風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架設(shè)備質(zhì)量控制探討

彭凌云， 朱鍇年

（1.中國水電工程顧問集團(tuán)有限公司中南分公司， 湖南長沙 410001；2.中國水利水電第四工程局有限公司， 甘肅蘭州 730050）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電早已經(jīng)從“補(bǔ)充能源”向“戰(zhàn)略替代能源”的方向轉(zhuǎn)變，是推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的重要力量[1]。 國家相繼出臺(tái)相關(guān)政策支持風(fēng)力發(fā)電、 光伏等可再生能源發(fā)展，助力“3060”能源碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)早日實(shí)現(xiàn)。 同時(shí)，2021 年起，陸上風(fēng)力發(fā)電邁入“十四五”周期，正式開啟“平價(jià)時(shí)代”。

隨著中高風(fēng)速的優(yōu)質(zhì)風(fēng)電資源越來越少， 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，低風(fēng)速區(qū)風(fēng)電場的開發(fā)越來越大。為了提高風(fēng)資源利用率，發(fā)電機(jī)組越來越大型化，支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的塔架越來越高， 目前高塔架在160m 以上已經(jīng)也應(yīng)用。同時(shí)，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展進(jìn)步，在“平價(jià)時(shí)代”成本的倒逼，支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的塔架，風(fēng)電塔架設(shè)計(jì)裕度和安全系系數(shù)也越來越小。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架是支撐數(shù)百噸重機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備， 不僅對(duì)機(jī)組起支撐作用，而且吸收機(jī)組震動(dòng)，受力復(fù)雜，這些都對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架提出了很高要求。 本人作為新能源開發(fā)建設(shè)者，非常關(guān)注設(shè)備質(zhì)量， 尤其風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架質(zhì)量對(duì)風(fēng)電開發(fā)項(xiàng)目的影響至關(guān)重要，就此開展研究討論。

筆者作為一名風(fēng)力發(fā)電開發(fā)的管理人員， 對(duì)風(fēng)電塔筒設(shè)備質(zhì)量非常重視，以湖南歐陽海風(fēng)電場為例，一期工程設(shè)計(jì)安裝20 臺(tái)單機(jī)容量為2.5MW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，配套風(fēng)電塔架分為5 段，不含基礎(chǔ)段總高度87300mm，底段最大直徑4800mm，頂段最小直徑3360mm。塔架材質(zhì)為Q355MD 鋼板，連接法蘭為S355ND-Z35 鍛造成品法蘭。

1 塔架制造單位的選擇

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架形體尺寸大，質(zhì)量要求高，對(duì)風(fēng)電塔架生產(chǎn)制造單位選擇至關(guān)重要， 生產(chǎn)單位至少具備以下條件：

（1）塔架制造企業(yè)有完善的質(zhì)量保證體系，通過ISO9001系列質(zhì)量管理體系認(rèn)證， 并應(yīng)取得壓力容器制造資質(zhì)或特種設(shè)備生產(chǎn)資質(zhì)。

（2）具備履行合同所需的技術(shù)、生產(chǎn)能力和檢測能力。生產(chǎn)廠房車間、噴涂車間滿足生產(chǎn)需要。

（3）卷板機(jī)、數(shù)控切割機(jī)、埋弧自動(dòng)焊機(jī)、起重機(jī)器、場內(nèi)物流平板車等制造生產(chǎn)設(shè)備滿足要求。

（4）主要管理人員及相關(guān)從業(yè)人員資質(zhì)（焊接人員、探傷人員、 起重人員、行車操作人員等）配置情況，能夠滿足制造要求。

（5）塔架制造企業(yè)有豐富生產(chǎn)業(yè)績及經(jīng)驗(yàn)，近3 年來風(fēng)電塔架業(yè)績至少在200 套以上。

（6）有優(yōu)質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)售后服務(wù)能力，包括到場響應(yīng)速度、服務(wù)意識(shí)、問題處理的專業(yè)性與及時(shí)性及誠信度等方面。

