风电塔筒法兰外翻变形的控制工艺论文_李景文

广东水电二局股份有限公司 511341

摘要:介绍了风电塔筒结构及塔筒法兰设计要求,阐述了风电塔筒法兰与筒体焊接的传统工艺及存在的问题,针对焊后法兰出现外翻变形的现象。在设计塔筒法兰时,采用了预留焊接反变形量的方法,对风电塔筒制造工艺进行了改进,通过试验表明,改进后的工艺简单实用、可操作性强,具有一定的推广价值。

关键词:塔筒;法兰外翻变形;控制工艺

1.引言

风能作为一种不产生任何污染的可再生能源,在自然界蕴量巨大。开发风能占地少,投资期短,近年来在世界各地得到了迅猛发展。塔架是风力发电机组的主要支撑部件,承受载荷包括风载荷、机组自重及由机组重心偏移引起的偏心力矩等。其结构多为圆锥台形的钢制焊接圆筒,高度一般在50~100m之间,底部直径3~5米,顶部直径2~3米,筒体板厚不等,多在10~30mm变化,材质均为Q345级,多建在偏远风多的丘陵及沿海地带。受运输和吊装的限制通常分段制作,段与段之间通过法兰采用高强螺栓连接。由于塔架受力复杂,法兰的平面度直接影响法兰的结合程度和预紧状态,良好的结合才能更好的传递上部的力到基础,因而对法兰的平面度作出比较严格的要求。由于法兰和筒体是通过焊接的方法连接在一起的,所以如何保证法兰与筒体焊接后的内倾量满足设计要求,便成为影响风电塔筒生产进度和保证塔筒质量的关键技术问题。

2.工程背景

某企业承制了一批1.5MW管塔式风电塔筒,塔筒总高70m,由上、中、下3段和基础环构成,段与段之间依靠法兰用螺栓连接,整体形状为圆锥形筒体结构,外形如图1所示。底部最大直径4010mm,顶部最小直径2955rma,筒体板厚由基础环44rma变化到顶部12mm,自身总质量为125t,筒体板材为0345E,法兰材质为$355NL-225。

图1 风电塔筒结构示意图

风电塔筒不仅高度高,而且要承受来自其顶部机舱的几十吨的质量,同时风电塔筒通常被安装在风力较大处,工作环境复杂,因此要求其具有较高的稳定性。为确保风电塔筒安装后的稳定性和使用寿命(一般为20a以上),对风电塔筒的制造质量提出了很高的要求。其中塔筒法兰内倾量设计要求为顶部法兰0-0.5mm,其余法兰0-1.5mm,如图2和图3所示。

图2顶部法兰的设计内倾量

图3其余法兰的设计内倾量

3.塔筒法兰对接坡口形式

法兰的对接坡口在控制法兰焊后变形起到很重要的环节。在法兰的对接坡口设计上,一般有对称双面坡口,不对称双面坡口,单面坡口等几种坡口形式。在实际的生产中,我们发现,不同的坡口用同样的焊接方法,焊后的变形是截然不同的,经过多次试验,对于以上的双面坡口形式,特别是对称双面坡口,焊后变形比较难控制,而单面坡口却可以根据刨缝的深度来很好的控制法兰的内倾度。因此,在实际的生产中,对于颈厚≤30mm的法兰,坡口设计为单面坡口比较合适,对于颈厚>30mm的法兰,坡口设计为内部大坡口,外部小坡口的双面不对称坡口比较合适。在生产过程中,我们还要根据其实际的变形量来更改坡口角度、钝边大小,以达到焊后法兰不外翻,内倾适度的状态。

4.塔筒法兰与管节拼装

为了保证法兰焊后的平面度,我们采用的是先将单个法兰与筒体进行拼装焊接,最后再将法兰节与其他管节进行环缝焊接的形式。

在法兰与管节的拼装过程中,有一下几点需注意:

拼装前将法兰固定在专用的工装上,并用水准仪调平(平面度≤1mm);

拼装时将管节的管口撑圆,外边平齐后在外侧点焊固定;

拼装完法兰与工装之间的间隙≤0.5mm,法兰与管节之间的间隙≤1mm;

在拼装进人门管节与法兰时,由于焊接进人门后会收缩,需在在进人门方位预留2mm法兰与管节之间的拼装间隙,以抵消进人门焊后的收缩余量。

以上方法使得法兰平面度在焊后一般控制到了0~2mm之内,焊后少量的火焰校正即可达到设计要求。

5.塔筒法兰与管节的焊接

法兰的焊接,对焊后法兰的变形量起着至关重要的作用,在实际操作中,我们总结出一套法兰焊接方法如下:

