风电塔筒法兰外翻变形的控制工艺

李景文

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

3.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。

4.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。

5.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Ф1.2mm，焊接电流220～250A，电压28～30V，气体流量15～20L/min；

焊接采用埋弧自动焊，焊丝为H10Mn2，焊丝直径Ф4mm，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。

6.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2

6.2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。

7.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。

参考文献：

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