另外，由于風(fēng)電塔架尺寸超大，重量超重，還有綜合與項(xiàng)目所在地的距離、 運(yùn)輸情況及廠家生產(chǎn)保證能力等綜合考慮。

2 原材料質(zhì)量控制

根據(jù)風(fēng)電塔架結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格把好鋼板、法蘭、焊材等原材料質(zhì)量關(guān)。 采購鋼板、法蘭、附件等物資首選合同要求的廠商、品牌（經(jīng)評(píng)審合格供應(yīng)商）；根據(jù)圖紙，合同及技術(shù)協(xié)議等文件要求編制材料采購計(jì)劃， 尤其對(duì)鋼板探傷級(jí)別、板厚偏差、熱處理狀態(tài)、尺寸等要求要明確，確保采購計(jì)劃的正確性； 采購進(jìn)廠物資按要求進(jìn)行外觀尺寸檢查，對(duì)有第三方復(fù)檢要求的，應(yīng)及時(shí)送交有資質(zhì)第三方檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測，檢測合格方可投產(chǎn)；原材料每批須經(jīng)質(zhì)量部門驗(yàn)證，確保質(zhì)量有效控制，有記錄完整；原材料在生產(chǎn)過程要保證質(zhì)量信息追溯性。

2.1 筒體鋼板材料

筒體鋼板材質(zhì)為Q355MD， 對(duì)鋼板進(jìn)行表面外觀尺寸及厚度驗(yàn)收，并超聲波探傷檢查，按爐號(hào)和批次分別取樣由有資質(zhì)的第三方做化學(xué)成分和力學(xué)性能檢驗(yàn)， 合格后方可使用，其中5 個(gè)規(guī)格鋼板力學(xué)性能復(fù)檢結(jié)果見表1。

表1 鋼板的力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)結(jié)果

2.2 焊接材料

所選的焊材必須與母材相匹配， 根據(jù)焊接工藝評(píng)定確定型號(hào)。筒體縱縫、環(huán)縫以及與法蘭連接焊縫均采用埋弧自動(dòng)焊焊接，焊絲：H10Mn2，直徑φ4.0，焊劑：HJ101。連接附件塔筒之間焊接采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，焊絲ER50-6。門框?qū)蛹芭c筒體組合角焊縫采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊，焊絲E501T-1。 焊材進(jìn)廠按批次做焊接材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)， 并應(yīng)由有資質(zhì)的第三方出具檢測報(bào)告，合格后方可使用。

2.3 塔架法蘭材料

法蘭采用整體鍛造，材質(zhì)Q355ND-Z35，法蘭材料必須按不同爐號(hào)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)， 材料應(yīng)具備完整的質(zhì)量證明文件[2]。 對(duì)法蘭廠提供的其中3 件隨貨鍛件試樣進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，其結(jié)果見表2。另外，需要對(duì)法蘭復(fù)驗(yàn)項(xiàng)目有：化學(xué)成分、顯微組織、 晶粒度、 非金屬夾雜物、 力學(xué)性能、 超聲波探傷、磁粉探傷等無損檢測。

表2 法蘭試樣的力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)結(jié)果

（1）尺寸檢查。 法蘭經(jīng)機(jī)械精細(xì)加工后，尺寸符合圖紙，孔位保證100%互換性，法蘭制造偏差符合，生產(chǎn)批號(hào)：SCQY-FB-2021-112-6-0003 底法蘭抽檢記錄見表3。

表3 法蘭進(jìn)廠尺寸復(fù)驗(yàn)記錄（mm）

（2）無損探傷檢查。法蘭入廠根據(jù)NB/T 47013.3 的I級(jí)進(jìn)行100%超聲波檢驗(yàn)。根據(jù)NB/T 47013.4 I 級(jí)要求進(jìn)行磁粉檢測，脖頸根部內(nèi)外100%逐片檢驗(yàn)， 其余按總量20%抽檢。

