海上風電機組基礎頂法蘭密封面損傷堆焊修復方案研究

文 | 錢正宏

近年來，伴隨著施工裝備水平的提高，海上風電施工技術不斷進步，風電機組基礎樁沉樁垂直度/樁頂法蘭面水平度控制技術日臻完善。據統計，我國海上風電機組基礎樁沉樁垂直度一般能控制在2‰之內，最高達到0.12‰的精度。沉樁技術的進步有力地推動了無過渡段單管樁基礎的應用。現階段，該型基礎已成為我國近海風電機組的主流基礎結構，廣泛應用于軟土地質。

無過渡段單管樁的結構特點是在樁頂焊接有基礎頂法蘭，通過頂法蘭實現基礎與上部結構的連接。這種基礎在沉樁過程中，液壓沖擊錘的沖擊力首先作用于樁頂法蘭，再通過樁頂法蘭向樁壁傳遞。樁頂法蘭在沉樁過程中承受平均5000次以上的重錘沖擊，在偶然因素的作用下，樁頂法蘭有時會出現意外受損。在風電機組運行過程中交變載荷的作用下，螺栓的疲勞強度會大大削弱，極易發生法蘭連接螺栓疲勞斷裂，進而引起倒塔的惡性事故。因此，必須對法蘭面進行修復處理。鑒于法蘭與樁體為不能拆卸的焊接連接結構，只能進行現場修復，但風電場場區環境惡劣、樁頂操作區域狹小，給修復工作增加了許多困難。在場區現有環境條件下，如何完成法蘭的修復，是迫切需要解決的問題。

本文通過對常用焊接方法適用性和焊接裂紋敏感性的分析，研究了高強度超厚工件在潮濕多風環境、狹小空間條件下的焊接修復工藝，成功進行了法蘭密封面修復。

法蘭損傷情況分析

受損基礎使用于4MW風力發電機組，基礎樁長59米、重450噸，變徑段以下樁身直徑5.3米，頂部法蘭外徑5054mm、內徑4350mm，法蘭厚度125 mm。使用IHC-S1200液壓沖擊錘實施沉樁作業。在沉樁至設計標高進行法蘭面水平度測量時，發現法蘭密封面多處遭啃噬損傷，見圖1。

經測量統計，損傷共14處，最深處約3.5 mm，受傷面積約占法蘭面總面積的6%，沿法蘭面周向散布。

分析認定，由于IHC-S1200錘帽內替打環下表面的臨時焊接件未清理干凈，在替打環下表面形成多處帶棱角的不規則凸起，其在沉樁過程中直接接觸樁頂法蘭面，造成法蘭面遭啃噬損傷。

修復方案選擇及焊接裂紋敏感性分析

一、法蘭材質分析

該法蘭是山東伊萊特重工股份有限公司制造的歐標EN10025-3：S355NL-Z35鋼鍛造法蘭，供貨熱處理狀態為正火，相當于國標牌號Q345E-Z35，為可焊接細晶粒高強度結構鋼。該鋼種具有優良的綜合力學性能和低溫沖擊韌性。

圖1 法蘭面遭啃噬

法蘭供貨狀態的化學成分和力學性能見表1、表2。

根據表1可知，供貨狀態法蘭材質的碳當量為0.39%（＜0.45%），通常情況下焊接性能良好，可以使用焊接修復。

二、焊接方法選擇

風電機組基礎樁由鋼板經卷制焊接而成，采用工廠化制作方式，所有焊接工作在制造廠完成。主體結構縱環焊縫采用埋弧焊，異形結構焊縫、相貫線焊縫、非主要構件等采用焊條電弧焊或CO2氣保焊。

從表3可以看出，焊條電弧焊由于操作靈活方便、裝備簡單、適宜于全位置焊接；由于對環境敏感度低，適用于現場修復工作。

表1 主要化學成分（%）

表2 力學性能

表3 三種常用焊接方法特性比較

根據上述分析，擬選取采用表面堆焊工藝的焊條電弧焊方法，對法蘭損傷表面進行修復。

三、焊接裂紋敏感性分析

由于法蘭面厚度達125 mm、結構剛性大，焊接時的拘束度大、焊接應力大，焊后易產生焊接裂紋。焊接裂紋是在焊接應力及其他致脆因素的共同作用下，材料的原子結合遭到破壞，形成新界面而產生的縫隙。裂紋一旦形成，在應力集中作用下，漸漸向外延伸和擴展，最終造成構件的破壞及失效。

（1）在焊接應力和低熔點共晶的作用下，焊縫金屬在結晶過程中，當晶粒長大方向與結晶產生的拉應力方向一致時，就會沿晶界產生開裂，形成結晶裂紋。低熔點共晶與焊接熔池中的S、P等雜質含量有關，而晶粒長大方向與焊縫的形狀系數有關。通過降低焊縫中S、P等雜質含量、改變坡口形式適當增大焊縫形狀系數，可以抑制結晶裂紋的產生。

