風(fēng)塔焊接工藝

1、風(fēng)塔焊接工藝引言20世紀(jì)90年代，興旺國家興起了一股綠色能源熱，風(fēng)力發(fā)電自1997年以來每年以30%的速度增長，據(jù)歐洲風(fēng)力發(fā)電協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)，到2021年，全球風(fēng)能發(fā)電將到達(dá) 23萬MW，其中歐洲為10萬MW，全球?qū)⒂?億戶人家能用上風(fēng)力轉(zhuǎn)化的電能。因此，有大批的風(fēng)力發(fā)電塔架簡稱風(fēng)塔需要制造。2003年，澄西船廠先后收到 GE和日立公司大型風(fēng)塔的制作訂單，其對(duì)材料性能、制造精度、焊接接頭質(zhì)量、制造周 期都江堰市有較高的要求。因此，對(duì)焊接接頭設(shè)計(jì)、焊接工藝進(jìn)行研究，通過一系列的比照試驗(yàn)，最終提 出了適合澄西船廠條件的施工方案。1 工程概述1 1結(jié)構(gòu)形式該風(fēng)塔為錐形筒體結(jié)構(gòu)，外形如圖1所示。筒體外徑底部

2、為 0 4300mm，頂端為$ 2560mm，筒體板厚由最底部26mm向頂端12mm變化。整個(gè)風(fēng)塔共分4節(jié)，節(jié)與節(jié)之間由法蘭組 MF?MF4 見局部放大H 與連接，其中底部法蘭 MF1 見局部放大I與筒體是全熔透角接縫，節(jié)間連接和頂部法蘭MF5均為高頸法蘭，與筒體之間是對(duì)接焊縫。1 2 結(jié)構(gòu)材料原筒體材料為 S355JO法蘭材料 S355J2G3-Z25與用戶商量后分別采用國產(chǎn)Q345C和Q345D。這2種材料可焊性良好，進(jìn)行工藝評(píng)定時(shí)應(yīng)參考母材的力學(xué)性能要求。76 950圖1錐形筒體結(jié)構(gòu)外形1. 3 對(duì)焊接質(zhì)量的要求筒體焊縫長度的10%進(jìn)行UT檢查，法蘭本體焊縫 100%UT檢查，按SEL0

3、72 Class 3標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收。另一 要求是在開工前必須完成相關(guān)的焊接工藝認(rèn)可試驗(yàn)、焊工培訓(xùn)、考核等。2 風(fēng)塔焊接工藝和認(rèn)可試驗(yàn)2. 1 筒體坡口設(shè)計(jì)與焊接工藝在工程技術(shù)準(zhǔn)備階段，澄西船廠正在制作某工程的一批管樁，該批管樁直徑1500mm，板厚25mm ,材料Q345C,制作工藝在合同中已明確作出了規(guī)定，受該工程的影響，當(dāng)初對(duì)風(fēng)塔筒體的焊接接頭亦采用 了和管樁類似的設(shè)計(jì)，方案見表1?？谟?jì)道置 坡設(shè)焊布程工表1風(fēng)塔焊接工藝A評(píng)定試板蘇壬壬蔘竅編號(hào)板厚方法標(biāo)準(zhǔn)8 /mm板厚6/mmA1風(fēng)塔 筒體A2A3某管樁 工程G112 SAW16 SAW25 SAW750-800 A t/=35-4OV 11=

4、42-48 cm/min 焊材:JW-l/JF-B Z=700-750 A (7=35-36 V t/t-34 cm/min 反面碳刨清根 悼材:JW-1JF-B 歸 65(2750 A E30T2 V 衛(wèi)t=2832 cm/min 反面碳刨清根 焊材:jw-izn-B14-1820-26/=800/860 A U=34/36 Vcaw t(-18*19 rm/minQ "正反各焊-道焊材-Hi0Mn2G/HJ33125 ®由表1可以看出，風(fēng)塔筒體的焊接采用雙面埋弧懸空焊方法。焊接工藝采用 工程參照TB 10212-98標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果列于表2。2. 2法蘭的

