風電塔筒基礎環雙排螺栓孔法蘭的焊接變形控制技術

吳海宏

摘 要：廣東石板嶺風電場的塔筒基礎環采用大直徑鋼管與雙排螺栓孔法蘭T型焊接的結構形式，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、內傾度的要求，針對雙排螺栓孔法蘭的結構特點，采用焊接新工藝，保證焊后符合設計要求。

關鍵詞：風電塔筒；雙排螺栓孔法蘭；焊接變形

中圖分類號：TG404 文獻標志碼：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整、電力需求量的增加及對環保工作的重視，風力發電作為清潔能源，在我國得到大力推廣。風電設備設計不斷推陳出新，在塔筒設計方面更是創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電場塔筒制造項目，其基礎環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，要求基礎環焊接后上法蘭平面度小于1.5mm，內外圈的內傾度均達到0-1mm。由于普通鍛造法蘭的焊接工藝不適用，在實踐的基礎上，本文對風電塔筒基礎環雙排螺栓孔法蘭焊接工藝進行了深入分析總結，為同行業應用提供實踐經驗。

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致焊接熱影響區母材及法蘭的變形，以下從幾個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，焊接時必須控制焊接線能力的大小，避免施焊時局部受熱不均引起焊接變形。

2.2 焊接坡口的規格

焊接坡口越大，需熔敷的金屬便越大，熱輸入也越大，產生變形機會也越大。在訂購鍛造法蘭和筒體板材下料時，預先設定合適的坡口。

2.3 組裝間隙的大小

由于下料等環節，可能導致管口不平整，在筒節與法蘭組裝時出現組裝間隙過大或間隙不均，造成在焊接時金屬填充量出現細微差別，從而引起焊接變形。

2.4 焊接順序

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

2.5 焊接工藝參數

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

3 制作過程

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

組對合格后在外圈采用手工點焊方式固定法蘭與筒節，安排兩人在內圈進行對稱打底焊，隨后在外圈進行清根并內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，將基礎環整體吊至專用自動焊接平臺，先焊外圈焊縫，再焊內圈焊縫。

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

4 控制變形的具體措施

4.1 保證筒節下料精準和法蘭預制內傾度

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

法蘭在鍛造時，應預設內外圈0-1mm的內傾度，平面度應小于0.6mm。

4.2 優化坡口設計

法蘭外圈完全處于無約束狀態，容易產生內傾度超差變形，填充量應小些。法蘭內圈收縮的阻力較大，填充量應大些。經過試驗對比分析，法蘭內側坡口角度為54°，深度為29mm，外側坡口角度為70°，深度為13mm，鈍邊為3mm，如圖3所示。通過多次試驗，該坡口型式可以有效調節內外圈法蘭的變形量和內傾度，同時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

傳統的剛性固定方法是焊接前先在法蘭內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個高強螺栓將其鎖定后，才與筒節進行組裝和焊接。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傾度一次檢測合格率高達97%以上。

4.4 保證組裝間隙

由于坡口設計已預留3mm鈍邊，在組裝時應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 優化焊接順序

焊接時50%-60%的收縮變形產生于第一道焊縫，根據坡口的設計，應先焊內圈再焊外圈。

法蘭環縫自動焊接前，先在內側環縫用二氧化碳氣保焊先打底焊2道，外面用碳棒氣刨清根并焊2道。然后法蘭的內外環縫交替焊接，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外環縫剩余的焊道焊完。

4.6 選擇合適的焊接方法和工藝參數

先采用CO2氣體保護焊，再采用埋弧自動焊的方法，經過焊接工藝試驗，各層次焊接工藝參數宜設定如表1所示：

5 結束語

這是我公司首次制作帶雙排螺栓孔法蘭的風電塔筒基礎環，該法蘭連接形式是未來海上風電項目塔筒法蘭和單機規模3MW以上機型的塔筒法蘭設計趨勢，我司還將該項技術成功推廣應用到珠海桂山島海上風電場塔筒制造項目中。該技術采用焊接新工藝，保證法蘭的焊接變形和質量符合設計要求，同時還提高了生產效率，減少加熱矯正等費用，取得了一定的經濟效益。該項技術處于國內風電先進裝備制造領域領先水平，值得同行業借鑒學習。

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