海上风力发电基础-吸力式导管架基础顶法兰焊接质量控制

海上风力发电基础-吸力式导管架基础顶法兰焊接质量控制

靳涛王松涛

(. 中信重工机械股份有限公司，河南 洛阳 471039)

摘  要：本文首先以某一项目某一机位导管架基础为例，介绍了其基础顶法兰的受力特点，指出了基础顶法兰处焊缝是最为薄弱的地方；然后提供了基础顶法兰焊接的详细焊接参数，同时提出要从焊前准备、焊中控制、焊后热处理以及焊后检验四个方面来控制基础顶法兰的焊接质量；将全站仪应用于基础顶法兰焊接变形控制，首次将豪克能冲击去应力技术应用海上风电领域，并对比传统的退火去应力方式，将豪克能去应力技术的优势进行了详细介绍，本文将会对海上风电领域大型法兰焊接和消除焊后残余应力方向的研究及实际应用提供一定的参考和借鉴。

关键词：吸力式导管架基础；基础顶法兰；焊接质量；豪克能

中图分类号：TG404

Welding Quality Control of Foundation of Suction Pile Top Flange

JinTao，WangSongtao

(CITIC Heavy Industries Co. , Ltd. , Luoyang, 471039)

Abstract: In this paper, taking the suction pile foundation of a certain machine as an example, the stress characteristics of the pile top flange are introduced, and it is pointed out that the welding seam at the top flange is the weakest place Then the welding parameters of the foundation top flange are provided, and the welding quality of the foundation top flange should be controlled from four aspects: pre-welding preparation, welding control, post-welding heat treatment and post-welding inspection The total station is applied to the welding deformation control of the foundation top Flange, and the hauck shock stress relief technology is applied to the offshore wind power field for the first time, the advantages of the hauck stress relief technique are introduced in detail. This paper will provide some reference for the research and practical application of welding and relieving residual stress of large Flange in offshore wind power field.

Key words:suction pile foundation; foundation top flange; welding quality; hauck energy

0引言

风力发电以其低碳、环保、无污染的特点，备受全球各个国家的高度重视，尤其是海上风电，全球约2/3面积为海洋，海上风能资源丰富。在我国，陆上风电已趋于饱和，海上风电正处于高速发展阶段。据统计，我国在2022年，海上风电累计装机量将会达到1000万kW，将会成为累计装机量最大的国家[1]。

为了满足海上风电行业的高速、稳定发展，需要先进的制造技术的支撑，基础和风机塔筒之间是通过法兰连接，法兰和基础之间是采用焊接方式固定。基础顶法兰的受力特点复杂，是风电设备中最为薄弱和最容易产生质量事故的位置，因此如何保障基础顶法兰的焊接质量是值得深入研究的课题之一。

本文针对某项目某一8MW吸力式导管架的基础顶法兰的受力特点及焊接质量保证做了深入分析。

1桩顶法兰受力特点分析

通常吸力式导管架基础的使用寿命是25年，设计寿命为27年，基础顶法兰的受力状态复杂[2]，主要受剪力、轴向力、弯矩、扭矩等，基础顶法兰所受的载荷为疲劳载荷，循环次数在1000万次以上，极限弯矩约204000kNm，极限扭矩约22600kNm。

导管架基础顶法兰采用整体锻造成型，材质选用Q355NEZ35

，化学成分及检测满足GB/T1591标准，Z向性能满足GB/T5313标准，锻件进行100%UT+100%MT，法兰整体进行机加工，表面粗糙度≥Ra6.3。可以看出基础顶法兰自身的化学成分、力学性能以及内部缺陷控制等的要求都是比较高的，通常在工作过程中法兰自身出现质量问题的几率是非常低的。那么可以 判断比较容易出现质量问题的地方是桩顶法兰与基础过渡段主钢管之间的环形焊缝。

2桩顶法兰环形焊缝质量控制

2.1 焊前准备工作

通过焊接工艺评定，制定合理的焊接工艺规程，选择合理的焊接原材料、焊接方法及焊接工艺参数，最终确定焊接参数如表1所示。

表1 基础顶法兰焊接工艺参数

Table 1 welding parameters of foundation top flange

按照GB985.1标准制作焊接坡口，焊前将坡口处的毛刺和氧化物等杂物清理干净，焊接前需对焊接区域进行预热处理，预热温度控制在120℃～150℃。

2.2焊接过程控制

基础顶法兰是风机塔筒的安装基准，因此对基础顶法兰的平面度和内倾度有很高的要求[3]，这就要求既要保证焊接质量，同时还要控制基础顶法兰的焊接变形控制[4]。基础顶法兰的焊接工作严格按照焊接工艺规程(WPS)执行性，基础顶法兰直径为6.7 m～7.8m，直径较大，焊缝较长，为了保证焊接质量和焊接变形控制，采用双面坡口焊接。焊接方法采用分段退焊，先进行内部坡口焊接，然后外部坡口清根，焊接，保证焊缝为全熔透焊缝，焊接过程中利用全站仪实时监控基础顶法兰的平面度及内倾值，根据检测数据调整焊接顺序。为了保证焊接质量，要求基础顶法兰的焊接工作一次性焊完，中间不允许停顿。

