郭平俊， 朱鍇年

（中國(guó)水利水電第四工程局有限公司， 甘肅 蘭州 730050）

0 引言

我國(guó)近海風(fēng)能資源豐富，海上風(fēng)電具有不占用土地，效率更高；靠近電力負(fù)荷中心，靠近主要經(jīng)濟(jì)圈，常年有風(fēng)，不需要長(zhǎng)途運(yùn)輸，符合電力負(fù)荷中心的需求；海上風(fēng)電對(duì)人類的生產(chǎn)和生活環(huán)境影響??； 而且海上風(fēng)電設(shè)備采用海運(yùn)運(yùn)輸，對(duì)設(shè)備尺寸限制很少，越來(lái)越大容量的風(fēng)機(jī)被采用，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益越來(lái)越明顯。

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒是風(fēng)力發(fā)電的重要設(shè)備之一[1]，它將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐到80 m 以上的高空，其質(zhì)量直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成套設(shè)備的安全運(yùn)行。 海上風(fēng)電塔筒尺寸超大，精度要求高，技術(shù)難度大，市場(chǎng)需求量大，只能在沿海少數(shù)廠家生產(chǎn)制造，中國(guó)水電四局生產(chǎn)7MW海上風(fēng)電塔筒工藝研究。

1 海上風(fēng)電塔筒基本情況

海上風(fēng)電7MW 大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒尺寸超大，重量超重，為管塔式結(jié)構(gòu)，分為4 大段，除頂段塔筒外形為圓臺(tái)，其余為圓柱形，其中最大直徑7000mm，最小直徑5200mm， 單段塔筒最大長(zhǎng)度達(dá)35000m， 總高度達(dá)95.60m，單段塔筒最大重量達(dá)146.80t。 筒體材料：Q345D，最大板厚80mm，母材為低溫材料：焊接工程量大，焊縫質(zhì)量要求高；對(duì)焊接變形控制難度大，直徑大7m 塔筒法蘭平面度及等尺寸精度要求高。

目前， 海上風(fēng)電5MW 以上機(jī)組越來(lái)越廣泛使用，隨著海上風(fēng)電快速發(fā)展，海上風(fēng)電機(jī)組越來(lái)越大型化，生產(chǎn)難度會(huì)越來(lái)越大[2]。

2 焊接方法與焊接材料的選用

海上風(fēng)電塔筒筒體鋼板為Q355D， 鍛造法蘭為Q3 55E-Z25。 材料碳當(dāng)量為0.43%，大于0.4%，有一定的淬硬傾向[1]，尤其隨著板厚增加，焊接接頭裂紋傾向明顯增加，生產(chǎn)中必須所采用合適的焊接工藝，方可保證焊接質(zhì)量。

根據(jù)海上風(fēng)電塔筒焊接量大，主要為單節(jié)縱向?qū)雍缚p和相鄰單節(jié)間環(huán)向?qū)雍缚p， 這些對(duì)接焊縫占到焊縫總量的96%以上，采用科學(xué)合理的埋弧自動(dòng)焊焊接工藝，在保證塔筒焊縫高質(zhì)量要求前提下，能夠充分發(fā)揮埋弧焊焊接電流大，熔深大，焊接速度快，焊接效率高的優(yōu)勢(shì)[1]。

綜合考慮，海上風(fēng)電塔筒選用H10Mn2 高錳焊絲。 選用高堿度燒結(jié)焊劑SJ101，力學(xué)性能好，特別是低溫沖擊韌性容易保證，對(duì)保證焊縫質(zhì)量非常有益。

3 焊接工藝評(píng)定

3.1 坡口制備

焊接工藝評(píng)定試板材質(zhì)Q355E， 選做3 種不同厚板鋼板試板，其中試板編號(hào)PD-1 板厚16 mm 的鋼板采用I形坡口，其中對(duì)；試板編號(hào)PD-2 板厚20 mm 的鋼板采用Y 形坡口， 試板編號(hào)PD-3 板厚60 mm 的鋼板采用X 形坡口，分別如圖1（a）、（b） 、（c）所示。

圖1 坡口形式Fig.1 Welding groove form

3.2 焊接工藝參數(shù)

埋弧焊的焊接電流、 電弧電壓和焊接速度等焊接工藝參數(shù)決定著熔池形狀和焊縫的形狀， 直接影響著焊縫成形系數(shù)和熔合比，其直接決定著焊接的質(zhì)量。在保證質(zhì)量的前提下，力求較高的生產(chǎn)效率，消耗較低的電能和較少的焊接材料。綜合各方面因素，擬定焊接工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 埋弧焊試驗(yàn)工藝參數(shù)Tab.1 Submerged arc welding test process parameters

3.3 焊接接頭力學(xué)性能檢測(cè)

對(duì)試板進(jìn)行焊接接頭力學(xué)性能檢測(cè)， 檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。綜合來(lái)看，焊接接頭的拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和夏比沖擊試驗(yàn)各項(xiàng)性能指標(biāo)較好，具有良好的綜合機(jī)械性能，符合NB/T 47014 焊接工藝評(píng)定規(guī)定。

表2 焊接接頭力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of welded joints

4 實(shí)際生產(chǎn)中存在問(wèn)題及解決改進(jìn)措施

4.1 實(shí)際生產(chǎn)中存在的問(wèn)題

雖然焊接工藝評(píng)定全部合格， 但在海上風(fēng)電塔筒實(shí)際焊接生產(chǎn)中存在以下典型問(wèn)題：

（1）塔筒形體尺寸大，大部分高度在7m 以上，長(zhǎng)度在20m 以上，焊接生產(chǎn)高空作業(yè)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高。

