風(fēng)電塔架筒體縱縫冷裂紋產(chǎn)生原因及預(yù)防*

魏永輝，何衛(wèi)東，聶允堂，徐永明，門永卿，楊顯珍，張 鴻

(1.甘肅酒鋼集團(tuán)西部重工股份有限公司 甘肅 嘉峪關(guān); 2.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

隨著國(guó)家風(fēng)電“平價(jià)上網(wǎng)”政策的實(shí)施，風(fēng)電機(jī)組技術(shù)不斷創(chuàng)新和完善，低風(fēng)速的風(fēng)電機(jī)組技術(shù)的不斷成熟，采用百米以上規(guī)格的塔架和柔性塔架的風(fēng)機(jī)機(jī)組技術(shù)日益增多，其塔架筒體多采用20 mm以下板厚的鋼板，這種超大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給生產(chǎn)制造帶來(lái)不小的挑戰(zhàn)。塔架在制作過(guò)程中，焊縫中的擴(kuò)散氫、焊接接頭的淬硬組織及焊接接頭的應(yīng)力三要素[1]導(dǎo)致縱縫裂紋頻繁出現(xiàn)，直接危及塔架質(zhì)量，進(jìn)一步又制約著塔架生產(chǎn)周期，給企業(yè)的生產(chǎn)制造帶來(lái)不小的影響。

筆者通過(guò)分析風(fēng)電塔架筒體縱縫焊接及其筒節(jié)矯圓的施工過(guò)程，探討塔架筒體縱縫焊接裂紋產(chǎn)生的原因，并尋求相應(yīng)的防范措施，為減少塔架筒體縱縫裂紋提供可行的施工方案。

1 塔架筒體縱縫裂紋產(chǎn)生的原因

1.1 冷裂紋形成過(guò)程及原因

在焊接缺陷中，焊接裂紋是焊接過(guò)程中或焊接完成后在焊接區(qū)域中出現(xiàn)的金屬局部破裂的表現(xiàn)，筒體縱縫裂紋從表象看，應(yīng)該屬于焊接裂紋范圍。

焊接裂紋的產(chǎn)生，是由于焊縫金屬?gòu)娜刍癄顟B(tài)到冷卻凝固的過(guò)程中經(jīng)過(guò)了熱膨脹與冷收縮變化，有較大的冷收縮應(yīng)力存在，而且顯微組織在從高溫到低溫的相變過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生組織應(yīng)力，再加上母材非焊接部位處于冷固態(tài)狀態(tài)，與焊接部位存在很大的溫差，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力等等，這些應(yīng)力的共同作用一旦超過(guò)了材料的屈服極限，材料將發(fā)生塑性變形，超過(guò)材料的強(qiáng)度極限則導(dǎo)致開(kāi)裂。

焊接裂紋根據(jù)其尺寸、部位、機(jī)能和形成原因的不同會(huì)有不同的分類方法。焊接裂紋就其本質(zhì)來(lái)分，可分為熱裂紋、再熱裂紋、冷裂紋、層狀撕裂等。其中焊接冷裂紋是指焊接接頭冷卻到較低溫度時(shí)所產(chǎn)生的裂紋，常見(jiàn)鋼材產(chǎn)生裂紋的溫度為在Ms溫度以下或200～300 ℃[2]。冷裂紋包括:延遲裂紋、淬硬裂紋、低塑性脆化裂紋等，在壓力容器制造行業(yè)所說(shuō)的冷裂紋指的是延遲裂紋[3]。

低碳鋼和奧氏體不銹鋼焊接時(shí)，冷裂紋傾向較小。而在焊接低合金鋼、中碳鋼及高合金鋼等易淬火鋼種時(shí)，則容易發(fā)生冷裂紋。

大量的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，產(chǎn)生焊接冷裂紋的三大主要因素為焊縫中的擴(kuò)散氫、焊接接頭的淬硬組織及焊接接頭的應(yīng)力，通常稱為冷裂紋三要素。這三個(gè)因素或單獨(dú)或相互作用共同對(duì)焊接接頭冷裂紋產(chǎn)生影響[4]。

1.2 塔架縱縫裂紋的特點(diǎn)

