胡寶成，李富科，何衛(wèi)東，楊顯珍

(甘肅酒鋼集團(tuán)西部重工股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 引 言

風(fēng)電機(jī)組塔架是支撐機(jī)艙和風(fēng)輪的風(fēng)電機(jī)組重要部件。塔架法蘭是風(fēng)電塔架的關(guān)鍵連接件、支撐件和受力件，長(zhǎng)期在高空各種惡劣天氣及復(fù)雜風(fēng)力變化載荷下承受拉伸、扭曲和剪切等作用力，法蘭平面度的幾何指標(biāo)，將直接影響塔架兩段連接法蘭之間的結(jié)合程度及塔架安裝螺栓預(yù)緊狀態(tài)。

由于在風(fēng)電塔架制作過程中，受塔架筒體展開下料精度、筒體卷制合口凹凸度、塔架組對(duì)間隙、組對(duì)錯(cuò)邊量及塔架焊縫焊接變形影響，塔架法蘭平面度幾何尺寸時(shí)有超標(biāo)現(xiàn)象。

為了保證塔架法蘭平面度符合塔架制造技術(shù)規(guī)范要求，需要矯正超標(biāo)的塔架法蘭平面度，而矯正法蘭平面度通常采用機(jī)械加工和火焰矯正的方式進(jìn)行。由于風(fēng)電塔架單體工件較大，筒體直徑均在3 m以上，長(zhǎng)度達(dá)20 m左右，重量最少為25 t，采用機(jī)械加工方式矯正法蘭平面度，需要端面銑等加工設(shè)備，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，矯正效果也不是非常理想；而采用火焰加熱方式矯正法蘭平面度，效率高、操作簡(jiǎn)便，是多數(shù)塔架生產(chǎn)廠家的常用方式。

1 火焰矯正的原理及基本方法

1.1 火焰矯正的原理

鋼材在加熱膨脹迅速冷卻到低溫收縮所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，稱之為熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力大于鋼材的彈性極限時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，火焰矯正就是利用鋼材熱應(yīng)力產(chǎn)生變形，達(dá)到所需變形效果的過程。

火焰矯正的原理：鋼材受熱以1.2×105℃的線膨脹率向各個(gè)方向伸長(zhǎng)，由于周圍物體對(duì)受熱處物體的限制，受熱物體受到壓縮，當(dāng)冷卻到原來的溫度時(shí)，除收縮到未加熱時(shí)的長(zhǎng)度外，鋼材將會(huì)按1.48×106℃的收縮率繼續(xù)收縮一部分，于是收縮后的長(zhǎng)度就會(huì)比加熱前有所縮短。這種特性就為法蘭平面度火焰矯正提供了依據(jù)，在適當(dāng)位置對(duì)塔架筒體進(jìn)行火焰加熱，當(dāng)筒體冷卻后產(chǎn)生較大的冷縮應(yīng)力，使鋼材較長(zhǎng)部分的纖維縮短，使法蘭平面度高點(diǎn)位置降低，從而達(dá)到矯正法蘭平面度超標(biāo)變形的目的。

1.2 火焰矯正的加熱方法

火焰矯正的常用加熱方法有點(diǎn)狀加熱、線狀加熱和三角形加熱三種。

(1) 對(duì)于12 mm以下板厚鋼板凹凸變形，在機(jī)械矯正不能完全復(fù)原的情況下采用點(diǎn)狀加熱，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和變形情況, 可加熱一點(diǎn)或數(shù)點(diǎn)。

(2) 對(duì)于材料厚度較大, 剛性較強(qiáng), 存在拱變形和旁彎變形的構(gòu)件，采用面狀加熱(三角形加熱)，加熱區(qū)域?yàn)槿切? 由于加熱面積較大因此收縮量也較大, 加熱時(shí)可用兩只或多只焊矩進(jìn)行操作。

(3) 對(duì)于鋼制構(gòu)件的角變形和局部彎曲變形，采用線狀加熱，加熱帶長(zhǎng)度方向上產(chǎn)生的收縮量較小，橫向收縮量較大。

根據(jù)火焰矯正加熱方法，對(duì)于法蘭平面度矯正來說，是將筒體平面矯正到一個(gè)平面上，使用線狀加熱矯正，利用加熱帶的橫向收縮產(chǎn)生的強(qiáng)大拉應(yīng)力，將筒體平面拉至一個(gè)平面上，從而將法蘭平面高點(diǎn)降低，進(jìn)而達(dá)到法蘭平面度標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 火焰矯正溫度控制

