陆上风电塔筒制造工艺与质量控制的研究

陆上风电塔筒制造工艺与质量控制的研究

唐瑞彬

中国水电四局（兰州）机械装备有限公司

摘要：

风电塔筒是风力发电设备的重要组成部分，其制造工艺和质量控制对于保证风力发电设备的正常运行和安全性至关重要。本文主要介绍了陆上风电塔筒的制造工艺和质量控制方法，包括部件原材料检验、制造工艺、焊接质量检测等方面的内容。通过对陆上风电塔筒制造工艺和质量控制的研究，可以提高风电塔筒的制造质量和可靠性，为风力发电行业的发展提供有力支持。

关键词：风电塔筒；制造工艺；质量控制；材料检验；焊接质量检测

前言：

随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益突出，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式得到了广泛关注和应用。风电塔筒作为风力发电设备的重要组成部分，其制造工艺和质量控制对于保证风力发电设备的正常运行和安全性至关重要。因此，对风电塔筒制造工艺和质量控制进行研究具有重要的理论和实践意义。

一、风电塔筒原材料、焊接试板及其它重要部件的检验

风电塔筒作为风力发电机组的重要组成部分，其原材料的性能直接影响风电塔筒得质量。塔筒制造从原材料复检到成品检验的试验项目，主要如下：钢材及法兰复检（无损检测、理化性能试验）；焊材、油漆等辅材的材料复检（无损探伤、理化性能试验、拉拔试验等）；产品焊接试板的理化性能试验。

1钢材及法兰原材料复检

（1）钢材检测

钢板进厂检验流程如下：

塔筒钢板材质、厚度公差、探伤等级、表面质量以及交货状态必须满足图纸要求；钢厂严格按照国家相关标准对钢板进行检验，并随产品提供了完整的合格证明文件。

钢板进厂后，首先检查钢板形体尺寸及钢板表面不得有裂纹、折叠、结疤、夹杂和重皮等缺陷；其次按照NB/T 47013.3-2015进行超声复检，其检查比例及探伤等级要求需满足图纸要求，若发现一张板不合格，必须同批次每张板都进行复检。另外需对钢板化学成分和力学性能进行复检，力学性能包括拉伸、弯曲和低温冲击功，所有复检结果符合GB/T1591-2018相关要求，并应由有资质的单位出具复验报告。其中钢板化学成分按炉号进行，力学性能按批号进行。

（2）法兰检测

法兰进厂复验流程：

法兰厂家方应按法兰锻造批次提供试样送交有资质单位进行化学成分、力学性能复验，合格后方可发货，并提供相应报告。法兰进厂后，塔筒制作方仍需对每件法兰进行100%UT和MT复验，执行标准按NB/T 47013.3  I级和NB/T 47013.4  I级，并对法兰送样按《风力发电机组环形锻件》（NB/T31025-2012）规定的所有项目进行复验。

2焊接材料检测

根据相关技术标准，确定塔筒焊接所用焊材满足下表：

所用焊材还需经焊接工艺评定合格后方可使用，且每批次焊材进厂需按照技术文件及相关标准的规定进行复检。焊接材料的管理、发放和使用严格执行NB /T 47014-2011《承压设备焊接工艺评定》规定。

3防腐涂料检测

对到货的防腐涂料，严格按技术要求核对产品质量证明书，产品批号、生产日期、有效日期、防伪标志及理化检验报告等质量证明文件。对防腐涂料进行了开箱抽查，无干硬结皮现象，涂料稠度及流动性良好。对防腐完成的塔筒进行附着力以及厚度检测，其中锌层厚度测量参考GB/T 9793-2012，锌层附着力检测参考GB/T 5210-2006，油漆涂层厚度检测参考GB/T 13452.2-2008，油漆涂层附着力检测参考GB/T 5210-2006。