縱縫的坡口形式為Y型單面坡口，坡口在筒體內(nèi)壁，坡口角度為55°～60°，鈍邊5 mm，焊接順序?yàn)檎婧附?～2層，外壁碳弧氣刨清根后焊接1層。通過(guò)返修和射線檢測(cè)50多條焊縫有缺陷的筒體發(fā)現(xiàn)，裂紋集中位于縱縫兩端0～150 mm以內(nèi)，且距離端頭10～50 mm較多，深度靠近正面焊縫表面下居多。裂紋表現(xiàn)出長(zhǎng)度3～5 mm，寬度近1 mm不等形態(tài)，裂紋呈現(xiàn)橫向或者縱向布置，其中縱向裂紋居多，如圖1所示為縱向裂紋的X射線底片圖。

圖1 X射線底片圖

通過(guò)統(tǒng)計(jì)材質(zhì)為Q355D或Q355NE低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板的塔架筒體裂紋出現(xiàn)時(shí)的相關(guān)溫度、出現(xiàn)時(shí)的工序、厚度等影響因素，發(fā)現(xiàn)塔架筒體板厚15～20 mm，筒節(jié)縱縫裂紋多是在筒節(jié)矯圓后或環(huán)縫焊接后出現(xiàn)，并主要出現(xiàn)在縱縫焊接后直接進(jìn)行矯圓作業(yè)的筒節(jié)縱縫上，此時(shí)焊縫溫度在200～300 ℃，按照縱縫裂紋產(chǎn)生的時(shí)間及特點(diǎn)，從而可以確定塔架筒體縱縫裂紋應(yīng)為焊接冷裂紋。

1.3 塔架縱縫裂紋產(chǎn)生的原因

1.3.1 氫作用分析

常見(jiàn)的焊接過(guò)程的氫主要來(lái)源于空氣中的水分、焊材中的水分、母材中的鐵銹、以及坡口中的污染物和雜物[5]，隨著焊接冶金過(guò)程的完成而形成氫原子擴(kuò)散到焊縫中，使得鋼的晶粒間原子結(jié)合力降低，同時(shí)生產(chǎn)的有機(jī)物氣體形成局部高壓，造成應(yīng)力集中，最終使得鋼材產(chǎn)生微裂紋。

塔架筒體采Q355D或Q355NE鋼板，碳當(dāng)量小于0.4%，屬于焊接性能好的鋼材?？v縫焊接焊材選用底氫H10Mn2(埋弧焊絲)+SJ101(燒結(jié)焊劑)，使用前對(duì)焊絲按照GB/T5293要求進(jìn)行復(fù)檢，且按照與正式焊相同的參數(shù)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，均符合要求后開(kāi)始焊接，焊前對(duì)坡口、鐵銹等均嚴(yán)格處理，所以氫致裂紋的可能性很小。

1.3.2 環(huán)境溫度影響分析

冬季焊接施工時(shí)對(duì)焊縫兩側(cè)150 mm范圍進(jìn)行了預(yù)熱，預(yù)熱溫度15～20 ℃，施工處在室外，環(huán)境溫度-15～5 ℃，焊接過(guò)程中確保層間溫度不低于預(yù)熱溫度，其余季節(jié)均不預(yù)熱，其余焊接參數(shù)不分季節(jié)。焊接結(jié)束后直接進(jìn)入下道工序。

對(duì)筆者所在公司2020全年施工中焊縫裂紋出現(xiàn)次數(shù)與氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所列。

表1 2020不同月份及溫度下裂紋出現(xiàn)的次數(shù)統(tǒng)計(jì)表

焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)的不均勻是導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)的關(guān)鍵因素，在風(fēng)電塔架筒體焊接施工過(guò)程中工件所處的環(huán)境溫度的高低決定著溫度場(chǎng)的變化，將表1數(shù)據(jù)制作成趨勢(shì)線，如圖2所示。通過(guò)圖2看出裂紋出現(xiàn)的次數(shù)隨著溫度的降低而增加，隨著溫度的上升而減少。既有高溫月份出現(xiàn)裂紋，也有低溫月份出現(xiàn)裂紋，不具有規(guī)律性，低溫月份的裂紋數(shù)量明顯高于高溫月份裂紋數(shù)量。同時(shí)說(shuō)明環(huán)境溫度較低時(shí)，焊接后的快速冷卻導(dǎo)致馬氏體組織的出現(xiàn)，高硬度的馬氏體塑性極差，使得塔架筒體縱縫接頭的脆性增加而出現(xiàn)裂紋。進(jìn)一步總結(jié)2020年全年出現(xiàn)裂紋的縱縫頻率發(fā)現(xiàn)，有裂紋的縱縫條數(shù)占全年4650條縱縫總數(shù)的1.83%。

