風電塔架法蘭平面度的火焰矯正方法及試驗*

胡寶成，李富科，何衛東，楊顯珍

(甘肅酒鋼集團西部重工股份有限公司，甘肅 嘉峪關 735100)

0 引 言

風電機組塔架是支撐機艙和風輪的風電機組重要部件。塔架法蘭是風電塔架的關鍵連接件、支撐件和受力件，長期在高空各種惡劣天氣及復雜風力變化載荷下承受拉伸、扭曲和剪切等作用力，法蘭平面度的幾何指標，將直接影響塔架兩段連接法蘭之間的結合程度及塔架安裝螺栓預緊狀態。

由于在風電塔架制作過程中，受塔架筒體展開下料精度、筒體卷制合口凹凸度、塔架組對間隙、組對錯邊量及塔架焊縫焊接變形影響，塔架法蘭平面度幾何尺寸時有超標現象。

為了保證塔架法蘭平面度符合塔架制造技術規范要求，需要矯正超標的塔架法蘭平面度，而矯正法蘭平面度通常采用機械加工和火焰矯正的方式進行。由于風電塔架單體工件較大，筒體直徑均在3 m以上，長度達20 m左右，重量最少為25 t，采用機械加工方式矯正法蘭平面度，需要端面銑等加工設備，費工費時，矯正效果也不是非常理想；而采用火焰加熱方式矯正法蘭平面度，效率高、操作簡便，是多數塔架生產廠家的常用方式。

1 火焰矯正的原理及基本方法

1.1 火焰矯正的原理

鋼材在加熱膨脹迅速冷卻到低溫收縮所產生的內應力，稱之為熱應力，當熱應力大于鋼材的彈性極限時會產生變形，火焰矯正就是利用鋼材熱應力產生變形，達到所需變形效果的過程。

火焰矯正的原理：鋼材受熱以1.2×105℃的線膨脹率向各個方向伸長，由于周圍物體對受熱處物體的限制，受熱物體受到壓縮，當冷卻到原來的溫度時，除收縮到未加熱時的長度外，鋼材將會按1.48×106℃的收縮率繼續收縮一部分，于是收縮后的長度就會比加熱前有所縮短。這種特性就為法蘭平面度火焰矯正提供了依據，在適當位置對塔架筒體進行火焰加熱，當筒體冷卻后產生較大的冷縮應力，使鋼材較長部分的纖維縮短，使法蘭平面度高點位置降低，從而達到矯正法蘭平面度超標變形的目的。

1.2 火焰矯正的加熱方法

火焰矯正的常用加熱方法有點狀加熱、線狀加熱和三角形加熱三種。

(1) 對于12 mm以下板厚鋼板凹凸變形，在機械矯正不能完全復原的情況下采用點狀加熱，根據結構特點和變形情況, 可加熱一點或數點。

(2) 對于材料厚度較大, 剛性較強, 存在拱變形和旁彎變形的構件，采用面狀加熱(三角形加熱)，加熱區域為三角形, 由于加熱面積較大因此收縮量也較大, 加熱時可用兩只或多只焊矩進行操作。

(3) 對于鋼制構件的角變形和局部彎曲變形，采用線狀加熱，加熱帶長度方向上產生的收縮量較小，橫向收縮量較大。

根據火焰矯正加熱方法，對于法蘭平面度矯正來說，是將筒體平面矯正到一個平面上，使用線狀加熱矯正，利用加熱帶的橫向收縮產生的強大拉應力，將筒體平面拉至一個平面上，從而將法蘭平面高點降低，進而達到法蘭平面度標準要求。

1.3 火焰矯正溫度控制

(1) 火焰矯正工具：大號的焊炬、割炬(或特制的加熱工具)等矯正工具；檢查工具；紅外線測溫槍；加熱氣體(氧氣、乙炔)等。

(2) 矯正火焰：射吸式焊炬利用氧與乙炔混合氣體燃燒產生火焰，調節氧和乙炔的混合比例，可以獲得三種不同性質的火焰，三種火焰最高溫度可見表1(焊炬氧乙炔體積比及可達最高溫度表)。

表1 焊炬氧乙炔體積比及可達最高溫度 /℃

碳化焰因乙炔沒有完全燃燒，易使鋼材碳化，特別對熔化的鋼材有加入碳質的作用，此火焰在矯正時應盡量避免使用。

對于加熱深度小于5 mm，需要較快的加熱速度，這時用氧化焰進行矯正。

對于加熱深度小于5 mm，需要較慢的加熱速度，這時用中性焰進行矯正；風電塔架筒體鋼板板厚均在10 mm以上，在法蘭平面度矯正時，為達到加熱冷卻收縮目的，選擇使用中性火焰。

(3) 矯正加熱溫度及冷卻方式

火焰矯正按加熱溫度可分為低溫矯正、中溫矯正、高溫矯正三種，三種矯正溫度可如表2所列。

表2 火焰矯正加熱溫度及冷卻方式表

火焰矯正時加熱溫度越高，越容易引起金屬變脆、影響沖擊韌性，而且冷卻速度越快，金屬沖擊韌性越差。風電塔架筒體使用的鋼板都是Q345材質鋼板，而且要求材料低溫沖擊值不得小于27 J(-20 ℃時為34J,-40 ℃時為27 J),所以塔架法蘭平面度矯正火焰加熱應采用低溫矯正，并采用空氣冷卻方式，嚴禁使用水冷卻[4]。

