□ 王 磊

福建福船一帆新能源裝備制造有限公司 福建漳州 363211

1 存在的問題

風力發(fā)電行業(yè)在國內已經發(fā)展了很多年,所使用的塔架結構形式比較多,有管狀鋼制塔架、桁架式塔架、混凝土塔架等,目前以管狀鋼制塔架為主。塔架是風電機組的關鍵支撐結構,為了便于運輸,一般將塔架分為3～5段,每段塔架均由若干筒節(jié)和法蘭焊接而成[1],相鄰塔架段采用高強度緊固件進行連接。考慮到高強度連接螺栓受力、相鄰塔架段的密封防水等要求,塔架法蘭端面焊接后只能內傾,內傾值一般為0～1.5 mm,法蘭端面的整體平面度不大于2 mm,在30°區(qū)域內局部平面度不大于0.8 mm。塔架法蘭與筒節(jié)焊接如圖1所示。

▲圖1 塔架法蘭與筒節(jié)焊接

塔架法蘭為環(huán)形鍛件,筒節(jié)采用鋼板卷制而成,材質均采用低合金高強度鋼。由于塔架法蘭的頸部比較短,長度一般為頸部壁厚的2～3倍,因此塔架法蘭與筒節(jié)焊接時,焊接熱量的輸入會對塔架法蘭平面度產生不利影響,容易導致塔架法蘭端面平面度或內傾度超標。當遇到平面度或內傾度超標時,行業(yè)內目前采用火焰矯正方法進行修整。為了防止在進行火焰矯正時對塔架法蘭、鋼板的性能產生影響,通常要求火焰矯正必須一次成功,避免對同一缺陷反復采用火焰矯正方法進行修整。筆者基于過往項目積累的經驗,詳細介紹火焰矯正的工藝流程。

2 火焰矯正原理

火焰矯正指在變形構件的適當部位采用火焰進行加熱,使加熱區(qū)域受熱膨脹,冷卻后該區(qū)域金屬產生收縮,利用冷卻后產生的冷縮應力矯正構件的變形[2]。由于低合金高強度鋼受熱后會以1.2×10-5K-1的線性膨脹系數向各方向伸長,當冷卻到原來溫度時,除會收縮到未加熱時的長度外,還會按照1.48×10-6K-1的收縮系數進一步收縮,從而使變形構件收縮后相比原來長度變短。在適當部位對已變形的構件進行火焰加熱,冷卻后產生很大的冷縮應力,從而達到矯正變形的目的。

火焰矯正時加熱溫度不宜過高,過高會導致鋼材性能變脆,影響沖擊韌性[3]。目前,火焰矯正時常用的加熱方法有點狀加熱法、線狀加熱法、三角形加熱法三種。

點狀加熱法適用于薄板波浪變形的矯正,通常采用多點加熱,加熱點呈梅花狀均勻分布,加熱點直徑為6倍鋼板厚度加10 mm,加熱點間距在 100～500 mm 之間。當鋼板厚度較大或變形量較大時,加熱點間距需要取較小值。點狀加熱法的加熱溫度一般控制在300～600 ℃之間,動作應迅速,火焰應集中,加熱點保持圓形,間距盡量均勻一致。

線狀加熱法適用于矯正中厚鋼板的圓弧彎曲,以及構件角變形等情況。由于線狀加熱在寬度方向收縮量大,在長度方向收縮量小,因此可以用于對接焊縫角變形修整、塔架法蘭焊接后內傾度修整等場合。線狀加熱法加熱時,應注意加熱溫度、寬度、深度之間的聯系,根據筒節(jié)厚度及變形程度采用適當的參數。

三角形加熱法又稱楔形加熱法,適用于剛性較大的型鋼、鋼結構件彎曲變形的矯正。三角形的加熱區(qū)域通常選在筒節(jié)邊緣,一般呈三角形,筒節(jié)收縮量隨三角形面積的增大而增大。三角形一般為等腰三角形,邊長大于筒節(jié)材料厚度的兩倍,頂點一般在中心上。三角形加熱法的加熱位置應確定在筒節(jié)需要收縮的一邊,若變形范圍大,則三角形數量可以取多個。三角形加熱法加熱時,加熱溫度通常取500～600 ℃。根據變形的實際情況,三角形加熱法和線狀加熱法可以組合使用。

3 火焰矯正工藝流程

3.1 確定缺陷類型及區(qū)域

塔架法蘭與筒節(jié)焊接完成,冷卻到室溫以后,采用激光測量儀測量塔架法蘭平面度。塔架法蘭的內傾度可以采用直角尺進行粗測,或基于激光測量儀采集的數據擬合得到[4]。塔架法蘭平面度與內傾度檢測如圖2所示。

▲圖2 塔架法蘭平面度與內傾度檢測

使用激光測量儀進行檢測前,需要根據塔架法蘭直徑確定所需的檢測點數量。檢測點需要沿塔架法蘭圓周均布,并且塔架法蘭外圈檢測點與塔架法蘭內圈檢測點一一對應。根據激光測量儀檢測的數據,可以很方便地確定塔架法蘭內傾度和平面度超標的類型、具體數值和所處位置。找出變形位置、變形特征、變形量,在塔架法蘭上使用粉筆作標記,并根據以上信息找出最佳火焰加熱位置和加熱方法,確定加熱位置的順序,一般先矯正剛性較大的方向,后矯正剛性較小的方向,先矯正變形量大的部位,后矯正變形量較小的部位。在開展火焰矯正之前,還需要確定筒節(jié)、塔架法蘭所使用的材質。