4焊接产品试板

在施焊塔筒同时，制作筒体纵缝产品焊接试板，与筒体纵缝同时施焊，产品焊接试板的厚度范围应是所代表的工艺评定覆盖住的产品厚度范围之内。

产品焊接试板允许以批代台，10台为1个批量，每10台须选首台做产品焊接试板。焊接试板检验项目按NB/T47014-2011《钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验》中的规定执行。如一块试板不合格，应加倍制作试样进行复验并做金相试验，如果仍不合格应恢复逐台制作产品焊接试板，直至连续制造10台同钢号，同焊接工艺，同热处理规范的产品焊接试板，测试数据合格为止。

总之，为保证塔筒的安全性能，需要从源头进行严格的质量控制，以满足风电塔筒在恶劣环境下的使用要求，确保产品设计寿命内平稳运行。

二、风电塔筒的制造工艺

风电塔筒是风力发电机组的重要组成部分，其制造工艺直接影响到机组的安全运行和使用寿命。主要包括单节制造、法兰与筒体单节组焊、塔筒单元无间隙组焊、门框及内附件装焊、可拆卸件的厂内装配、塔筒防腐等环节。下面详细介绍这些环节的工艺要求和控制方法。

1单节制造

单节筒节制造及质量控制是塔筒根本，其过程与质量控制是塔筒制造的基础。包括以下几个方面：

（1）筒体下料根据材料厚度的不同，可以选择火焰切割、等离子切割或激光切割等方式。切割前仔细核对钢板规格，选择与钢板规格相对应的程序，首先使用数控切割机空程预演，检查切割余量，调整对应的设备参数予以确保下料质量。允许偏差为：所有母线、弦长、弦高、对角线的实测值与理论值相对差≤1mm，母线各实测值相对差≤1mm，对角线各实测值相对差≤2mm。数控下料后清理钢板正反两面的氧化铁，切割不允许出现锯齿、凹槽等严重缺陷，若出现上述缺陷，应及时补焊并修磨平整。

（2）根据焊接工艺评定针对不同焊接方式、不同板厚开设不同的坡口。坡口切割时使用半自动火焰切割机、刨边机或专用设备，并检查坡口角度、钝边大小满足图纸要求，最后清理熔渣、氧化铁，打磨钝边及坡口周边30mm范围至露出金属光泽。

（3）卷制前必须检查和清理滚棍及板面不得有焊瘤铁屑等杂物，钢板卷制方向应和钢板压延方向一致，通过调整卷板机上下辊，确保滚轴与母线对正下压，来回多次滚压，并随时用样板检查弧度误差，样板与瓦片间隙小于2mm，弧度符合要求后进行纵缝对接。

（4）纵缝对接不允许强行组对，用焊缝检验规和150mm钢板尺检查控制筒体对接间隙、错边量、错台量,然后定位焊。纵缝对接处在筒体外侧定位焊焊接，并在纵缝两端头分别安装引/熄弧板（若有焊接试板时，需安装焊接试板后再安装引/熄弧板），引/熄弧板安装时，点焊位置不允许在筒体内侧。所有定位焊焊接时只允许在焊缝处引弧，不得伤及筒体母材，定位焊应保证和焊缝质量一致，且不影响其后的焊接工作和焊缝质量。

（5）筒节纵缝对接完成并经检验合格后，采用埋弧自动焊焊接，先焊接内侧，外侧碳弧气刨清根后焊接成型。

（6）筒节纵缝焊接完成，待焊缝彻底冷却后重新吊回卷板机进行圆度校正，校正过程中，不允许采用垫块等尖锐物体垫压。检查使用内弧样板进行整体检查，样板间隙≤2mm，并使用卷尺配合测量管口椭圆度，测量时要完全松开压辊，让筒节处于松弛自然放置状态，测量数量不少于4组，如图所示：

2法兰与筒体单节组焊

与法兰相连接的筒体在塔筒环缝组对前要先与法兰组焊，法兰与单节筒体组焊是过程质量控制的一个重要环节，直接关系到塔筒法兰的平面度和塔段整体的形体尺寸。包括以下几个方面：

