风塔焊接工艺

风塔焊接工艺

引言

20世纪90年代，发达国家兴起了一股绿色能源热,风力发电自1997年以来每年以30%的速度增长，据欧洲风力发电协会预计，到2010年，全球风能发电将达到23万MW，其中欧洲为10万MW，全球将有3亿户人家能用上风力转化的电能。因此，有大批的风力发电塔架（简称风塔）需要制造。2003年，澄西船厂先后收到GE和日立公司大型风塔的制作订单，其对材料性能、制造精度、焊接接头质量、制造周期都江堰市有较高的要求。因此，对焊接接头设计、焊接工艺进行研究，通过一系列的对比试验，最终提出了适合澄西船厂条件的施工方案。

1工程概述

1．1结构形式

该风塔为锥形筒体结构，外形如图1所示。筒体外径底部为φ4300mm，顶端为φ2560mm，筒体板厚由最底部26mm向顶端12mm变化。整个风塔共分4节，节与节之间由法兰组MF2～MF4（见局部放大Ⅱ）与连接，其中底部法兰MF1（见局部放大Ⅰ）与筒体是全熔透角接缝，节间连接和顶部法兰MF5均为高颈法兰，与筒体之间是对接焊缝。

1．2结构材料

原筒体材料为S355JO，法兰材料S355J2G3-Z25，与用户商量后分别采用国产Q345C和Q345D。这2种材料可焊性良好，进行工艺评定时应参考母材的力学性能要求。

1．3对焊接质量的要求

筒体焊缝长度的10%进行UT检查，法兰本体焊缝100%UT检查，按SEL072、Class 3标准验收。另一要求是在开工前必须完成相关的焊接工艺认可试验、焊工培训、考核等。

2风塔焊接工艺和认可试验

2．1筒体坡口设计与焊接工艺

在工程技术准备阶段，澄西船厂正在制作某工程的一批管桩，该批管桩直径1500mm，板厚25mm，材料Q345C，制作工艺在合同中已明确作出了规定，受该工程的影响，当初对风塔筒体的焊接接头亦采用了和管桩类似的设计，方案见表1。

由表1可以看出，风塔筒体的焊接采用双面埋弧悬空焊方法。焊接工艺采用AWS D1.1-98标准，管桩工程参照TB 10212-98规范进行试验，机械性能试验结果列于表2。

2．2 法兰的焊接

该工程另一难点是法兰的制作，MF2～MF4采用厚板热卷成型；MF5采用锻打成型；法兰MF1最为因难，只能采用厚板切割后拼接的方式，焊接工作量大，且质量要求高，必须确保焊缝内部无缺陷，一旦返工，必将影响施工周期。另一问题是保证焊缝具有良好的低温冲击韧性，因此初步方案为选用E5015焊条焊接。因澄西船厂已通过了某些国家船用EH36、DH36钢材的手工焊焊接工艺认可，所以监理承认文件有效，不必重新评定。

3焊接工艺的变更

3．1风塔焊接工艺A的问题

工艺A看似一个成熟合理的工艺，但不可能用于该工程施工，原因是坡口精度达不到。且筒体在加工过程中会出现以下问题：a.坡口加工采用气割开出，将产生精度问题；b.筒体在卷制过程中，会有机械加工误差。

尽管表1中要求的装配间隙是0～1.6mm，但悬空焊的实际间隙只能是0～1mm，超过此值，焊接时极易发生电弧击穿现象，由于上述原因，这个精度达不到。

3．2风塔焊接工艺B

按通常的做法，采用先打底一道的方案，因此在方案A的基础上改成方案B，见表3。

方案B一经提出，就发现了不妥之处：

a.对t=12mm的板，在焊后面焊缝2前，封底焊缝的处理问题，如进行碳刨，无疑又增加了工作量；

b.对厚底14～26mm的板，焊接一层打底焊时，并不能保证不发生焊穿现象，也许有人提出那就打底2

层，则从板厚状态可以看出，要分清什么情况找底2层，什么情况打底1层也非易事，同时还会使工艺复杂化；

c.难以确定何处要采用封底、打底。如果有些地方装配是无间隙，那就可以免除这道工序，如果间隙偏

大（如局部超过2mm），即使打底1道，仍有焊穿危险，但是对这达产品工艺管理很严格，要在现场确定哪些地方如何打底焊是不现实的。

由于这些矛盾的存在，还是放弃了这套方案。

3．3风塔焊接工艺C

鉴于上述各种原因，所带来的工艺不确定性，最终参考了日本某公司的施工设计图纸，设计了风塔焊接工艺C，见表4。

此方案中，将法兰拼接由手工焊改为FCAW工艺，FCAW采用船用等级为3YH10级别的TWE-711（AWS：E71T-1）氧化钛型药芯焊丝，从理论上讲，其性能完全满足Q345D的性能要求。2块试板的机械性能列于表5。

4不同焊接工艺的讨论

4．1关于焊接工艺的适用性

长期以来，对接头设计过于理想化，结果是工艺不具有可操作性。我们认为，在设计（或编制）焊接工艺时，首要考虑的是这个工艺的可操作性、实用性，只有在这种条件下，才能保证焊接接头的力学性能和施工质量的稳定性。

表1中某管桩工程就是一个很典型的案例，合同中明确了焊接工艺，正反采用SAW各焊接一道，如有间隙，则采用E5015打底一道，看起来是一个合理、高效的工艺。澄西船厂初时按此工艺执行，发现坡口内清理E5015药皮很不方便，加之打底一道并不能保证不焊穿，施工极不顺利，后改为在反面先封底，结果是因有间隙存在，电流较大，随即产生气孔、未熔合、夹杂等各种缺陷，造成大量返工，更为不利的是，由于该工艺采用大规范的单道焊，线能量超过103kJ/cm，导致焊缝区和热影响区冲击韧性偏低和出现终端裂纹的机率大大增加。

而对于风塔工程，并不提供焊接工艺设计，只对技术指标作明确规定，承包方可以结合自身条件，用工艺认可的形式向其证明结果，这一点对制造厂家是极为有利的，可以灵活设计焊接工艺，为施工创造最有利条件。该工程就是根据产品结构形式和企业施工条件，经过反复比较后，选择了适用性较强的焊接工艺设计，具有简洁、实用、可操作性强的特点。从表5可以看出，由于采用了多层多道焊，线能量适中，机械性能也得到了保证。

4．2 效率问题

国际性合同中，施工周期即可决定工程成败，因些施工效率十分重要。

筒体采用单面V型坡口，对厚度较大（δ＞20mm）的板材，焊接工作量相对X型坡口要大，但对于坡口切割、装配定位、背面清根等均带来了便利，所以不会因为焊接工作量的增加而影响工程进度。

该工程选用船厂成熟的FCAW工艺进行打底焊和法兰焊接，FCAW高效且具有良好焊接工艺性。若按