3.2 選取火焰矯正方法及焰心

加熱方法可以根據缺陷的形式、大小,合理選擇點狀加熱法、線狀加熱法、三角形加熱法或組合進行。

加熱火焰一般采用中性焰,特點需要充分燃燒,噴嘴呈一個很清晰的內焰心,效率高[5]。標準的火焰稱為中性焰,當氧氣和乙炔的體積混合比為1∶1時,產生中性焰。這種火焰有非常明亮透明的焰心,焰心被明亮的藍色火焰包圍。氧氣與乙炔充分燃燒,沒有氧氣與乙炔過剩,內焰具有一定還原性,焰心呈尖錐形,色藍白且亮,輪廓清楚,外焰呈淡桔紅色。剛點燃的火焰通常為碳化焰,又稱剩余焰或收縮焰?；旌蠚庵幸胰擦柯远嘤谘鯕饬繒r,燃燒生成的火焰為碳化焰。碳化焰由于沒有完全燃燒,火焰中有游離狀態(tài)碳及過多的氫,易使鋼材表面滲碳,應盡量避免采用[6]?；旌蠚庵醒鯕饬柯远嘤谝胰擦繒r,燃燒生成的火焰為氧化焰。從外觀上看,氧化焰與中性焰相似,但乙炔焰心較短,而且顏色相比中性焰較淺,邊緣模糊。氧化焰對材料表面有氧化作用[7],加熱時筒節(jié)易產生氣孔和變脆,也應盡量避免采用。

中性焰如圖3所示。采用中性焰加熱時,噴嘴不能離鋼板表面太近,應將內層藍色火焰頂部靠近被加熱的鋼板表面,噴嘴距筒節(jié)表面大約15 mm。

▲圖3 中性焰

3.3 確定加熱位置及溫度

加熱位置選取是火焰矯正的關鍵[8],所選的加熱位置必須使加熱產生的變形方向與焊接殘余變形或其它受力變形的方向相反,以起到抵消筒節(jié)原始變形的效果。塔架法蘭內傾火焰矯正加熱區(qū)域如圖4所示,對于塔架法蘭外翻的矯正,需要將加熱區(qū)域由筒節(jié)外部改為筒節(jié)內部。

▲圖4 塔架法蘭內傾火焰矯正加熱區(qū)域

加熱范圍應根據筒節(jié)需矯正部位的范圍大小和變形程度,并結合加熱方法而決定,具體包括加熱線寬、加熱點直徑、加熱三角形面積等。加熱深度是火焰矯正效果的重要影響因素,不同的加熱深度會獲得不同的矯正效果。一般而言,加熱深度大,壓縮變形大,矯正效果好,否則相反。但根據實踐經驗,加熱深度應小于筒節(jié)厚度的40%,如果再增大加熱深度,反而會使壓縮變形減小。如采用三角形加熱法,則加熱深度為構件寬度的40%左右。對于筒節(jié)壁厚較大或變形量大的部位,應選用較大的加熱線寬,加熱速度應緩慢均勻。對于筒節(jié)壁厚較小或變形量小的部位,應選用較小的加熱線寬,加熱速度應快速均勻。

由于塔架法蘭、筒節(jié)的材質均為低合金高強度鋼,因此加熱溫度不應超過600 ℃。加熱溫度過高,會導致筒節(jié)塑性變形,不僅達不到矯正效果,而且還會引起熱脆,使表面產生過燒和脆化現象[9]。一般低碳鋼加熱到100 ℃以上即達到屈服點,低合金鋼一般加熱溫度取450～600 ℃為宜。在加溫過程中,應隨時監(jiān)控加熱區(qū)域筒節(jié)表面的顏色變化,顏色與加熱溫度對照見表1。隨時用測溫儀對加熱區(qū)域進行準確測量,從而控制加熱溫度。測溫點應該在加熱中心處,在測溫時應移開熱源。

表1 鋼材加熱溫度與顏色對照

表1所列顏色是在室內白天觀察到的顏色,在日光下顏色相對較暗,在黑暗中顏色相對較亮。表1中加熱溫度與顏色僅用于在加熱過程中的初步判斷,最終結果以測溫儀現場測溫為準?；鹧娉C正現場如圖5所示,溫度檢測如圖6所示。

▲圖5 火焰矯正現場

▲圖6 溫度檢測

3.4 矯正效果檢查

火焰矯正后,應在空氣中自然冷卻,人為的急冷有可能會引起材料淬硬而破壞金屬內部組織。同一部位再次加熱矯正,效果不如第一次。多次加熱反而可能導致矯正效果變差[10],因此火焰矯正應一步到位,使殘余變形量符合圖紙要求。在加熱部位冷卻后,先采用鋼平尺進行粗測,若達到設計要求的內傾度,則進行硬度測試。

硬度測試滿足圖紙要求后,對塔架法蘭與筒節(jié)連接環(huán)縫進行100%無損探傷檢測,合格后采用激光測量儀精確測量內傾度、平面度,并出具檢測報告。矯正效果檢查如圖7所示。

4 結束語

針對塔架法蘭焊接缺陷,不恰當的火焰矯正工藝會產生內應力,與焊接內應力和負載應力疊加,可能使主體結構、焊縫應力超過設計允許應力,從而導致承載安全因數降低。

▲圖7 矯正效果檢查

因此,火焰矯正一定要考慮全面,必須選擇合適的加熱方法、加熱區(qū)域,確?；鹧娉C正一次性成功,杜絕對同一區(qū)域多次進行火焰矯正?；鹧娉C正時,要注意合理的加熱順序,嚴格控制熱輸入量,防止產生過度加熱、過度變形等矯正缺陷,從而提高生產效率,確保火焰矯正達到預期效果。