5、焊接AWS D1.1-98標(biāo)準(zhǔn)，管樁該工程另一難點(diǎn)是法蘭的制作，MF?MF4采用厚板熱卷成型；MF5采用鍛打成型；法蘭MFi最為因難,只能采用厚板切割后拼接的方式，焊接工作量大，且質(zhì)量要求高，必須確保焊縫內(nèi)部無缺陷，一旦返工， 必將影響施工周期。另一問題是保證焊縫具有良好的低溫沖擊韌性，因此初步方案為選用 E5015焊條焊接。因澄西船廠已通過了某些國家船用EH36、DH36鋼材的手工焊焊接工藝認(rèn)可，所以監(jiān)理成認(rèn)文件有效，不必重新評(píng)定。表2機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果試板 冷彎 抗拉強(qiáng)度 沖擊功Q/JOT：編號(hào)試驗(yàn)6/MPa焊縫區(qū)熔合線熱彫響區(qū)A1合格542.5,550434,48,3756.60,6038

6、,40,35A2合格590.2,577.560,54,5244,36,5245,40,50A3合格512,520.044,50,4680,76.44126J3O.118G1合格565.232,50,3645.60,6272,46,353 焊接工藝的變更3. 1 風(fēng)塔焊接工藝 A的問題工藝A看似一個(gè)成熟合理的工藝，但不可能用于該工程施工，原因是坡口精度達(dá)不到。且筒體在加工 過程中會(huì)出現(xiàn)以下問題：a坡口加工采用氣割開出，將產(chǎn)生精度問題；b.筒體在卷制過程中，會(huì)有機(jī)械加工誤差。盡管表1中要求的裝配間隙是 01.6mm，但懸空焊的實(shí)際間隙只能是 01mm，超過此值，焊接時(shí) 極易發(fā)生電弧擊穿現(xiàn)象，由于上

7、述原因，這個(gè)精度達(dá)不到。3. 2 風(fēng)塔焊接工藝B按通常的做法，采用先打底一道的方案，因此在方案A的根底上改成方案 B,見表3。方案B 一經(jīng)提出，就發(fā)現(xiàn)了不妥之處：' 表3風(fēng)塔焊接工藝B|適用厚度"mm接頭形式備注12焊接正面焊道1時(shí)，先在反面 用FCAW封底有需要時(shí)14-18第1道：采用FCAW打底20-26第1道：采用FCAW打底1 a. 對(duì)t=12mm的板，在焊后面焊縫 2前，封底焊縫的處理問題，如進(jìn)行碳刨，無疑又增加了工作量；b. 對(duì)厚底1426mm的板，焊接一層打底焊時(shí)，并不能保證不發(fā)生焊穿現(xiàn)象，也許有人提出那就打底2層，那么從板厚狀態(tài)可以看出，要分清什么情況找底2層

8、，什么情況打底 1層也非易事，同時(shí)還會(huì)使工藝復(fù)雜化；c. 難以確定何處要采用封底、打底。如果有些地方裝配是無間隙，那就可以免除這道工序，如果間隙偏大如局部超過 2mm ,即使打底1道，仍有焊穿危險(xiǎn)，但是對(duì)這達(dá)產(chǎn)品工藝管理很嚴(yán)格，要在現(xiàn)場 確定哪些地方如何打底焊是不現(xiàn)實(shí)的。由于這些矛盾的存在，還是放棄了這套方案。3. 3 風(fēng)塔焊接工藝C鑒于上述各種原因，所帶來的工藝不確定性，最終參考了日本某公司的施工設(shè)計(jì)圖紙，設(shè)計(jì)了風(fēng)塔焊 接工藝C,見表4。表4風(fēng)塔焊接工藝C口計(jì)道置 坡設(shè)焊布程工評(píng)定試板焊接工藝參數(shù)編號(hào)板厚方法標(biāo)準(zhǔn)用厚mln 適板的風(fēng)塔筒體 CI 25FCAW1-2 道7=160-180 Af

9、/=26-28 V 叭二1420 cm/min歸650-750 A12-26S/mmSAW"=34-35 V36,1 道孫=3543 cm/min焊材口 10240 A法蘭焊接 C2 85FCAW 正：-33道 背十35道i/=3034 V 滬1539 cm/min 焊材:TWE-7U AWS.E71T-1 預(yù)熱125匯 焊后620口肖應(yīng)力蘭體接法本對(duì)處理60°封底焊前清根要求清根此方案中，將法蘭拼接由手工焊改為FCAW工藝，F(xiàn)CAW采用船用等級(jí)為 3YH10級(jí)別的TWE-711 AWS:E71T-1氧化鈦型藥芯焊絲，從理論上講，其性能完全滿足Q345D的性能要求。2塊試板