（1）所有筒节只有在圆度校正合格并且纵缝无损检测合格后方可转入组对工序。

（2）法兰与单节筒体组对在专用的组对平台上进行，组对平台的平面度要求≤1mm，并定期检查平台，组对前必须确保法兰和单节筒体的各项检验均合格后方可进行组对，组对必须保证筒体纵缝位于法兰两螺栓孔之间。

（3）组对前筒体和法兰坡口内及其两侧各20mm范围内用磨光机打磨去除铁锈、油污等。组对时先将法兰脖颈朝上放置在平台上，倒拨筒体与法兰进行无间隙组对。

3塔筒单元无间隙组焊

塔筒单元段组焊环节是塔筒制造质量控制的重要环节，它取决于小单元制造质量，又全面决定塔筒的最终质量，包括以下几个方面：

（1）每个筒节对接前都必须分别测量两个对接管口的周长，计算出圆周方向的理论错台量，错台不超差的情况下圆周均匀过渡组对，保证整体组对错台不超差。

（2）每对接一节筒体都用钢卷尺测量四条工艺轴线处的塔段母线长度，对于偏差超过2mm处应在下一节对接前做修磨处理或对接过程中做预留组对间隙的处理，以控制塔段的整体尺寸不超差。

（3）相邻筒节对接后，纵缝应相互错开180°，所有筒节上对应的各工艺轴线均处于塔段的同一母线上。

（4）每次对接前，用手工焊条电弧焊或气体保护焊在塔筒外侧对上一节对接焊缝整体定位焊，定位焊只允许在焊缝处引弧，不得伤及筒体母材。

（5）塔段组对尺寸（错台、间隙、棱角、母线、平行度、同轴度）检查合格后进行环缝焊接，环缝焊接采用埋弧自动焊焊接，先焊内侧，外侧清根后焊接。

4门框及内附件装焊

（1）门框装焊

门框必须实配装焊，安装前，将成品门框吊至塔筒顶部，实配划线后切割门洞；

必须采取适当的加固措施，以防门洞切割的热变形和后续焊接变形对塔筒的形体尺寸造成较大影响；

门洞的切割位置、划线尺寸、坡口尺寸以及门框装配的间隙都必须严格检查，确保门框装配质量；

门框焊接前测量门框所在筒节管口椭圆度，并预留反变形量，保证门框装焊之后的椭圆度合格。

（2）内附件的装焊

塔筒内部的焊接件是最终所有塔筒内部件的安装接口所在，主要包括平台、爬梯、电缆、灯具和灭火器的安装接口等，其装配精度直接影响到后期的可拆卸件安装。安装位置必须严格按图纸要求进行布置；安装时先采取点焊形式固定，安装尺寸检查合格后方能施焊；附件的焊缝应尽量避开塔筒本体的焊缝；附件的种类、数量、安装位置必须精确。

5可拆卸件的厂内装配

塔筒出厂前，所有可拆卸内件都要在厂内进行组装，主要包括电气系统、照明系统、接地系统、内部平台、直爬梯、塔筒门、门外梯等。所有可拆卸件按设计图纸要求进行生产；梯子与梯架支撑应安装牢固，上下成直线，接头牢固；塔筒门套应安装密封条，确保密封条防水；门板装配应保证与塔筒贴合紧密，开启顺利无阻涩现象；塔筒平台要求安装后面板平整牢固，平台翻盖板可轻松开闭，与筒壁及其他内附件不产生干涉；照明灯具、接线盒安装后必须通电试用，确定灯具无损坏，线路搭接无误；安装时应注意做好防护，以免损坏塔筒内表面防腐涂层；所有紧固件应按要求做紧固标记。

6防腐

依据 ISO 12944-2-2017标准进行腐蚀性级别划分，依据 ISO 12944-5-2018标准确定塔筒耐久性及喷涂道数和额定干膜厚度。

对塔筒的棱角边先用砂轮机打磨至R1～2mm；焊缝表面除去飞溅、焊渣必须在打砂清理之前完成。

塔筒表面在预处理前，应用清洁剂除去表面油脂、盐份等有害物质。

喷涂前采用喷砂除锈，基体表面粗糙应达到Rz60～100μm，并保证致密度和均匀度。喷砂用压缩空气必须干燥；砂料必须有棱角、清洁、干燥，特别是应无油污、可溶性盐类，喷砂防锈表面应达到GB8923之3.2.3项的Sa2.5级要求。

