【摘要】通过对风电机组基础环材料焊接性分析,对低温风机基础环焊接工艺进行研究。通过对不同类型的焊缝提出合理焊接工艺,解决了厚板焊接、法兰平面度等技术难题,并将振动时效方法应用于残余应力消除。结果表明:对提高塔筒生产效率和质量要求,具有实际指导意义。
关键词:风力发电;基础环;焊接;残余应力消除;工艺
风电机组基础环是连接塔筒和塔筒基础最重要的预埋连接件,是承受和传递风机与筒体各种力的最主要构件。风机基础环虽然重量只有10余t,但由于受力复杂、受力大,尤其在低温环境工况下使用的基础环(见图1),所用钢板厚度大,需要较多焊接层道,各焊接层道间相互影响较大。另外,焊接所需时间较多,形成的焊接热影响区较大,质量要求高,生产难度大。
(1)母材性能 基础环主要由上法兰、筒体及下法兰等组成。其中,上法兰为整体锻造,材质为Q345E—Z35;下法兰为6片钢板拼焊,材质为Q345E—Z35,板厚100mm;筒体材质为Q345E,板厚50mm。锻造法兰热处理状态为正火+回火,所有钢板为正火状态交货。其化学成分和力学性能如表1、表2所示。
从复检结果看,母材力学性能和化学成分符合国家标准GB/ T1591—2008的各项要求要求,Z向性能符合GB5313—2010要求。基础环筒体和下法兰钢板厚度符合GB/T 709—2006 B级规定;钢板按每个生产批号不少于10%比例进行超声波探伤UT检测,按NB/T 47013—2015Ⅰ级以上为合格。
(2)焊接性分析 根据国际焊接学会(IIW)推荐碳当量计算式为:CE(IIW)=C+Mn/6+(C r+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。
图1 基础环结构示意
表1 母材化学成分复检分析(质量分数) (%)
表2 母材的力学性能复验结果
注:Z向断面收缩率复验试件采用 10mm的圆形试棒。
根据计算式计算碳当量分别为:①上法兰(Q345E—Z 3 5):0.4 2%。②筒体(Q345E):0.43%。③上法兰(Q345E—Z35):0.43%;碳当量均>0.4%。因此,母材有一定的淬硬倾向,尤其板厚较大,最大达110mm,焊接冷却速度快,焊后易产生硬而脆的马氏体淬硬组织。随着钢板厚度增大,焊接约束度大和焊接内压力大急剧增大,冷裂倾向变大,焊接性变差。故生产中必须采用合格的焊接工艺 ,如焊接材料、焊接热输入、焊前预热、后热 、多层焊,以及焊接顺序等措施,方可保证焊接质量。
根据基础环直径大的结构特点,单条焊缝长度较大,筒体与上下法兰钢板均为中厚板,采用埋弧焊能够充分彰显生产效率高的优势,但埋弧焊的焊接电流大,焊缝热输入较大,会使焊缝低温冲击韧性降低,对焊接力学性能不利。因此,要保证焊接接头的强度及低温缺口韧性等力学性能,必须选择合适的焊丝、焊剂,采用科学合理的焊接参数,采取合理的工艺措施,严格管理,方可实现。通过焊接试验,确定控制热输入<40kJ/cm。
基础环由于在-40℃这样极端环境中使用,对焊缝的低温性能,尤其是冲击韧性要求高。为此,综合考虑选择的埋弧焊焊接材料为:焊丝H10Mn2,焊丝直径为4.0mm,符合GB/T12470—2003,选配烧结焊剂SJ101。
基础环下法兰拼焊示意如图2所示,单条焊缝长仅为534mm,长度短,采用 CO2气体保护焊焊接。焊材选用药芯焊丝E501T—1L,其熔敷金属经微量元素韧化处理,在-40℃以上仍然具有优良的低温韧性,较低的扩散氢含量。抗裂性好,内在质量稳定可靠,适合下法兰拼接焊缝焊接。
(1)坡口制备 试板Q345E,坡口采用X形,如图3所示。其中,埋弧焊采用板厚28mm试板,编号PD-1, CO2气体保护焊采用板厚60mm试板,编号PD-2。坡口加工采用氧乙炔火焰切割,并清除坡口边缘50mm范围内铁锈、氧化皮及油污等污物。
图2 基础环下法兰拼焊示意
(2)焊接参数 具体焊接参数如表3、表4所示。
(3)焊接工艺评定 对以上焊接工艺进行了评定,结果均如下:首先,无损探伤。经X射线探伤,结果符合NB/T 47013—2015 Ⅱ级。
其次,焊接接头力学性能,结果如表5所示。
