風電塔架筒體縱縫冷裂紋產生原因及預防*

魏永輝，何衛東，聶允堂，徐永明，門永卿，楊顯珍，張 鴻

(1.甘肅酒鋼集團西部重工股份有限公司 甘肅 嘉峪關; 2.甘肅省機械科學研究院有限責任公司 甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

隨著國家風電“平價上網”政策的實施，風電機組技術不斷創新和完善，低風速的風電機組技術的不斷成熟，采用百米以上規格的塔架和柔性塔架的風機機組技術日益增多，其塔架筒體多采用20 mm以下板厚的鋼板，這種超大結構設計給生產制造帶來不小的挑戰。塔架在制作過程中，焊縫中的擴散氫、焊接接頭的淬硬組織及焊接接頭的應力三要素[1]導致縱縫裂紋頻繁出現，直接危及塔架質量，進一步又制約著塔架生產周期，給企業的生產制造帶來不小的影響。

筆者通過分析風電塔架筒體縱縫焊接及其筒節矯圓的施工過程，探討塔架筒體縱縫焊接裂紋產生的原因，并尋求相應的防范措施，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生的原因

1.1 冷裂紋形成過程及原因

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

焊接裂紋的產生，是由于焊縫金屬從熔化狀態到冷卻凝固的過程中經過了熱膨脹與冷收縮變化，有較大的冷收縮應力存在，而且顯微組織在從高溫到低溫的相變過程中會產生組織應力，再加上母材非焊接部位處于冷固態狀態，與焊接部位存在很大的溫差，從而產生熱應力等等，這些應力的共同作用一旦超過了材料的屈服極限，材料將發生塑性變形，超過材料的強度極限則導致開裂。

焊接裂紋根據其尺寸、部位、機能和形成原因的不同會有不同的分類方法。焊接裂紋就其本質來分，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所產生的裂紋，常見鋼材產生裂紋的溫度為在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所說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，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，則容易發生冷裂紋。

大量的理論研究和生產實踐經驗證明，產生焊接冷裂紋的三大主要因素為焊縫中的擴散氫、焊接接頭的淬硬組織及焊接接頭的應力，通常稱為冷裂紋三要素。這三個因素或單獨或相互作用共同對焊接接頭冷裂紋產生影響[4]。

1.2 塔架縱縫裂紋的特點

縱縫的坡口形式為Y型單面坡口，坡口在筒體內壁，坡口角度為55°～60°，鈍邊5 mm，焊接順序為正面焊接1～2層，外壁碳弧氣刨清根后焊接1層。通過返修和射線檢測50多條焊縫有缺陷的筒體發現，裂紋集中位于縱縫兩端0～150 mm以內，且距離端頭10～50 mm較多，深度靠近正面焊縫表面下居多。裂紋表現出長度3～5 mm，寬度近1 mm不等形態，裂紋呈現橫向或者縱向布置，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

通過統計材質為Q355D或Q355NE低合金高強度結構鋼板的塔架筒體裂紋出現時的相關溫度、出現時的工序、厚度等影響因素，發現塔架筒體板厚15～20 mm，筒節縱縫裂紋多是在筒節矯圓后或環縫焊接后出現，并主要出現在縱縫焊接后直接進行矯圓作業的筒節縱縫上，此時焊縫溫度在200～300 ℃，按照縱縫裂紋產生的時間及特點，從而可以確定塔架筒體縱縫裂紋應為焊接冷裂紋。

1.3 塔架縱縫裂紋產生的原因

1.3.1 氫作用分析

常見的焊接過程的氫主要來源于空氣中的水分、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]，隨著焊接冶金過程的完成而形成氫原子擴散到焊縫中，使得鋼的晶粒間原子結合力降低，同時生產的有機物氣體形成局部高壓，造成應力集中，最終使得鋼材產生微裂紋。

塔架筒體采Q355D或Q355NE鋼板，碳當量小于0.4%，屬于焊接性能好的鋼材。縱縫焊接焊材選用底氫H10Mn2(埋弧焊絲)+SJ101(燒結焊劑)，使用前對焊絲按照GB/T5293要求進行復檢，且按照與正式焊相同的參數進行焊接工藝評定，均符合要求后開始焊接，焊前對坡口、鐵銹等均嚴格處理，所以氫致裂紋的可能性很小。

1.3.2 環境溫度影響分析

冬季焊接施工時對焊縫兩側150 mm范圍進行了預熱，預熱溫度15～20 ℃，施工處在室外，環境溫度-15～5 ℃，焊接過程中確保層間溫度不低于預熱溫度，其余季節均不預熱，其余焊接參數不分季節。焊接結束后直接進入下道工序。