2 塔架法蘭平面度火焰矯正

風電塔架法蘭平面度矯正，采用線狀(帶狀)加熱方式，但加熱位置、加熱范圍、筒體板厚、加熱順序、環境溫度等因素，均對法蘭平面度矯正效果有著一定的影響，現將常用的二種火焰矯正方式進行比較，總結出更加快速高效的矯正方法。

2.1 直線式加熱矯正法

(1) 火焰加熱位置及溫度如圖1所示。

圖1 火焰加熱位置及溫度

根據塔架法蘭平面度檢測數據，沿筒體展開長度方向直線加熱，第1次加熱位置距法蘭與筒節相接環焊縫350～450 mm，加熱寬度50～70 mm，法蘭平面度超標嚴重區域加熱溫度為520～580 ℃，法蘭平面度超標區域加熱溫度為480～520 ℃，為保證法蘭平面度光滑過渡，適當延長加熱帶長度，加熱帶延長至法蘭平面度合格區域，法蘭平面度合格區域加熱溫度為440～480 ℃，延長長度為100～200 mm。

如果1次加熱未達到矯正效果，則需要做第2次加熱，與第1次加熱區域間隔100～150 mm，其加熱溫度應略高于前次，否則也無效果，熱矯正的加熱次數與升溫呈正比，每重復1次要提高1次溫度才有成效，而鋼材加熱的高溫，可使材料性能變脆，影響使用性能，所以加熱矯正不得超過二次。

(2) 實際加熱矯正效果如表3所列(以遠景塔架項目為例)。

表3 直線加熱實際操作檢驗表

采用相同的加熱寬度，較高的加熱溫度(低溫矯正中的高溫520～580 ℃)，1次加熱可使鋼材收縮近1 mm，通過二次加熱，可達到火焰矯正效果，滿足塔架法蘭平面度要求。

2.2 魚狀式加熱矯正法

(1) 火焰加熱位置及溫度如圖2所示。

圖2 火焰加熱位置及溫度

根據塔架法蘭平面度檢測數據，沿筒體展開長度方向魚狀形加熱，第1次加熱位置距法蘭與筒節相接環焊縫100～150 mm，加熱寬度呈魚狀，法蘭平面度超標嚴重的位置寬度為120～170 mm，向兩邊光滑過渡，延長到法蘭平面度合格為，寬度為10～30 mm，加熱帶加熱溫度為520～580 ℃。

如果一次加熱未達到矯正效果，則需要做第2次加熱，與第1次加熱區域間隔50～100 mm，其加熱溫度應略高于前次，為保證材料性能，加熱矯正不得超過兩次。

(2) 實際加熱矯正效果如表4所列(以三一塔架項目為例)。

表4 魚狀加熱實際操作檢驗表

采用魚狀形加熱寬度，較高的加熱溫度(低溫矯正中的高溫520～580 ℃)，一次加熱可使鋼材收縮近1 mm，但由于部分法蘭平面度超標嚴重(達3.5 mm以上)，采用兩次加熱，兩次與一次加熱區域距離較近，一次加熱為近法蘭位置，兩次加熱遠離法蘭，兩次收縮量有部分抵消，法蘭平面度矯正效果不佳，對超標嚴重的法蘭環焊縫需進行刨開重新焊接，不能取到火焰矯正效果。

2.3 風電法蘭平面度火焰加熱矯正法

(1) 火焰加熱位置及溫度如圖3所示。

圖3 火焰加熱位置及溫度

(2) 根據塔架法蘭平面度檢測數據，沿筒體展開長度方向采用魚狀形加熱，第1次加熱位置距法蘭與筒節相接環焊縫350～450 mm，加熱寬度在平面度超標嚴重區域為120～170 mm，逐漸向兩邊光滑過渡，適當延長加熱帶長度，加熱帶延長至法蘭平面度合格區域，法蘭平面度合格區域延長帶加熱寬度為50～70 mm，延長帶長度為100～200 mm；法蘭平面度超標嚴重區域加熱溫度為520～580 ℃，法蘭平面度超標區域加熱溫度為480～520 ℃，法蘭平面度合格區域加熱溫度為440～480 ℃。

(3) 如果1次加熱未達到矯正效果，則需要做第2次加熱，與第1次加熱區域間隔100～150 mm，由遠離法蘭連接環縫向近法蘭環縫依次加熱，加熱溫度略高于第1次，加熱矯正不得超過兩次。

(4) 由于塔架法蘭平面度冷卻采用空氣冷卻，環境溫度決定了冷卻速度，冷卻速度越快，鋼材收縮量越大，而加熱溫度越高，鋼材收縮量也越大，故而，塔架法蘭平面度火焰矯正時，要根據環境溫度變化，適當調整加熱溫度，控制鋼材收縮量，達到理想的矯正效果。

通過二種加熱方法的結合，此種矯正方法，即解決了加熱寬度不能保證鋼材收縮量的問題，又解決了兩次加熱收縮相互抵消的麻煩，可提高風電法蘭火焰矯正效率和矯正效果，滿足塔架技術規范要求。

3 結 語

風力塔架法蘭焊接時需要控制三個指標：法蘭平面度、法蘭角變形(即內傾量)、法蘭橢圓度，在焊接過程中采取相應的工藝措施，保證這三個指標符合工藝技術要求。通過總結多年塔架法蘭平面度火焰矯正的基礎上，采用合理的火焰矯正方法，根據鋼板板厚，有效控制火焰矯正溫度，選擇適當加熱位置、加熱順序，解決塔架法蘭平面度超標矯正問題。對提高風電法蘭火焰矯正效率和矯正效果具有實際指導意義。