由表5可知,焊接工艺评定埋弧焊PD-1试板、CO2气体保护焊PD-2试板结果,接头拉伸试样塑断于母材,抗拉强度分别为550 MPa/538 MPa,大于母材抗拉强度的下限值470MPa/450 MPa,说明焊缝接头的抗拉强度均符合要求,且高于母材强度。在弯曲试验中,所有试样经过180°侧弯之后,没有发现裂纹等缺陷,弯曲面上没有开裂,均符合要求,焊缝具有良好的塑性。焊缝试样的-40℃夏比冲击试验,焊接接头各部分的冲击吸收能量均>34J,其低温冲击韧性符合要求,焊缝接头具有较好的冲击韧性。综合来看,焊缝接头各项性能指标较好,具有良好的综合力学性能,符合NB/ T47014—2011 焊接工艺评定规定。
图3 试板坡口及焊道布置
表3 埋弧焊焊接参数
注:背缝碳弧气刨清根。
试板编号焊道焊丝直径/mm电源种类和极性焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/cm·min-1焊接热输入/kJ·cm-11 4.0 DC,RP 520~570 31~33 30~36≤34.0 2 4.0 DC,RP 580~620 32~34 30~36≤38.0 3~6 4.0 DC,RP 620~670 33~35 32~38≤38.0 7 4.0 DC,RP 630~680 33~36 35~42≤36.0 8~10 4.0 DC,RP 640~680 33~35 32~38≤39.0 11~12 4.0 DC,RP 620~670 33~35 34~40≤38.0 PD-1
表4 CO2气体保护焊试验参数
注:背缝碳弧气刨清根。
编号焊道焊丝直径/mm试板气体流量/ L·min-1焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/cm·min-1预热温度/℃层间温度/℃PD-2打底1.6 20~25 270~320 33~35 30~40 100~150—填充1.6 20~25 320~400 34~36 25~35 100~150≤250盖面1.6 20~25 300~380 33~35 30~40 100~150≤250
表5 焊接工艺评定焊接接头力学性能
试件编号拉伸侧弯180°(d=3a)冲击试验/J(-40℃)抗拉强度/MPa断裂位置焊缝熔合线+热影响区PD-1 550母材4付合格68 82 105 116 152 185 PD-2 538母材4付合格85 78 126 96 114 106
(1)筒体纵缝焊接 ①基础环筒体纵缝采用X形坡口,采用双面焊,焊接工艺与PD-1试板一致,先焊内侧焊缝,后焊外侧焊缝,为保证全熔透,焊接外环焊缝前,碳弧气刨清根,打磨坡口渗碳层。②焊前在焊缝两端设置与母材同材质、同坡口的引、熄弧板,组对时一定注意对平对齐,同时间隙不宜过大。③每批首件在纵缝末端带焊接产品试板,与该纵缝相同工艺参数施焊。
(2)下法兰组对焊缝的焊接 第一,基础环组对焊缝下法兰采用X形坡口,正反面坡口角度均为50°±2.5°,钝边2m m。切忌强行组对,造成应力过大。6片拼装法兰严格控制外圆直径偏差+5~+2mm,组装间隙控制在2mm以内,错边量≤2m m。组装合格的下法兰放置在风力发电基础环下法兰拼焊装置(专利号:ZL201120232788.0)固定,6片法兰片在拼焊时通过调节调整丝杆使拼装法兰压紧,从而避免了法兰焊接过程中的变形,有效提高了焊接质量。
第二,厚板焊后冷却速度快,焊缝及热影响区易形成淬硬组织,焊接应力大。焊前预热是防止裂纹的有效措施,也有助于改善接头组织与性能。下法兰厚度110mm,焊接工艺评定试板厚60mm,实际焊接在试板预热温度50~80℃基础上适当提高,实际生产按100~150℃控制。焊前对待焊下法兰用履带式加热器进行预热,预热温度为150℃,用红外线测温仪在坡口边缘100mm处测量。
第三,每个法兰由两名焊工对称均布在两侧焊接。采取合理焊接工艺顺序,以尽量避免焊接变形,采用对称施焊,随时用平尺、钢尺随时检查焊接变形,根据变形量随时调整焊接顺序。用CO2气体保护焊先焊接大坡口侧焊缝6层。施焊6层后翻身,小坡口面用碳弧气刨清根,然后用磨光机将清根处打磨干净,当反面焊接6层后翻身再焊接正面。两面交替焊接,焊接层数为4~6层。当焊接至表层时,先将小坡口面焊缝面层焊完,再焊大坡口面焊缝。
第四,采用左焊法,焊枪倾角控制在100°~150°内,打底焊作直线运动,以后焊道可允许少量横向摆动,焊缝摆动宽度≤18mm,焊道>15mm时,采用多道焊接。每道焊后,清理焊渣等杂物,发现裂纹缺陷,必须清除干净,并用着色检查清除干净。