對筆者所在公司2020全年施工中焊縫裂紋出現次數與氣溫進行統計，如表1所列。

表1 2020不同月份及溫度下裂紋出現的次數統計表

焊接過程中溫度場的不均勻是導致裂紋出現的關鍵因素，在風電塔架筒體焊接施工過程中工件所處的環境溫度的高低決定著溫度場的變化，將表1數據制作成趨勢線，如圖2所示。通過圖2看出裂紋出現的次數隨著溫度的降低而增加，隨著溫度的上升而減少。既有高溫月份出現裂紋，也有低溫月份出現裂紋，不具有規律性，低溫月份的裂紋數量明顯高于高溫月份裂紋數量。同時說明環境溫度較低時，焊接后的快速冷卻導致馬氏體組織的出現，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裂紋。進一步總結2020年全年出現裂紋的縱縫頻率發現，有裂紋的縱縫條數占全年4650條縱縫總數的1.83%。

圖2 氣溫與裂紋出現次數的趨勢

1.3.3 應力影響分析

(1) 引熄弧板的影響

在塔筒縱縫焊接時，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保證焊縫末端質量。焊縫焊完后將整個熔池引到熄弧板上再結束焊接，可防止收弧處熔池金屬流失或留下弧坑；②對焊縫末端起固定作用。當焊接熔池進行到焊縫終端，把最后一個定位焊道熔化時，定位焊道被加熱到無強度狀態，失去了對筒體縱焊縫的固定作用，此時熄弧板就替代了定位焊，并且應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置及焊縫受力示意如圖3所示，因出現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，特別是試焊時導致溫度場的進一步不均勻，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，隨著溫度場的進一步變化，應力的組合作用加深，縱縫在筒體與引弧度、熄弧板連接位置出現開裂。引弧(熄弧)板的寬度越窄，其與筒體焊接固定的焊縫長度越短，這種組合應力作用更加明顯，甚至斷裂脫落；現場縱縫裝配時通常預留1～2 mm的間隙，而引弧板、熄弧板卻是一個完整的鋼板，起到固定作用，這會導致焊縫承受較大σy作用，這種拘束作用導致焊縫內部殘余應力積聚。

圖3 引熄弧板設置及受力示意圖

通過觀察現場使用的引熄弧板寬度發現，寬度均在100 mm以下，熄弧板對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或脫落現象，甚至在最后的幾層焊接中不采用無引熄弧板，這種引熄弧板的形式及設置的不規范也是縱縫裂紋產生的又一原因。

(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，然后進行筒節矯圓，矯圓結束后焊縫溫度已經降至室溫，隨后進行縱縫無損檢測。這種作業流程致使整個焊縫表面被擠壓成臺階狀，說明縱縫焊接內部組織還未完全結晶；焊縫余高越大，受筒節矯圓擠壓越為嚴重，焊縫應力較大，在塔架各節筒節組對成塔段后，環縫焊接應力與縱縫焊接及擠壓應力交變作用，從而造成縱縫裂紋，這是縱縫裂紋產生的又一主要原因。

2 防范措施及應用效果

2.1 預防措施

防止焊接冷裂紋的方法需要綜合生產中的影響因素，需從焊條的烘干、環境溫度、油污等細節調整[7]，由上述分析可以看出，塔架筒體縱縫裂紋的產生受環境溫度、引熄弧板、矯圓三方面影響，應采取以下幾個方面的措施。

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

(2) 改變原有引熄弧板形式和尺寸，形式如圖4所示，寬度和長度變為150～200 mm。焊前在引熄弧板焊道兩側設置100～150 mm長的割縫，割縫間距70～100 mm，兩側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焊道橫向自由收縮，避免終端開裂。

圖4 引熄弧板示意圖

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

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

(5) 規范引熄弧板的去除方式，縱縫冷卻后方可去除，氣割時預留3～5 mm，然后角磨機打磨至與筒體平齊，嚴禁錘擊等外力去除方法。

(6) 加強筒節矯圓后縱縫超聲波無損檢測質量，特別是焊縫終端去除引熄弧板位置的檢測，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 應用效果

針對以上預防措施，2021年在諾木洪塔架制造項目中進行了以上措施應用，繼續統計焊縫裂紋出現次數與氣溫的關系，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次數

從表3統計可以看出，平均氣溫零度以上的月份裂紋再沒有出現，平均氣溫零度以下的月份裂紋明顯降低，統計全年裂紋出現的頻率發現，有裂紋的縱縫條數占全年3 900條縱縫總數的0.41%，相比2020年頻率降低了1.42%，裂紋出現的頻率降低了77.6%，效果比較明顯。

3 結 語

焊縫冷裂紋對風電塔架設備的危害極大，其延遲的特性使得發現和進一步預防變得更為困難，作為高聳結構的風電塔架設備，其在運行過程中所受風力異常復雜，即便是特別細小的焊縫缺陷都會威脅到風力發電設備的壽命，更何況在焊接領域中最忌諱的冷裂紋缺陷，稍有不慎就會導致質量事故發生。文中提供了一種解決思路和應用案例，分析焊接過程，制定合理的焊接工藝和控制措施，才能實現提高制造質量的目標。