10、的機(jī)械性能列于表5。表5機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果試板冷彎抗拉強(qiáng)度編號(hào)試驗(yàn)<r/MPa沖擊功甲/J溫度汽缺口位!焊縫區(qū)熔合線熱影響區(qū)C1合格5995,58L8070,92,124108,116,11676,74.150C2合格554_9,536J-20136,134,122126,147,146101,114,1434 不同焊接工藝的討論4. 1關(guān)于焊接工藝的適用性長期以來，對(duì)接頭設(shè)計(jì)過于理想化，結(jié)果是工藝不具有可操作性。我們認(rèn)為，在設(shè)計(jì)或編制焊接 工藝時(shí)，首要考慮的是這個(gè)工藝的可操作性、實(shí)用性，只有在這種條件下，才能保證焊接接頭的力學(xué)性能 和施工質(zhì)量的穩(wěn)定性。表1中某管樁工程就是一個(gè)很典型的案例

11、，合同中明確了焊接工藝，正反采用SAW各焊接一道，如有間隙，那么采用E5015打底一道，看起來是一個(gè)合理、高效的工藝。澄西船廠初時(shí)按此工藝執(zhí)行，發(fā)現(xiàn)坡口 內(nèi)清理E5015藥皮很不方便，加之打底一道并不能保證不焊穿，施工極不順利，后改為在反面先封底，結(jié) 果是因有間隙存在，電流較大，隨即產(chǎn)生氣孔、未熔合、夾雜等各種缺陷，造成大量返工，更為不利的是， 由于該工藝采用大標(biāo)準(zhǔn)的單道焊，線能量超過103kJ/cm，導(dǎo)致焊縫區(qū)和熱影響區(qū)沖擊韌性偏低和出現(xiàn)終端裂紋的機(jī)率大大增加。而對(duì)于風(fēng)塔工程，并不提供焊接工藝設(shè)計(jì)，只對(duì)技術(shù)指標(biāo)作明確規(guī)定，承包方可以結(jié)合自身?xiàng)l件，用 工藝認(rèn)可的形式向其證明結(jié)果，這一點(diǎn)對(duì)制造廠

12、家是極為有利的，可以靈活設(shè)計(jì)焊接工藝，為施工創(chuàng)造最 有利條件。該工程就是根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式和企業(yè)施工條件，經(jīng)過反復(fù)比擬后，選擇了適用性較強(qiáng)的焊接工 藝設(shè)計(jì)，具有簡潔、實(shí)用、可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。從表5可以看出，由于采用了多層多道焊，線能量適中，機(jī)械性能也得到了保證。4. 2效率問題國際性合同中，施工周期即可決定工程成敗，因些施工效率十分重要。筒體采用單面 V型坡口，對(duì)厚度較大3> 20mm 的板材，焊接工作量相對(duì) X型坡口要大，但對(duì)于 坡口切割、裝配定位、反面清根等均帶來了便利，所以不會(huì)因?yàn)楹附庸ぷ髁康脑黾佣绊懝こ踢M(jìn)度。該工程選用船廠成熟的 FCAW工藝進(jìn)行打底焊和法蘭焊接，F(xiàn)CAW高效且具有良好焊接工藝性。假設(shè)按照初步方案進(jìn)行法蘭拼接，除了焊接進(jìn)度跟不上，焊接內(nèi)的質(zhì)量也難以保證， E5015 焊條焊接時(shí)，易產(chǎn)生工藝性缺陷，深坡口清渣極度困難和耗時(shí)，而E71T-1類藥芯焊絲焊接工藝性良好。4 3 相關(guān)問題該項(xiàng)工程制造中有幾大難點(diǎn)， 如錐形筒體卷制、 滾輪胎架布置、 裝配、 法蘭的變形控制等。 采用 Q345D代替S355J2G3-Z25并不恰當(dāng)，應(yīng)采用 Q345D Z向鋼或船用鋼 DH36Z,對(duì)這類承受高應(yīng)力厚板結(jié)構(gòu)，無論是 船舶還是其他結(jié)構(gòu)，國外設(shè)計(jì)中已大多采用 TMPC 鋼，否那么在節(jié)點(diǎn) I 處易產(chǎn)生層狀