风电塔筒法兰外翻变形的控制工艺

风电塔筒法兰外翻变形的控制工艺摘要：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。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。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01.2mm，焊接电流220〜250A,电压28〜30V,气体流量15〜20L/min；焊接米用埋弧自动焊，焊丝为H10Mn2，焊丝直径04mm，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。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26.2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。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