风电塔筒制作中关键工序的工艺研究周国伟

风电塔筒制作中关键工序的工艺研究周国伟

周国伟1梁利云2

（1华电重工股份有限公司北京市100160；2武汉华电工程装备有限公司湖北武汉436070）

摘要：随着清洁能源在国家能源战略结构中占比的不断提升，风能作为一种无污染和可再生的新能源，已被广泛开发用于代替火力发电。风电塔筒作为整个风力发电系统的基础，直接承载着整个风机的重量和风机在运行过程中传递过来的力和力矩、震动以及风荷载等，因此其制作、焊接质量的好坏，直接影响着整个风电系统的运行，本文主要对风电塔筒制作、焊接过程中一些关键工序的工艺技术进行研究探讨。

关键词：风电塔筒；组装；法兰；下料；卷圆；焊接

引言

风能是一种清洁、绿色环保、可再生的新能源，有着巨大的发展潜力。随着清洁能源在国家能源战略结构中占比的不断提升，以及国家对各种绿色可再生能源的不断深入开发，风力发电已成为目前可再生能源利用中技术较成熟的、最具商业化发展前景的一种新能源使用方式，在很多风能资源丰富地区得到了广泛应用。目前我们国家已经形成了一个较为完整的、具有一定规模的风力发电装备产业链，在这个链条中风力发电塔筒是最基础的、生产量较大的一部分。目前批量的陆上风力发电机单台设计容量大多为1.5MW、2.0MW、2.5MW、3.0MW、3.5MW，海上风力发电机单台设计容量大多为5MW、6MW。塔筒直径大多为4m以上，整个塔筒高度在80~120m之间，一般分为4~7段，每段塔筒通过锻造法兰用高强螺栓连接，每段塔筒由6~10个厚度不等的筒节和两个锻造法兰组成，板厚最薄为11mm，最厚达50mm，整个塔筒均为焊接结构。当前风力发电机组的发展趋势是单台机设计容量越来越大，高度越来越高，这也对塔架的性能和质量提出了更高的要求。因此，通过对塔筒各关键工序制作、焊接工艺技术的研究，可以控制好各工序的质量，进而保证整个塔筒的质量和性能。

一、塔架工艺流程

原材料入厂检验并标识→材料复验→按排版图数控下料并标识→加工坡口→卷圆定位焊→纵缝焊接及焊接检验→校圆→筒节外形尺寸检验→法兰与筒节组装定位焊→筒节组拼定位成整体→环缝焊接及焊接检验→筒体整体尺寸检验→门框分段压弯成型→门框拼焊及焊接检验→塔筒开门孔及开坡口→门框与筒体组焊及焊接检验→划线组焊焊接内附件→筒体整体检验→防腐处理→LOGO喷涂→组装镀锌及采购内附件→检查内附件安装是否正确→包装→装车→发运出厂

二、原材料采购、复验

风电塔筒使用的原材料的好坏直接影响着整个塔筒性能和质量，因此必须保证原材料的来源，钢板采购必须选用国内知名大钢厂的钢材，如舞钢、武钢、鞍钢、安钢、兴澄特钢等，法兰必须选用国内知名品牌，如伊莱特、丹东丰能等。所有原材料要求有产品出厂合格证明。采购钢板前必须按图纸放样并预留一定的切割和取样余量，保证材料采购的准确性且可按炉批号复验，确保材料质量。采购的材料探伤质量等级必须达到NB/T47013-2015UTI级的要求

三、下料及坡口制备

3.1下料

下料质量的好坏直接影响塔筒组装、焊接质量，每个筒节下料前，必须进行1:1放样，且必须仔细审核，因为每个项目均有多台机，相同机型的材料均一样，如果一个放样图有误，就会造成批量错误，不紧浪费材料，还可能影响工期。所有材料均要求采用数控切割下料，下料前应按放样图进行编程，正式下料前应认真核对材质、规格、尺寸，根据板厚调整好割嘴和气体流量，下料人员在下料前应使割刀预走一圈，确保尺寸无误后才能正式切割下料。同时为防止筒体焊后收缩，下料时应在筒节宽度方向上加1~2mm余量。割件切割完毕两小时后，对其主要尺寸如大弦长小弦长对角线、长度、宽度等尺寸进行检查并做好检查记录，长度方向允许误差要求±2mm；板宽之差要求≤2mm（至少测量5个位置），对角线之差≤3mm。下料后应将材料规格、材质、炉批号等信息移植到相应位置上，并做好筒节编号标识。

3.2坡口制备

坡口质量直接影塔筒组装和焊接质量，因此开坡口是塔筒制作中较为重要的一个工序。塔筒上所有坡口均采用半自动火焰切割开坡口，坡口尺寸应符合相应的工艺评定和焊接工艺卡的要求，不同厚度的筒节对接时，当厚度差≥4mm时，应对厚薄进行削薄处理，斜度1:4。坡口表面应光滑整洁，不得有影响组装和焊接质量缺陷，表面割痕≤0.5mm。坡口制备完成后坡口面及其两侧30~50mm应打磨干净，露出金属光泽。