（2）法蘭焊接變形控制要求高，頂法蘭平面度要求小于0.5mm，其余法蘭小于2.0mm；法蘭同軸度小于2.0mm；法蘭平面度小于2.0mm。

（3）超過(guò)36mm 以上厚板多，焊接控制難度較大。

4.2 解決改進(jìn)措施

（1）焊接生產(chǎn)高空作業(yè)作業(yè)。針對(duì)大功率海上風(fēng)電塔筒在外側(cè)縫焊接過(guò)程中， 作業(yè)人員在6m～9m 處高空作業(yè)，且塔筒處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[3]，焊機(jī)和作業(yè)人員存在高空墜落的風(fēng)險(xiǎn)。我公司研發(fā)了以下輔助焊接工裝設(shè)備，很好降低了高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。 ①海上風(fēng)電龍門式風(fēng)電塔筒焊接平臺(tái)；②利用車間立柱海上風(fēng)電塔筒的多功能焊接機(jī)架；③利用十字臂式焊接操作機(jī)焊接。

由懸臂式埋弧操作機(jī)和在地面上固定的行走軌道組成。在空間較大的車間應(yīng)用比較方便，僅一名操作人員站在架體頂部操作，存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）法蘭焊接變形控制。①通過(guò)法蘭加工預(yù)設(shè)內(nèi)傾， 焊接前須將同規(guī)格的兩節(jié)帶法蘭筒體用工藝螺栓把合在一起，內(nèi)側(cè)加塞1～2mm 墊片，將螺栓緊固好后方可焊接；②合理焊接順序：先焊接內(nèi)側(cè)焊縫，外側(cè)清根后再焊接，并根據(jù)焊接變形情況， 隨時(shí)調(diào)整焊接順序。

（3）超過(guò)36mm 以上厚板焊接控制。 ①焊前預(yù)熱：對(duì)厚板焊接，焊前應(yīng)進(jìn)行80℃～150℃的預(yù)熱，當(dāng)施焊環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，應(yīng)將預(yù)熱溫度提高到100℃～150℃。 焊前預(yù)熱能夠降低焊后冷卻速度，避免出現(xiàn)淬硬組織，減小焊接應(yīng)力；②采用合理工藝參數(shù)多層多道焊接：參與經(jīng)工藝評(píng)定合格的焊接工藝參數(shù)，嚴(yán)格控制焊接線能量，多層多道焊每層厚度為4mm 左右，打底層厚度5～7mm，寬度超過(guò)12mm 分道焊接。 如60mm 鋼板正面分8 層12 道焊接，背面清根后分6 層8 道焊接，多層多道焊，可合理減小焊接線能量，從而有效控制焊接變形和焊接應(yīng)力；③重視工藝紀(jì)律執(zhí)行： 如：SJ101 焊劑使用前經(jīng)350℃保溫，2h烘干；縱向焊縫兩端必須安裝長(zhǎng)度不小于150 mm 的引弧板、熄弧板；外環(huán)縫焊接時(shí)，焊絲25～40mm 的偏移量；碳弧氣刨清理根部， 用砂輪打磨平滑并清理氣刨的玷污部位等，這些工藝細(xì)節(jié)都會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量有影響。

5 焊接檢驗(yàn)

5.1 焊縫外觀檢查

焊縫表面不允許有裂紋、夾渣、氣孔、漏焊、燒穿和未熔合等缺陷，需符合《鋼結(jié)構(gòu)焊縫外形尺寸》等規(guī)范的規(guī)定。

5.2 無(wú)損檢測(cè)

筒體縱、環(huán)焊縫100%超聲波探傷，應(yīng)符合NB/T 47013的I 級(jí)要求。 100%“T”型縱縫與環(huán)縫接頭TOFD 探傷。

5.3 產(chǎn)品焊接試板

5 臺(tái)為一批，每批中抽一臺(tái)制作產(chǎn)品焊接試板，以同鋼號(hào)、同厚度、同焊接工藝，按設(shè)計(jì)圖樣批量生產(chǎn)的塔筒，產(chǎn)品焊接試板試驗(yàn)結(jié)果全部合格，說(shuō)明焊接工藝有效。

圖2 法蘭平面度、內(nèi)傾度測(cè)量示意圖Fig.2 Schematic diagram of flange flatness and inclination measurement

5.4 對(duì)法蘭平面度、內(nèi)傾度測(cè)量

如圖2 所示，CLA-7-X-X 法蘭內(nèi)傾度0.75mm， 平面度1.55mm， 符合規(guī)范要求，說(shuō)明法蘭焊接變形控制措施有效。

6 結(jié)束語(yǔ)

海上風(fēng)電大功率塔筒尺寸大， 質(zhì)量要求高， 根據(jù)Q355E 材料特點(diǎn)，選用合適的焊接材料，選擇預(yù)熱溫度，選取合適的焊接工藝參數(shù)、焊接線能量，焊接工藝評(píng)定合格，應(yīng)用于生產(chǎn)制造，焊接一次驗(yàn)收合格率達(dá)99.98%以上，保證了海上風(fēng)電大功率塔筒正常投入使用，發(fā)揮了埋弧自動(dòng)焊的自身優(yōu)勢(shì)，工作效率高，焊接質(zhì)量好，并總結(jié)了海上風(fēng)電塔筒焊接工藝，對(duì)海上風(fēng)電同行有借鑒意義。