乙炔充分燃燒,沒有氧氣與乙炔過剩,內(nèi)焰具有一定還原性,焰心呈尖錐形,色藍(lán)白且亮,輪廓清楚,外焰呈淡桔紅色。剛點(diǎn)燃的火焰通常為碳化焰,又稱剩余焰或收縮焰?；旌蠚庵幸胰擦柯远嘤谘鯕饬繒r,燃燒生成的火焰為碳化焰。碳化焰由于沒有完全燃燒,火焰中有游離狀態(tài)碳及過多的氫,易使鋼材表面滲碳,應(yīng)盡量避免采用[6]?；旌蠚庵醒鯕饬柯远嘤谝胰擦繒r,燃燒生成的火焰為氧化焰。從外觀上看,氧化焰與中性焰相似,但乙炔焰心較短,而且顏色相比中性焰較淺,邊緣模糊。氧化焰對材料表面有氧化作用[7],加熱時筒節(jié)易產(chǎn)生氣孔和變脆,也應(yīng)盡量避免采用。

中性焰如圖3所示。采用中性焰加熱時,噴嘴不能離鋼板表面太近,應(yīng)將內(nèi)層藍(lán)色火焰頂部靠近被加熱的鋼板表面,噴嘴距筒節(jié)表面大約15 mm。

▲圖3 中性焰

3.3 確定加熱位置及溫度

加熱位置選取是火焰矯正的關(guān)鍵[8],所選的加熱位置必須使加熱產(chǎn)生的變形方向與焊接殘余變形或其它受力變形的方向相反,以起到抵消筒節(jié)原始變形的效果。塔架法蘭內(nèi)傾火焰矯正加熱區(qū)域如圖4所示,對于塔架法蘭外翻的矯正,需要將加熱區(qū)域由筒節(jié)外部改為筒節(jié)內(nèi)部。

▲圖4 塔架法蘭內(nèi)傾火焰矯正加熱區(qū)域

加熱范圍應(yīng)根據(jù)筒節(jié)需矯正部位的范圍大小和變形程度,并結(jié)合加熱方法而決定,具體包括加熱線寬、加熱點(diǎn)直徑、加熱三角形面積等。加熱深度是火焰矯正效果的重要影響因素,不同的加熱深度會獲得不同的矯正效果。一般而言,加熱深度大,壓縮變形大,矯正效果好,否則相反。但根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),加熱深度應(yīng)小于筒節(jié)厚度的40%,如果再增大加熱深度,反而會使壓縮變形減小。如采用三角形加熱法,則加熱深度為構(gòu)件寬度的40%左右。對于筒節(jié)壁厚較大或變形量大的部位,應(yīng)選用較大的加熱線寬,加熱速度應(yīng)緩慢均勻。對于筒節(jié)壁厚較小或變形量小的部位,應(yīng)選用較小的加熱線寬,加熱速度應(yīng)快速均勻。

由于塔架法蘭、筒節(jié)的材質(zhì)均為低合金高強(qiáng)度鋼,因此加熱溫度不應(yīng)超過600 ℃。加熱溫度過高,會導(dǎo)致筒節(jié)塑性變形,不僅達(dá)不到矯正效果,而且還會引起熱脆,使表面產(chǎn)生過燒和脆化現(xiàn)象[9]。一般低碳鋼加熱到100 ℃以上即達(dá)到屈服點(diǎn),低合金鋼一般加熱溫度取450～600 ℃為宜。在加溫過程中,應(yīng)隨時監(jiān)控加熱區(qū)域筒節(jié)表面的顏色變化,顏色與加熱溫度對照見表1。隨時用測溫儀對加熱區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確測量,從而控制加熱溫度。測溫點(diǎn)應(yīng)該在加熱中心處,在測溫時應(yīng)移開熱源。

表1 鋼材加熱溫度與顏色對照

表1所列顏色是在室內(nèi)白天觀察到的顏色,在日光下顏色相對較暗,在黑暗中顏色相對較亮。表1中加熱溫度與顏色僅用于在加熱過程中的初步判斷,最終結(jié)果以測溫儀現(xiàn)場測溫為準(zhǔn)?；鹧娉C正現(xiàn)場如圖5所示,溫度檢測如圖6所示。

▲圖5 火焰矯正現(xiàn)場

▲圖6 溫度檢測

3.4 矯正效果檢查

火焰矯正后,應(yīng)在空氣中自然冷卻,人為的急冷有可能會引起材料淬硬而破壞金屬內(nèi)部組織。同一部位再次加熱矯正,效果不如第一次。多次加熱反而可能導(dǎo)致矯正效果變差[10],因此火焰矯正應(yīng)一步到位,使殘余變形量符合圖紙要求。在加熱部位冷卻后,先采用鋼平尺進(jìn)行粗測,若達(dá)到設(shè)計(jì)要求的內(nèi)傾度,則進(jìn)行硬度測試。

硬度測試滿足圖紙要求后,對塔架法蘭與筒節(jié)連接環(huán)縫進(jìn)行100%無損探傷檢測,合格后采用激光測量儀精確測量內(nèi)傾度、平面度,并出具檢測報(bào)告。矯正效果檢查如圖7所示。

4 結(jié)束語

針對塔架法蘭焊接缺陷,不恰當(dāng)?shù)幕鹧娉C正工藝會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,與焊接內(nèi)應(yīng)力和負(fù)載應(yīng)力疊加,可能使主體結(jié)構(gòu)、焊縫應(yīng)力超過設(shè)計(jì)允許應(yīng)力,從而導(dǎo)致承載安全因數(shù)降低。

▲圖7 矯正效果檢查

因此,火焰矯正一定要考慮全面,必須選擇合適的加熱方法、加熱區(qū)域,確保火焰矯正一次性成功,杜絕對同一區(qū)域多次進(jìn)行火焰矯正?；鹧娉C正時,要注意合理的加熱順序,嚴(yán)格控制熱輸入量,防止產(chǎn)生過度加熱、過度變形等矯正缺陷,從而提高生產(chǎn)效率,確保火焰矯正達(dá)到預(yù)期效果。