四、卷圆及回圆

筒节卷圆质量影响着筒节表面质量和塔筒组装后两端平行度和法兰平面度，卷圆前必须检查滚棍及板面是否有焊瘤铁屑等杂物，滚圆过程中板材表面应避免机械损伤，有严重伤痕的部位应进行修磨，筒壁最大缺欠深度不大于0.8mm。卷制筒体一般在三轴辊圆机上加工，卷圆前应预制对口区域约300~350mm宽度圆弧，锥形筒体的滚制可采用分区段对称顺序滚制方法或采用辊圆机上装顶柱卷制方法。卷制过程中应用样板随时检查筒体曲率，并用靠模样板检验弧度，表面凸凹度等。卷圆至图纸尺寸时，筒节应处于自然状态。检验用的样板应边缘应光滑平整，样板无变形，检查内外圆度的样板最小长度为600mm。组对时应保证对接间隙0.5-2mm，错边量<1mm，错口量≤1.5mm，如下图所示。

卷圆完毕后，经检测合格后进行纵缝焊接，纵缝焊接完成后经UT检验合格，焊缝充分冷却后，筒节应回到卷板机进行回圆，同时测量筒节的弧度、大小口直径等，控制筒体任意截面圆度公差为Dmax/Dmin≤1.005(Dmax为测量出的最大外径，Dmin为测量出的最小外径)，以确保整个筒节的椭圆度、表面凸凹度，尤其是纵缝附近的凸凹度符合标准要求，测量时应完全松开压辊，让筒节处于自然放置状态，确保测量数值的准确性。

五、塔筒组装

筒体组对前应在每个筒节焊接、矫正回圆、并检查合格后才可进行，组对前应对圆筒仔细的滚压和边缘处理，保证法兰和筒节、筒节与筒节接口处的配合间隙最小，以确保最终的尺寸、平面度、同轴度等符合要求。

塔筒组对前，应检查每个筒节环缝坡口质量，确保坡口质量符合焊接要求，认真核对每个筒节的分度线，确保相邻筒节纵缝错开180°，并测量相邻两个筒节的对口位置周长，计算错边量，保证环缝对口错边量≤0.1t，且≤2mm，错边量应均匀分布在整个圆周上，严禁集中在某一位置，严禁用外力强行组装。组装过程中控制好组装间隙，环缝对口间隙应控制在0~2mm，每条环缝上间隙应均匀。

塔筒组对应在滚轮架上进行卧式组对，每一段塔筒所有筒节组对完成后，最后组装上下两个法兰，法兰组装前也应按上述要求测量对口周长，计算错变量。法兰组装时采用吊车将法兰悬吊组装，受重力作用，法兰平面与地面垂直，可以保证两端法兰的平行度，也有利于法兰平面度的控制。首台机组装完成后，环缝焊接前应检测法兰平面度，记录相关数据，对于平面度亚种超标的应通过组装进行调整，焊接后，再次检测法兰平面度、内倾度，根据检测对比结果在组装时进行调整。

六、风电塔筒焊接

塔筒正式焊接前，必须按技术协议和相关标准进行工艺评定，评定合格后应根据评定和标准编制相应的WPS，焊接时根据WPS施焊。塔筒焊接纵缝、环缝焊接均采用埋弧焊焊接，焊材一般选用H10Mn2+SJ101，所有焊缝均为全熔透焊缝，焊后要求进行100%UT检测，I级合格，T型接头处进行RT检测，Ⅱ级合格。为保证焊缝质量，焊接前必须按说明要求对焊剂进行烘干，为保证纵缝和环缝交接处T型接头质量，筒节纵缝焊接时必须加装引熄弧板，环缝焊接时起熄弧点应错开纵缝300mm以上，且熄弧点应转过起弧点100mm以上。

由于法兰焊后平面度、内倾度要求控制在1.5mm以内，顶法兰要求控制在0.5mm之内，且不允许有外翻，为保证法兰焊接后平面度、内倾度满足要求，传统的方法是将段与段之间相连接的法兰用工艺螺栓拧紧后施焊，这样不仅费时费力，而且在焊接过程中，要随时检查螺栓的紧固情况，如有松动应及时拧紧，存在安全隐患。经过大量焊接过程跟踪总结，焊接时先焊内侧焊缝，内侧最后留2~4道焊缝不焊，之后对外侧碳弧气刨清根，进行外侧焊缝焊接，外侧焊缝焊接完成后，最后再焊接内侧剩余部分焊缝，通过控制焊接参数，可满足上述平面度和内倾度的要求，这样就可节省大量工作量，同时也可满足焊接质量要求。

结语

通过对塔筒制作过程中各个关键工序的制作过程和质量把控，不但可以节约节约人力和资金成本，还能有效保证塔筒质量和性能，确保塔筒能够满足设计要求，平稳运行。

参考文献：

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