第五,焊后消氢处理,焊后立即用履带式加热片将焊缝加热到250~350℃,覆盖保温棉,保温2h后空冷,可加速氢的逸出出,防止冷裂纹的产生,保证焊接质量。
(3)筒体与下法兰组合角焊缝的焊接 ①焊前预热温度80~120℃。②基础环筒体与下法兰焊缝为组合角焊缝,为更好保证焊接质量,在风机基础环下法兰组合角焊缝装置上焊接,埋弧焊机放置于操作平台的位置,焊丝可以直接伸进筒体坡口根部。这样不仅有利于提高焊接熔深,保证了焊透,而且有效地改善焊缝成形和提高焊接效率。③先焊内侧3~5层,外侧清根,外侧焊完后转内侧焊缝完成。焊接过程随时观察焊接变形,并根据变形调整焊接顺序(见图4)。
(4)筒体与上法兰的焊接 首先,基础环筒体与上法兰焊缝为X形坡口对接焊缝,焊接时不仅要保证焊缝内部质量,而且要严格控制焊接变形。法兰焊接变形控制包括法兰焊后内倾量和法兰平面度。法兰内倾即角变形不合格,会使塔架螺栓受力恶化,严重影响螺栓寿命和法兰力学性能,要求内倾量0~1.5mm;法兰平面度影响法兰对接,如法兰对接不好,有间隙,将严重影响螺栓寿命,如平面度超差,会使受力不均产生变形,从而影响塔筒安装质量,实际生产按要求内倾量0~1.5mm控制。
其次,基础环筒体与上法兰采用无间隙组对,间隙不超过0.5mm,筒体组对前圆度≤10m m。应尽可能减小热输入,减小焊接变形。先焊接内侧,里侧留一遍外侧清根焊满后再将里侧焊满。
最后,焊后用激光测平仪测量法兰平面度、内倾度。
图4 基础环筒体与下法兰焊接
基础环钢板厚度大,焊接残余应力大,我公司基础环采用振动时效方法消应力。通过生产实践,与传统的加热时效相比,振动时效可节能90%,节约生产费用80%~90%,缩短生产周期90%左右,无环境污染,不受场地限制,时效效果直观。
基础环采用JG—T6Y系列全自动振动时效装置,由控制箱、激振器和加速度计组成。在基础环下法兰底部采用橡胶垫三个对称支撑,激振器夹在两橡胶垫中间,传感器放在另外两橡胶垫中间。基础环中间振动时效时间30min。设备设置完成启动后,设备进入定时自动运行过程,当时效(振前扫描后寻找亚共振点并进入时效状态)时间到设定时间后自动进入振后扫描,然后停止,整个扫描、时效过程,设备将按照最佳工艺自动完成。
振动处理过程中,出现了振幅-时间曲线上升后变平,振幅-频率曲线振后的比振前的峰值升高,或者振幅-频率曲线振后的比振前的峰值点左移等现象,根据振动时效JB/T 5926标准,可判定达到振动时效工艺效果。
(1)焊缝外观检查 焊缝表面不允许有裂纹、夹渣、气孔、漏焊、烧穿和未熔合等缺陷, 符合JB/T 7949—1999《钢结构焊缝外形尺寸》 规定。
(2)无损检测 所有筒体纵、环焊缝按NB/T 47013—2015 I级超声波探伤合格,所有“T”型接头射线探伤必须布片两张,纵缝和环缝位置各一张。塔筒法兰和筒体之间环向焊缝100%MT检查;按照JB 4730进行,验收等级为I级。
(3)产品焊接试板 每10台为一批,每批从中抽一台制作产品焊接试板,以同钢号、同厚度、同焊接工艺,试板试验抗拉强度达到545MPa,侧弯试验4支试样全部合格,-40℃冲击试验焊缝达到了76J、136J、121J,热影响区达到了68J、115J、82J,产品焊接试板试验结果全部合格,说明焊接工艺有效。
实践证明,采用综合焊接工艺措施,对低温风机基础环焊接质量和变形控制非常有效。生产完成的450余台低温风机基础环,焊缝探伤一次合格率达到了99.9%,法兰平面度、内倾度一次合格率达到了96%。采用振动时效消应力方法明显降低了生产成本,提高了工作效率,消应力效果也非常明显。采用的焊接工艺提高了产品外观质量和内在质量,得到了用户的好评。参考文献:
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[2] 山秋萍.振动时效技术的应用[J]. 起重运输机械,1992(10):32-34.
作者简介:朱锴年等,中国水电四局(酒泉)新能源装备有限公司,其中朱锴年为公司总工程师,主要从事新能源装备和大型钢结构工程制造安装技术研究工作。
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