(1) 火焰矯正工具：大號(hào)的焊炬、割炬(或特制的加熱工具)等矯正工具；檢查工具；紅外線測(cè)溫槍；加熱氣體(氧氣、乙炔)等。

(2) 矯正火焰：射吸式焊炬利用氧與乙炔混合氣體燃燒產(chǎn)生火焰，調(diào)節(jié)氧和乙炔的混合比例，可以獲得三種不同性質(zhì)的火焰，三種火焰最高溫度可見表1(焊炬氧乙炔體積比及可達(dá)最高溫度表)。

表1 焊炬氧乙炔體積比及可達(dá)最高溫度 /℃

碳化焰因乙炔沒有完全燃燒，易使鋼材碳化，特別對(duì)熔化的鋼材有加入碳質(zhì)的作用，此火焰在矯正時(shí)應(yīng)盡量避免使用。

對(duì)于加熱深度小于5 mm，需要較快的加熱速度，這時(shí)用氧化焰進(jìn)行矯正。

對(duì)于加熱深度小于5 mm，需要較慢的加熱速度，這時(shí)用中性焰進(jìn)行矯正；風(fēng)電塔架筒體鋼板板厚均在10 mm以上，在法蘭平面度矯正時(shí)，為達(dá)到加熱冷卻收縮目的，選擇使用中性火焰。

(3) 矯正加熱溫度及冷卻方式

火焰矯正按加熱溫度可分為低溫矯正、中溫矯正、高溫矯正三種，三種矯正溫度可如表2所列。

表2 火焰矯正加熱溫度及冷卻方式表

火焰矯正時(shí)加熱溫度越高，越容易引起金屬變脆、影響沖擊韌性，而且冷卻速度越快，金屬?zèng)_擊韌性越差。風(fēng)電塔架筒體使用的鋼板都是Q345材質(zhì)鋼板，而且要求材料低溫沖擊值不得小于27 J(-20 ℃時(shí)為34J,-40 ℃時(shí)為27 J),所以塔架法蘭平面度矯正火焰加熱應(yīng)采用低溫矯正，并采用空氣冷卻方式，嚴(yán)禁使用水冷卻[4]。

2 塔架法蘭平面度火焰矯正

風(fēng)電塔架法蘭平面度矯正，采用線狀(帶狀)加熱方式，但加熱位置、加熱范圍、筒體板厚、加熱順序、環(huán)境溫度等因素，均對(duì)法蘭平面度矯正效果有著一定的影響，現(xiàn)將常用的二種火焰矯正方式進(jìn)行比較，總結(jié)出更加快速高效的矯正方法。

2.1 直線式加熱矯正法

(1) 火焰加熱位置及溫度如圖1所示。

圖1 火焰加熱位置及溫度

根據(jù)塔架法蘭平面度檢測(cè)數(shù)據(jù)，沿筒體展開長(zhǎng)度方向直線加熱，第1次加熱位置距法蘭與筒節(jié)相接環(huán)焊縫350～450 mm，加熱寬度50～70 mm，法蘭平面度超標(biāo)嚴(yán)重區(qū)域加熱溫度為520～580 ℃，法蘭平面度超標(biāo)區(qū)域加熱溫度為480～520 ℃，為保證法蘭平面度光滑過渡，適當(dāng)延長(zhǎng)加熱帶長(zhǎng)度，加熱帶延長(zhǎng)至法蘭平面度合格區(qū)域，法蘭平面度合格區(qū)域加熱溫度為440～480 ℃，延長(zhǎng)長(zhǎng)度為100～200 mm。

如果1次加熱未達(dá)到矯正效果，則需要做第2次加熱，與第1次加熱區(qū)域間隔100～150 mm，其加熱溫度應(yīng)略高于前次，否則也無效果，熱矯正的加熱次數(shù)與升溫呈正比，每重復(fù)1次要提高1次溫度才有成效，而鋼材加熱的高溫，可使材料性能變脆，影響使用性能，所以加熱矯正不得超過二次。

(2) 實(shí)際加熱矯正效果如表3所列(以遠(yuǎn)景塔架項(xiàng)目為例)。

表3 直線加熱實(shí)際操作檢驗(yàn)表

采用相同的加熱寬度，較高的加熱溫度(低溫矯正中的高溫520～580 ℃)，1次加熱可使鋼材收縮近1 mm，通過二次加熱，可達(dá)到火焰矯正效果，滿足塔架法蘭平面度要求。