圖2 氣溫與裂紋出現(xiàn)次數(shù)的趨勢(shì)

1.3.3 應(yīng)力影響分析

(1) 引熄弧板的影響

在塔筒縱縫焊接時(shí)，在筒體兩端分別焊接引弧板和熄弧板，其中，熄弧板有兩方面的作用：①保證焊縫末端質(zhì)量。焊縫焊完后將整個(gè)熔池引到熄弧板上再結(jié)束焊接，可防止收弧處熔池金屬流失或留下弧坑；②對(duì)焊縫末端起固定作用。當(dāng)焊接熔池進(jìn)行到焊縫終端，把最后一個(gè)定位焊道熔化時(shí)，定位焊道被加熱到無(wú)強(qiáng)度狀態(tài)，失去了對(duì)筒體縱焊縫的固定作用，此時(shí)熄弧板就替代了定位焊，并且應(yīng)有足夠的拘束力固定筒體，以阻止筒體縱縫終端變形[6]。

塔架筒體的引熄弧板設(shè)置及焊縫受力示意如圖3所示，因出現(xiàn)裂紋的塔架筒體厚度為15～20 mm，所以引弧(熄弧)板厚度方向的σz值很小，主要受縱向σx和橫向σy的作用，特別是試焊時(shí)導(dǎo)致溫度場(chǎng)的進(jìn)一步不均勻，焊道的縱向σx隨著焊層的增加而增大，最終使得引弧(熄弧)板失去剛性，縱縫端頭失去約束，隨著溫度場(chǎng)的進(jìn)一步變化，應(yīng)力的組合作用加深，縱縫在筒體與引弧度、熄弧板連接位置出現(xiàn)開(kāi)裂。引弧(熄弧)板的寬度越窄，其與筒體焊接固定的焊縫長(zhǎng)度越短，這種組合應(yīng)力作用更加明顯，甚至斷裂脫落；現(xiàn)場(chǎng)縱縫裝配時(shí)通常預(yù)留1～2 mm的間隙，而引弧板、熄弧板卻是一個(gè)完整的鋼板，起到固定作用，這會(huì)導(dǎo)致焊縫承受較大σy作用，這種拘束作用導(dǎo)致焊縫內(nèi)部殘余應(yīng)力積聚。

圖3 引熄弧板設(shè)置及受力示意圖

通過(guò)觀察現(xiàn)場(chǎng)使用的引熄弧板寬度發(fā)現(xiàn)，寬度均在100 mm以下，熄弧板對(duì)焊縫終端拘束力較小，縱縫引熄弧板與筒體端頭有焊縫裂開(kāi)或脫落現(xiàn)象，甚至在最后的幾層焊接中不采用無(wú)引熄弧板，這種引熄弧板的形式及設(shè)置的不規(guī)范也是縱縫裂紋產(chǎn)生的又一原因。

(2) 外力矯圓的影響

在塔架筒體縱縫焊接完成后，即可取出兩端的引、熄弧板，然后進(jìn)行筒節(jié)矯圓，矯圓結(jié)束后焊縫溫度已經(jīng)降至室溫，隨后進(jìn)行縱縫無(wú)損檢測(cè)。這種作業(yè)流程致使整個(gè)焊縫表面被擠壓成臺(tái)階狀，說(shuō)明縱縫焊接內(nèi)部組織還未完全結(jié)晶；焊縫余高越大，受筒節(jié)矯圓擠壓越為嚴(yán)重，焊縫應(yīng)力較大，在塔架各節(jié)筒節(jié)組對(duì)成塔段后，環(huán)縫焊接應(yīng)力與縱縫焊接及擠壓應(yīng)力交變作用，從而造成縱縫裂紋，這是縱縫裂紋產(chǎn)生的又一主要原因。