完成打砂清理后，必须除去所有的打砂残留物并从打砂表面上彻底清除灰尘。

喷砂后尽快根据配套油漆要求进行喷漆，其间隔时间愈短愈好，在晴天或不太潮湿天气，间隔时间不能超过12h；在雨天、潮湿天气应在4h内完成；在含盐雾气氛下，间隔时间不能超过2h。

喷涂完后除保证油漆涂层厚度外，漆层外观应色泽均匀、平整、并有光泽，表面不允许有咬底、裂纹、剥落、针孔、流挂、桔皮、起泡等缺陷。

7焊接工艺

风电塔筒的焊接根据材料的特性和焊接要求，可以选择气体保护焊、埋弧焊、手工焊等方式。

（1）正式焊接前必须按NB/T47014《钢制压力容器焊接工艺评定》进行工艺评定。焊接工艺评定报告（PQR）和焊接规程（WPS）必须符合技术规范要求，根据焊接工艺评定及技术要求制定焊接工艺文件，产品的施焊范围不得超出焊接工艺评定的覆盖范围。

（2）焊接材料应选用经焊接工艺评定合格的焊材，并焊接所用焊材在入厂后使用前必须进行复验，复验结果应符合相关标准的规定。

（3）凡是参加塔筒埋弧自动焊、门框焊接、门框与筒体之间的焊接、法兰与筒体之间的焊接工作的焊工，应取得经国家考核颁发的压力容器焊接资格有效证书，只有考试合格的焊工方可参加本项目的施焊。

（4）焊接前、焊接过程中，要清除干净坡口面及坡口两侧各50mm处的有害杂物。清除范围内应无氧化物、油污、铁锈、水分等影响焊接质量的物质。

（5）焊接预热及应力消除相关要求:焊前预热参考 NB/T47015-2011 第4.4 预热，推荐预热温度 80℃至 150℃，预热范围为焊缝两侧 100mm 范围内。焊接应力消除可采用焊后热处理与振动时效的处理方式。

（6）多层、多道焊时，应彻底清除层间的熔渣、氧化物，为下层焊缝做好准备。

（7）焊缝同一部位的返修次数不应超过两次，如超过两次，返修前应重新制订返修工艺规程，经制造单位技术总负责人批准，返修次数、返修部位和返修情况应记入质量证明资料。

（8）焊接材料管理

焊接塔筒部件所用的焊条、焊丝、焊剂等材料必须具有合格证和清晰牢固的标记。

焊材贮存库应保持干燥，相对湿度不得大于60%。

焊条施焊前须在烘干箱内按焊条说明书规定的烘干温度及保温时间进行烘干。焊条领用时必须放在140～160℃的保温箱内，随用随取。使用超过4小时应退回烘干室重新烘干，重复烘干不得超过两次。

施焊前须在烘干箱内按焊剂说明书规定的烘干温度及保温时间进行烘干，重复烘干不得超过两次。焊接过程中回收的焊剂必须经重新烘干后方可再次使用。

（9）所使用的电焊机必须配齐全经检定合格的电流表和电压表，塔筒焊接设备必须是专机、专人、专管，其使用、保养、维护等应严格执行设备管理相关制度。

（10）焊缝检验及焊缝质量要求

塔筒上所有筒节间对接焊缝、筒节法兰对接焊缝、筒节与门框对接焊缝、门框拼接焊缝均为全熔透，且外形尺寸应符合图纸或工艺要求，焊缝与母材应平滑过渡，焊接接头的焊缝余高 h应趋近于零，不大于焊缝宽度的10%，最大值不超过2mm。