2.2 魚狀式加熱矯正法

(1) 火焰加熱位置及溫度如圖2所示。

圖2 火焰加熱位置及溫度

根據(jù)塔架法蘭平面度檢測(cè)數(shù)據(jù)，沿筒體展開長(zhǎng)度方向魚狀形加熱，第1次加熱位置距法蘭與筒節(jié)相接環(huán)焊縫100～150 mm，加熱寬度呈魚狀，法蘭平面度超標(biāo)嚴(yán)重的位置寬度為120～170 mm，向兩邊光滑過渡，延長(zhǎng)到法蘭平面度合格為，寬度為10～30 mm，加熱帶加熱溫度為520～580 ℃。

如果一次加熱未達(dá)到矯正效果，則需要做第2次加熱，與第1次加熱區(qū)域間隔50～100 mm，其加熱溫度應(yīng)略高于前次，為保證材料性能，加熱矯正不得超過兩次。

(2) 實(shí)際加熱矯正效果如表4所列(以三一塔架項(xiàng)目為例)。

表4 魚狀加熱實(shí)際操作檢驗(yàn)表

采用魚狀形加熱寬度，較高的加熱溫度(低溫矯正中的高溫520～580 ℃)，一次加熱可使鋼材收縮近1 mm，但由于部分法蘭平面度超標(biāo)嚴(yán)重(達(dá)3.5 mm以上)，采用兩次加熱，兩次與一次加熱區(qū)域距離較近，一次加熱為近法蘭位置，兩次加熱遠(yuǎn)離法蘭，兩次收縮量有部分抵消，法蘭平面度矯正效果不佳，對(duì)超標(biāo)嚴(yán)重的法蘭環(huán)焊縫需進(jìn)行刨開重新焊接，不能取到火焰矯正效果。

2.3 風(fēng)電法蘭平面度火焰加熱矯正法

(1) 火焰加熱位置及溫度如圖3所示。

圖3 火焰加熱位置及溫度

(2) 根據(jù)塔架法蘭平面度檢測(cè)數(shù)據(jù)，沿筒體展開長(zhǎng)度方向采用魚狀形加熱，第1次加熱位置距法蘭與筒節(jié)相接環(huán)焊縫350～450 mm，加熱寬度在平面度超標(biāo)嚴(yán)重區(qū)域?yàn)?20～170 mm，逐漸向兩邊光滑過渡，適當(dāng)延長(zhǎng)加熱帶長(zhǎng)度，加熱帶延長(zhǎng)至法蘭平面度合格區(qū)域，法蘭平面度合格區(qū)域延長(zhǎng)帶加熱寬度為50～70 mm，延長(zhǎng)帶長(zhǎng)度為100～200 mm；法蘭平面度超標(biāo)嚴(yán)重區(qū)域加熱溫度為520～580 ℃，法蘭平面度超標(biāo)區(qū)域加熱溫度為480～520 ℃，法蘭平面度合格區(qū)域加熱溫度為440～480 ℃。

(3) 如果1次加熱未達(dá)到矯正效果，則需要做第2次加熱，與第1次加熱區(qū)域間隔100～150 mm，由遠(yuǎn)離法蘭連接環(huán)縫向近法蘭環(huán)縫依次加熱，加熱溫度略高于第1次，加熱矯正不得超過兩次。

(4) 由于塔架法蘭平面度冷卻采用空氣冷卻，環(huán)境溫度決定了冷卻速度，冷卻速度越快，鋼材收縮量越大，而加熱溫度越高，鋼材收縮量也越大，故而，塔架法蘭平面度火焰矯正時(shí)，要根據(jù)環(huán)境溫度變化，適當(dāng)調(diào)整加熱溫度，控制鋼材收縮量，達(dá)到理想的矯正效果。

通過二種加熱方法的結(jié)合，此種矯正方法，即解決了加熱寬度不能保證鋼材收縮量的問題，又解決了兩次加熱收縮相互抵消的麻煩，可提高風(fēng)電法蘭火焰矯正效率和矯正效果，滿足塔架技術(shù)規(guī)范要求。

3 結(jié) 語

風(fēng)力塔架法蘭焊接時(shí)需要控制三個(gè)指標(biāo)：法蘭平面度、法蘭角變形(即內(nèi)傾量)、法蘭橢圓度，在焊接過程中采取相應(yīng)的工藝措施，保證這三個(gè)指標(biāo)符合工藝技術(shù)要求。通過總結(jié)多年塔架法蘭平面度火焰矯正的基礎(chǔ)上，采用合理的火焰矯正方法，根據(jù)鋼板板厚，有效控制火焰矯正溫度，選擇適當(dāng)加熱位置、加熱順序，解決塔架法蘭平面度超標(biāo)矯正問題。對(duì)提高風(fēng)電法蘭火焰矯正效率和矯正效果具有實(shí)際指導(dǎo)意義。