风电塔筒基础环双排螺栓孔法兰的焊接变形控制技术

风电塔筒基础环双排螺栓孔法兰的焊接变形控制技术

广东石板岭风电场的塔筒基础环采用大直径钢管与双排螺栓孔法兰T型焊接的结构形式，法兰最大直径为4893mm，普通法兰的焊接工艺无法保证法兰焊接变形及平面度、内倾度的要求，针对双排螺栓孔法兰的结构特点，采用焊接新工艺，保证焊后符合设计要求。

标签：风电塔筒；双排螺栓孔法兰；焊接变形

Abstract： The tower and tube foundation ring of Shibanling Wind Farm in Guangdong Province adopts the structure of large diameter steel pipe welded with double row bolt hole flange T-type. The maximum diameter of the flange is 4，893 mm. The welding process of the common flange can not meet the requirements of flange welding deformation， flatness and inclinations. According to the structural characteristics of the double-row bolted flange， a new welding process is adopted to ensure that the welding process meets the design requirements after welding.

Keywords： wind power tower cylinder； double row bolt hole flange； welding deformation

1 概述

近年來随着国家政策调整、电力需求量的增加及对环保工作的重视，风力发电作为清洁能源，在我国得到大力推广。风电设备设计不断推陈出新，在塔筒设计方面更是创新推出双排螺栓孔法兰的连接形式。我公司承接的广东石板岭风电场塔筒制造项目，其基础环上法兰便是采用双排螺栓孔法兰与第一塔筒螺栓连接的形式，要求基础环焊接后上法兰平面度小于1.5mm，内外圈的内倾度均达到0-1mm。由于普通锻造法兰的焊接工艺不适用，在实践的基础上，本文对风电塔筒基础环双排螺栓孔法兰焊接工艺进行了深入分析总结，为同行业应用提供实践经验。

2 影响焊接变形的主要因素

由于法兰直径较大，在焊接过程中局部高温容易导致焊接热影响区母材及法兰的变形，以下从几个方面分析影响焊接变形的主要因素。

2.1 焊缝与法兰面的距离

焊缝与法兰位置不足50mm，距离较短，焊接时必须控制焊接线能力的大小，避免施焊时局部受热不均引起焊接变形。

2.2 焊接坡口的规格

焊接坡口越大，需熔敷的金属便越大，热输入也越大，产生变形机会也越大。在订购锻造法兰和筒体板材下料时，预先设定合适的坡口。

2.3 组装间隙的大小

由于下料等环节，可能导致管口不平整，在筒节与法兰组装时出现组装间隙过大或间隙不均，造成在焊接时金属填充量出现细微差别，从而引起焊接变形。

2.4 焊接顺序

焊接顺序关系到受热和冷却先后次序不同而产生焊缝膨胀和收缩不同，根据图1所示，法兰外圈完全处于自由变形状态，极易导致法兰外圈变形量超差。

2.5 焊接工艺参数

不同的焊接工艺参数关系到线能量输入的大小，线能量关系到热量的输入，直接影响焊接变形。

3 制作过程

先将下法兰与基础环筒体焊接合格后，将法兰置于专用组装平台上（如图2），并用双排高强螺栓将其锁紧，再将下法兰与基础环筒体的焊接件倒装在法兰上，进行非强制性无间隙组对，确保组装间隙均匀并且小于1mm，筒壁与法兰错边量均匀且小于0.5mm。

组对合格后在外圈采用手工点焊方式固定法兰与筒节，安排两人在内圈进行对称打底焊，随后在外圈进行清根并内外交替手工焊接至各余最后2道盖面不焊，待焊道完全冷却后松开该平台上的锁紧螺栓，将基础环整体吊至专用自动焊接平台，先焊外圈焊缝，再焊内圈焊缝。

焊完24小时后先进行超声波检测和外观检查，待焊缝质量合格后采用激光测平仪检查法兰平面度和内倾度，如有局部不合格，采用火焰进行局部校正。

4 控制变形的具体措施

4.1 保证筒节下料精准和法兰预制内倾度

由于钢板的长度尺寸达到15m，为避免人为切割的误差，可以采用全自动数控火焰切割机，设置切割余量（控制在3～5mm）。采用全自动数控切割机可以保证筒节的下料精准，有效避免人工划线的误差和出错。

法兰在锻造时，应预设内外圈0-1mm的内倾度，平面度应小于0.6mm。

4.2 优化坡口设计

法兰外圈完全处于无约束状态，容易产生内倾度超差变形，填充量应小些。法兰内圈收缩的阻力较大，填充量应大些。经过试验对比分析，法兰内侧坡口角度为54°，深度为29mm，外侧坡口角度为70°，深度为13mm，钝边为3mm，如图3所示。通过多次试验，该坡口型式可以有效调节内外圈法兰的变形量和内倾度，同时还可以较好的保证法兰的平面度不超差。

4.3 采用专用刚性平台辅助

传统的刚性固定方法是焊接前先在法兰内外圈角焊缝位置处焊接三角加筋板，该方法需要在法兰底面焊接筋板，容易对法兰母材造成损伤和影响平面度。针对该双排螺栓孔法兰宜采用预外倾（反变形）的法兰平台（如图2），将法兰固定于刚性平台上，靠110个高强螺栓将其锁定后，才与筒节进行组装和焊接。采用该方法，焊道冷却后拆除连接螺栓，可以保证法兰平面度和内倾度一次检测合格率高达97%以上。

4.4 保证组装间隙

由于坡口设计已预留3mm钝边，在组装时应确保组装间隙大小均匀且间隙尽可能小，减少由于收缩不均引起的变形。

4.5 优化焊接顺序

焊接时50%-60%的收缩变形产生于第一道焊缝，根据坡口的设计，应先焊内圈再焊外圈。

法兰环缝自动焊接前，先在内侧环缝用二氧化碳气保焊先打底焊2道，外面用碳棒气刨清根并焊2道。然后法兰的内外环缝交替焊接，各余2道盖面先不焊，待焊缝冷却后拆除锁紧螺栓，利用滚轮架和专用自动焊接平台，采用埋弧自动焊的方法对内外环缝剩余的焊道焊完。

4.6 选择合适的焊接方法和工艺参数

先采用CO2气体保护焊，再采用埋弧自动焊的方法，经过焊接工艺试验，各层次焊接工艺参数宜设定如表1所示：

5 结束语

这是我公司首次制作带双排螺栓孔法兰的风电塔筒基础环，该法兰连接形式是未来海上风电项目塔筒法兰和单机规模3MW以上机型的塔筒法兰设计趋势，我司还将该项技术成功推广应用到珠海桂山岛海上风电场塔筒制造项目中。该技术采用焊接新工艺，保证法兰的焊接变形和质量符合设计要求，同时还提高了生产效率，减少加热矫正等费用，取得了一定的经济效益。该项技术处于国内风电先进装备制造领域领先水平，值得同行业借鉴学习。

参考文献：

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