焊缝质量应符合 ISO5817 中 B 级要求。

焊缝不允许有裂纹、夹渣、气孔、未焊透等缺陷。
焊缝和热影响区表面不得有裂纹、夹渣、气孔、未熔合及低于焊缝高度的弧坑、深度＞0.5mm 的咬边。

焊缝外形尺寸超出规定值时，应进行修磨，允许按压力容器要求局部补焊，返修后应合格。

（11）无损检测

焊缝无损检测须在焊缝外观检验合格后进行，且在焊接 24 小时后进行。焊缝无损检测均按压力容器无损检测标准 NB/T 47013-2015 执行，详见下表：

所有法兰和筒节、筒节与筒节的“T”型焊接接头处均布片射线探伤，每个“T”型焊接接头探伤必须布片两张，纵、环缝位置各一张，每张检测的有效长度不小于 250mm，每张底片均能清晰的反映 T 型接头部位焊缝情况。如对超声波探伤产生疑问处，采用布片射线探伤。

总之，风电塔筒的制造工艺涉及到单节制造、法兰与筒体单节组焊、塔筒单元无间隙组焊、门框及内附件装焊、可拆卸件的厂内装配、塔筒防腐等多个环节，每个环节都需要严格按照工艺方案执行，以保证风电塔筒的质量和使用寿命。同时，还需要不断优化工艺流程，提高生产效率，降低生产成本。

三、风电塔筒的质量控制

风电塔筒是风力发电设备的重要组成部分，其质量直接影响到风电机组的安全运行和发电效率。因此，通过以下几个方面来加强质量控制，确保风电塔筒的最终质量。

1建立合理的组织机构

根据工程的特点，结合ISO9002质量标准，建立合理的质量管理组织体系。选用技术和管理骨干充实管理团队，形成组织协调得力、工作效率高的项目管理机构，组成作风过硬、技术素质高的作业队伍。

2做好技术交底及人员培训

项目开工前，由技术负责人对项目进行全面的技术交底。使各级管理人员及作业人员掌握施工程序、施工工艺方法、操作规程、所用机具设备和检验测量设备以及质量检验标准，按技术方案施工，保证产品质量。

3加强机具设备控制

机具设备配备的数量、性能、精度等级必须满足工艺、技术、质量、使用环境等的要求，并在开工前进行设备能力验证，达到规定要求方可开工。

配备的数量、性能、精度等级必须满足测试任务的需要，按规定检定校准，做到在用检验、测量和试验设备处于检定、校准合格状态，确保质量控制的准确性。

4加强材料的检验

选择合格供方，采购合格的钢板、法兰、油漆、焊材等，并对到货物资进行验收入库。

库房物资要按规定分类摆放，做到整齐美观，对顾客提供物资设专帐、专区管理和存放。

保管员对经检验和试验合格进入仓库的物资，按名称、规格、型号、数量、产地作标签标识，通过标识以防用错和发生质量问题能及时追回。

5编制切实可行的施工技术方案

开工前根据施工图、标准规范，结合工程的特点，编制切实可行的施工技术方案，用于指导施工组织和作业。

加强技术文件的控制，保证各有关场所得到和适用文件的有效版本。

6加强质量检验

确定各工序质量控制点，明确质量控制目标，贯彻“自检、互检、专检”的三检制度，做好检查记录，并签字确认。

总之，风电塔筒的质量控制通过行之有效的质量体系以及加强过程管控来保证最终检验结果。通过对原材料、焊接工艺、装配过程以及涂装过程等环节的严格监控和控制，确保风电塔筒制造质量的稳定性和一致性；通过对形体尺寸、外观、原材料理化、焊缝无损以及涂层厚度等方面的全面检验，确保风电塔筒的质量和可靠性。

总结：

通过对风电塔筒制造工艺和质量控制的研究，可以提高风电塔筒的制造质量和可靠性，为风力发电行业的发展提供有力支持。在实际应用中，需要根据具体的设计图纸要求，采用合格的材料、合理的加工工艺和检测方法，以确保风电塔筒的质量和可靠性。同时，还需要不断优化工艺流程，提高生产效率，降低生产成本，为风力发电行业的可持续发展做出贡献。

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