2 防范措施及應(yīng)用效果

2.1 預(yù)防措施

防止焊接冷裂紋的方法需要綜合生產(chǎn)中的影響因素，需從焊條的烘干、環(huán)境溫度、油污等細(xì)節(jié)調(diào)整[7]，由上述分析可以看出，塔架筒體縱縫裂紋的產(chǎn)生受環(huán)境溫度、引熄弧板、矯圓三方面影響，應(yīng)采取以下幾個(gè)方面的措施。

(1) 提高低溫環(huán)境預(yù)熱溫度至80～100 ℃、增加預(yù)熱寬度到150～200 mm、控制層間溫度不大于180 ℃，焊后雙面保溫緩冷。

(2) 改變?cè)幸ɑ“逍问胶统叽纾问饺鐖D4所示，寬度和長(zhǎng)度變?yōu)?50～200 mm。焊前在引熄弧板焊道兩側(cè)設(shè)置100～150 mm長(zhǎng)的割縫，割縫間距70～100 mm，兩側(cè)外端用短焊縫連接固定筒體，焊道正面采用碳弧氣刨清除出與筒體坡口相近的凹槽，這種彈性引熄弧板緩解了焊接時(shí)焊道橫向自由收縮，避免終端開(kāi)裂。

圖4 引熄弧板示意圖

(3) 嚴(yán)格控制縱縫焊接余高，將焊縫余高控制在2 mm以內(nèi)，減小焊縫應(yīng)力集中。

(4) 筒節(jié)縱縫焊接后，待縱縫完全冷卻后再進(jìn)行筒節(jié)矯圓工作，常溫下，縱縫冷卻最少3 h以上，再進(jìn)行矯圓工作，避免焊縫結(jié)晶時(shí)受外力擠壓產(chǎn)生裂紋。

(5) 規(guī)范引熄弧板的去除方式，縱縫冷卻后方可去除，氣割時(shí)預(yù)留3～5 mm，然后角磨機(jī)打磨至與筒體平齊，嚴(yán)禁錘擊等外力去除方法。

(6) 加強(qiáng)筒節(jié)矯圓后縱縫超聲波無(wú)損檢測(cè)質(zhì)量，特別是焊縫終端去除引熄弧板位置的檢測(cè)，矯圓前徹底清除焊縫端頭表面裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，防止因焊縫端頭焊接缺陷造成縱縫焊接裂紋。

2.2 應(yīng)用效果

針對(duì)以上預(yù)防措施，2021年在諾木洪塔架制造項(xiàng)目中進(jìn)行了以上措施應(yīng)用，繼續(xù)統(tǒng)計(jì)焊縫裂紋出現(xiàn)次數(shù)與氣溫的關(guān)系，并與2020年做了比較，如表3所列。

表3 2021不同月份及溫度下裂紋出現(xiàn)次數(shù)

從表3統(tǒng)計(jì)可以看出，平均氣溫零度以上的月份裂紋再?zèng)]有出現(xiàn)，平均氣溫零度以下的月份裂紋明顯降低，統(tǒng)計(jì)全年裂紋出現(xiàn)的頻率發(fā)現(xiàn)，有裂紋的縱縫條數(shù)占全年3 900條縱縫總數(shù)的0.41%，相比2020年頻率降低了1.42%，裂紋出現(xiàn)的頻率降低了77.6%，效果比較明顯。

3 結(jié) 語(yǔ)

焊縫冷裂紋對(duì)風(fēng)電塔架設(shè)備的危害極大，其延遲的特性使得發(fā)現(xiàn)和進(jìn)一步預(yù)防變得更為困難，作為高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)電塔架設(shè)備，其在運(yùn)行過(guò)程中所受風(fēng)力異常復(fù)雜，即便是特別細(xì)小的焊縫缺陷都會(huì)威脅到風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的壽命，更何況在焊接領(lǐng)域中最忌諱的冷裂紋缺陷，稍有不慎就會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量事故發(fā)生。文中提供了一種解決思路和應(yīng)用案例，分析焊接過(guò)程，制定合理的焊接工藝和控制措施，才能實(shí)現(xiàn)提高制造質(zhì)量的目標(biāo)。