2.3 焊后热处理

由于基础顶法兰处焊缝受力较为复杂，一般需要焊后退火处理，即法兰与过渡段主钢管的焊缝，焊后保温温度550~620℃，保温时间通常不小于3小时，达到保温时间后应缓冷至常温。由于基础顶法兰尺寸较大，焊缝长度较长，无法实现进炉退火，又由于焊缝长度较长，采用远红外退火的话，加热温度无法加热到550~620℃，为了保证法兰焊接质量，我公司采用焊后感应加热保温温度 200~300℃，保温时间不小于1.5小时，感应加热图见图1，热处理完成后采用豪克能冲击去应力的方式对焊缝进行处理，豪克能技术将在第3章节进行详细介绍。

图1 焊缝焊后保温图

Fig. 1 Heat Preservation Diagram after weld

2.4 焊缝质量检查

焊缝表面不得有裂纹、夹渣、未熔合、气孔、焊瘤及弧坑。连接设施焊缝的咬边深度不应超过 0.6mm，其余焊缝的咬边深度不应超过 0.25mm。法兰焊缝需进行100%超声波探伤(UT)和100%磁粉探伤(MT)，如果对 UT 探伤或 MT 探伤结果有争议的，可采用射线探伤(RT)作补充检测。UT和MT执行标准分别为NB/T47013.3-2015和NB/T47013.4-2015，验收等级均为Ⅰ级合格，RT执行标准为NB/T47013.2-2015，验收等级均为Ⅱ级合格。

经 UT 或 MT 检测的焊接接头，如有不允许的缺陷，应在缺陷清除后进行补焊，并对该部分采用原检测方法重新检查直至合格。探伤工作应在焊后 48小时后进行。同一部位返修不得超过两次[5]。

3 豪克能去应力新技术的应用

第2章节所介绍的焊前准备、焊中控制、焊后热处理及焊后焊缝检验工作，其主要目的可归结为：通过焊接工艺评定工作选定合适的焊接方法，选择低氢焊条，选择合理的焊接顺序，控制好焊接线能量，通过严格控制焊接过程来控制法兰焊接变形，降低或消除焊接残余应力。

2.3节中提到，由于基础顶法兰尺寸过大，无法实现退火处理，为了满足法兰焊缝去应力要求，本文提供了一种新型的去应力技术，即豪克能冲击去应力技术。这也是豪克能去应力技术首次应用于海上风电领域。

3.1豪克能去应力技术介绍

豪克能去除残余应力技术是利用大功率豪克能推动冲击工具以每秒2万次以上的频率沿焊缝方向冲击焊缝的焊趾部位，使之产生压缩塑性变形，使焊趾处产生圆滑的几何过渡，从而大大降低了应力集中，调整了残余应力场，消除焊接拉应力，并产生一定数值的压应力，同时使焊趾部位的材料得以强化，能够大幅度消除焊接应力，提高焊接接头疲劳强度和疲劳寿命。毫克能焊缝去应力技术作用原理如图2所示，实际应用如图3所示。

图2 毫克能工作原理图

Fig. 2 working principle diagram of MG Energy

图3 毫克能实际工作图

Fig. 3 working diagram of MG energy

3.2豪克能技术的优势

与传动的退火去应力相比，豪克能冲击去应力技术的优势还是比较明显的，具体表现如下所示：

去应力效果优于振动时效和热处理，豪克能技术是目前最彻底消除残余应力的工艺方法，消除残余应力效果对焊接残余应力的消除率大于85%。

设备操作简单，只需一个人即可操作该设备。成本低，去应力时间短，传统的退火去应力，完成一件法兰的去应力工作至少需要2天时间，而豪克能去应力则只需要2个小时左右的时间，退火去应力需要大量的燃料，不经济，而豪克能技术则不然，一套豪克能设备可重复使用。

豪克能去应力设备在去应力的过程中还可以对焊趾处进行二次处理，避免焊缝打磨不彻底，留有棱边，从而导致应力集中状况发生。

4结论

1)本文以某一项目某一机位导管架基础为例，介绍了其桩顶法兰的受力特点，指出了基础顶法兰处焊缝是最为薄弱的地方。

2)为了保证基础顶法兰焊缝的焊接质量，本文提供了合理的焊接工艺参数，并且介绍了保证法兰焊接直接质量需要从以下几方面进行控制：焊前准备、焊中控制、焊后热处理以及焊后检验。

3)与传统的保证焊缝质量相比，本文提供了2中新技术的应用：焊接过程控制法兰变形采用了全站仪，通过全站仪试试检测法兰焊接变形；焊后去应力采用了豪克能技术。

4)本文首次将豪克能技术应用于海上风电领域，本文对豪克能技术做了一定的介绍，对其优势进行了总结：去应力效果好，

5)操作简单，成本低，可对焊趾进行二次处理。

参考文献

[1] 邓达纮, 陆 军. 浅析海上风电施工与运维装备[J]. 机电工程技术, 2019, 48(08): 45-47.

[2] 赵卜. 海上风机全寿命可靠性分析研究[D]. 大连：大连理工大学, 2014.

[3] 罗荣菊. 风电塔筒生产法兰内倾度控制技术的研究[J]. 机电产品开发与创新, 2015, 28(6): 114-116.

[4]舒芳, 于振江, 戴刚平, 王娟娟, 等. 大型钢管制作及其与平面法兰T形焊接技术研究[J]. 焊接技术, 2017, 46(9): 9-11.

[5] 周意普, 徐帆, 夏赢, 等. 风电机组塔架焊接质量控制[J]. 风能, 2015, (08): 74-76.