采用CO2气体保护焊在外壁进行打底,埋弧焊进行填充盖面进行焊接,焊丝采用ER50-6,焊丝直径Ф1.2mm,焊接电流220~250A,电压28~30V,气体流量15~20L/min;

焊接采用埋弧自动焊,焊丝为H10Mn2,焊丝直径Ф4mm,焊剂为SJ101,焊接能量≤40KJ/cm;

焊接过程中控制层间温度≤250℃,控制每层厚度不大于5mm,焊接电流电压如下表所示:

焊接顺序:先焊塔筒内壁的内部坡口,外壁坡口清根后,再焊接外壁坡口;如碰到法兰颈厚>30mm的内大外小双面坡口时,可以先焊接内部坡口,预留盖面层,外壁坡口清根,再焊外壁坡口,最后焊接内壁盖面层。

以上焊接方法对焊后的法兰变形得到了有效的控制,使得焊后火焰校正法兰的工作量大大减少。

6.传统工艺及存在问题

6.1传统工艺

为了使法兰与筒体焊接后的内倾量满足设计要求,传统工艺是将2个合格的法兰通过刚性固定法连接,找正法兰与筒体的位置后,再焊接成为一个整体。传统工艺实现的方法通常有2种:第1种方法是将两法兰用螺栓连接在一起,在2个法兰之间、螺栓内侧均匀垫上2mm厚的垫片,拧紧螺母并找正法兰和筒体的位置后,实施法兰与简体的焊接,然后将螺栓拆除,如图4所示。第2种方法是先在两法兰内壁均匀焊接8~10块连接钢板,将两法兰固定在一起,然后找正法兰与简体的位置后,再进行焊接,最后将连接钢板去除,如图5所示。

图4刚性固定法1

图5刚性固定法2

6.2存在问题

不管采用以上哪种方法,由于焊接应力的作用,当将螺栓或连接钢板去除后,均会出现一个共性问题,那就是法兰出现外翻变形,不能满足设计要求,如图6所示。由于受法兰外翻变形的影响,采用第1种方法焊接后,拆卸螺栓非常困难。采用第2种方法焊接后,必须割下连接钢板,打磨和抛光焊点,同时还必须进行探伤检测等,这样使得工艺繁琐,生产效率较低。

图6法兰外翻变形示意图

法兰出现外翻变形后,传统工艺是采用火焰加热的方法进行校正,使法兰内倾量满足设计要求。外翻变形量£在2.0mm--2.8mm之间的,校正最短需要3d时间,如果外翻变形量£超过3mm,只能将焊缝割开,校正法兰后,再重新装配、焊接,这样既浪费人力物力,又影响生产进度。

7.工艺改进

为有效提高塔筒法兰内倾量的一次性生产合格率,通过对焊接后的法兰外翻变形数据进行统计分析,并对采购的成品法兰进行预加工,即在焊接前使法兰产生一定的内倾量(预留焊接反变形量),然后进行找正装配、焊接,达到了比较满意的效果。经过反复试验,最终确定了成品法兰预留内倾量为顶部法兰0.6+0.20mm,其余法兰1.5+0.50mm,如图7和图8所示。经过工艺改进,法兰与简体焊接后的内倾量一次性生产合格率达到了96%以上,塔筒的生产周期由原来的10d缩短到了6d,大大提高了生产率,获得了显著的经济效益。

图7顶部法兰的预留内倾量

图8其余法兰的预留内倾量

结语

塔筒制造工艺的设计时,还应考虑塔筒图纸设计的具体情况和现有的生产条件,尽量使得工艺具有可行性和可操作性,这样才能使得该制造工艺在企业的生产过程中被良好的应用。通过对风电塔筒法兰与简体焊接的工艺进行改进,有效地提高了法兰内倾量一次性生产合格率,提高了生产率,降低了成本。同时有效地消除了反复刨焊造成焊缝成形质量差的现象,提高了产品外观质量及内在质量,获得了用户好评。实践证明,该制造工艺在塔筒生产制造过程中可操作性较强,效果显著,可广泛应用于风电塔筒的生产,也可为其他焊接变形问题的解决提供借鉴。

参考文献:

[1]张鹏林,许亚星,桑远,赵志强.磁记忆技术在风电塔筒检测中的应用[J].无损检测,2014,36(09):67-69.

[2]李生福.风电塔筒法兰焊接变形控制的工艺分析[J].中国战略新兴产业,2017(28):174.

[3]戈文英.风电塔筒法兰用S355NL钢的低温冲击韧性[J].特殊钢,2015,36(05):47-50.

论文作者:李景文

论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期

论文发表时间:2018/9/10

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风电塔筒法兰外翻变形的控制工艺论文_李景文
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