（2）由于海上空氣潮濕、環境含水量高，焊接過程中的濕氣在高溫下被還原而生成氫，并溶解在液體金屬中。在焊接殘余應力、淬硬組織和氫的作用下，焊縫會開裂，形成冷裂紋。焊前預熱（控制近縫區的冷卻速度，使之不易形成淬硬組織）、焊后消氫、控制焊接環境和焊接材料的干燥度等措施可以有效防止冷裂紋的產生。

（3）焊接應力是冷裂紋、熱裂紋產生的必要條件，通常情況下，高溫回火熱處理是消除焊接殘余應力的常用手段。但由于工件為大型敞口結構，不具備密封包裹條件；導熱速度快，不能進行高溫回火熱處理。因此，只能通過控制預熱和層間溫度延緩焊接冷卻速度以及機械錘擊等方法，降低焊接殘余應力。

焊接修復工藝

考慮到海上環境空曠、無遮擋物，風和潮濕空氣的影響比較明顯，現場利用樁體外平臺、平臺圍欄事先搭設防風防雨棚，并固定牢固，防止遭到突發風暴的破壞。防風防雨棚內設置臨時照明和防潮除濕裝置，保持相對濕度不大于90%。

經綜合分析，擬定如下修復工藝流程：焊口清理―焊前預熱―焊接操作―后熱處理―外觀檢驗―焊縫磨平―無損檢測。參考缺陷尺寸制作模擬試板，按擬定的修復工藝流程和焊接參數，進行模擬修復試驗，根據試驗過程及結果調整各步驟工藝參數，直至試驗結果滿足修后質量要求。

一、焊口清理

對需修復的部位進行打磨清理，將其打磨成平滑光亮的凹槽，凹槽應圓滑過渡至法蘭表面，四側邊坡角度為30°～45°。用著色探傷進行表面檢驗，直至將缺陷全部清除。

二、焊前預熱

焊前預熱能減緩焊后冷卻速度，有利于焊縫金屬中氫的逸出，降低焊接結構拘束度和焊接應力，提高焊接接頭的抗裂性。

考慮工件結構及現場條件限制，采用火焰加熱法進行預熱。預熱溫度控制在100～150℃，加熱區為焊接區域及向外擴展約200 mm范圍。預熱時應交替烘烤法蘭面正、反兩側，確保受熱均勻。采用紅外測溫儀測量預熱溫度。

三、焊接操作

（一）焊接工藝參數

焊接方法選擇焊條電弧焊（SMAW）直流反接法（工件接負極）。焊接電流為100～120A，焊接電壓為22～28V，焊接速度為150～180mm/min。選擇合適的焊接工藝參數是保證焊接過程穩定、焊縫質量良好的有效手段。

焊接材料選用E5015低氫型焊條，直徑為3.2mm。考慮法蘭面在工作狀態下主要承受交變壓應力，在強度、耐磨性方面無特殊要求，因此，堆焊層選用與母材匹配的同質焊接材料。

焊條按350～400℃進行烘焙，烘焙恒溫時間1h，烘焙完成后將烘箱溫度調至150℃保溫。現場焊接時，使用焊條保溫筒，隨用隨取。

（二）焊接操作要點

圖2 焊接順序示意

圖3 焊后（磨平前）

圖4 磨平后焊縫

圖5 平整度檢測

采用多層多道焊，焊接順序見圖2。每道橫向擺動寬度不超過8mm，相鄰焊道焊接方向相反，各層道間接頭應錯開，保持層間溫度不低于200℃。在同一個區域內的焊接操作應連續進行，避免隨意中斷、停頓。焊接過程中使用小錘對焊道進行輕輕錘擊—利于釋放焊接殘余應力。

（四）后熱處理

焊后在堆焊區完全冷卻之前（≥100℃），用火焰將工件加熱至300～350℃，保溫緩冷。加快焊縫及熱影響區氫的逸出，防止產生冷裂紋。

（五）外觀檢測

焊縫過渡平滑，無咬邊、氣孔、夾渣、裂紋、凹坑、未熔合等缺陷（圖3）。焊縫熔渣及飛濺物清除干凈。焊縫余高在0～2mm范圍內，不低于母材。

（六）焊縫磨平

焊后24h后，將高于法蘭平面的堆焊凸起部分精磨平滑（圖4），磨平后用靠尺檢測（圖5），結果顯示，平整度符合法蘭設計技術規格書要求。

（七）無損檢測

焊后48小時后按C級檢驗要求進行100%UT檢測，檢測結果為NB/T47013標準Ⅰ級合格。

修復效果及結論

焊縫經打磨平整后投入使用已24個月，運行情況良好，修復結果符合預期要求。

本文分析證明，在海上施工現場環境條件下進行法蘭密封面修復是可行的。選擇合適的焊接工藝參數，做好防風、防雨、防潮措施，用焊條電弧焊方法進行現場堆焊修復效果良好。修復后的法蘭能夠滿足設計技術要求，符合使用工況條件。

攝影：李明