3 生產(chǎn)質(zhì)量控制重點(diǎn)

3.1 焊接質(zhì)量控制

焊接質(zhì)量是塔架質(zhì)量控制重點(diǎn)。

（1）焊接工藝評(píng)定。 通過焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，確定適用于Q355MD 的埋弧自動(dòng)焊、手工焊焊接工藝，使焊接接頭機(jī)械性能滿足滿足設(shè)計(jì)要求，并確定焊接材料。根據(jù)歐陽海項(xiàng)目風(fēng)電塔架制造方案，NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》及塔架有關(guān)技術(shù)要求。

（2）焊接工藝。 根據(jù)評(píng)定合格的焊接工藝評(píng)定報(bào)告，充分考慮焊件基本情況、設(shè)備能力、焊縫質(zhì)量保證、焊接生產(chǎn)效率、焊接變形、工藝操作情況等因素綜合考慮[3]，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際編制焊接工藝卡。 塔架焊縫絕大部分焊縫如塔架筒體縱縫、環(huán)縫對(duì)接、筒體與法蘭環(huán)縫對(duì)接等焊縫，均屬對(duì)接直焊縫或連續(xù)環(huán)縫，采用埋弧自動(dòng)焊工藝，對(duì)保證焊縫質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率非常顯著， 該焊縫占焊接總總長度95%以上，嚴(yán)格按照焊接工藝進(jìn)行例。

（3）焊接生產(chǎn)。焊接人員的操作能力是焊接工作質(zhì)量的重要保障。 焊接人員只有具備上崗資格且責(zé)任心強(qiáng)的專業(yè)人員才能上崗。 通過作業(yè)人員好的工作質(zhì)量切實(shí)提高工作效率和焊接產(chǎn)品質(zhì)量。專職質(zhì)檢員從焊前準(zhǔn)備、焊接過程控制、焊縫外觀檢查進(jìn)行全程監(jiān)督檢查，確保塔筒關(guān)鍵工序在受控狀態(tài)[4]。焊接嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程和焊接工藝評(píng)定參數(shù)執(zhí)行。 對(duì)預(yù)熱要求所有焊縫進(jìn)行焊前預(yù)熱。 做好每批次產(chǎn)品焊接試板檢驗(yàn)。

（4）焊接質(zhì)量檢驗(yàn)。 ①所有焊縫外觀檢查：焊縫表面不允許有裂紋、夾渣、氣孔、漏焊、燒穿和未熔合等缺陷，焊縫外形尺寸超出規(guī)定值時(shí)，應(yīng)進(jìn)行修磨合格；②無損檢測：除內(nèi)附件焊縫外，所有焊縫按NB/T 47013-2015 I 級(jí)超聲波探傷合格，所有縱縫和環(huán)縫“T”型接頭射線探傷必須布片兩張，縱縫和環(huán)縫位置各一張。塔筒法蘭和筒體之間環(huán)向焊縫100%MT 檢查；按照J(rèn)B 4730 進(jìn)行，驗(yàn)收等級(jí)為I 級(jí)[5]；③產(chǎn)品焊接試板：連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，每10 套風(fēng)電塔架抽一套制作產(chǎn)品焊接試板， 試板與產(chǎn)品同材質(zhì)、 同厚度、同一爐批號(hào)，連接在縱縫端部同時(shí)焊接，焊接產(chǎn)品試板做力學(xué)性能試驗(yàn)。 其中第一批埋弧自動(dòng)焊（SAW）焊接產(chǎn)品試板結(jié)果見表4。

表4 焊接產(chǎn)品試板檢測結(jié)果

3.2 變形控制

法蘭平面度、內(nèi)傾度采用激光測平儀檢測，頂法蘭平面度、內(nèi)傾度允許偏差≤0.5mm，中部連接法蘭≤2.0mm。

兩端法蘭焊接后平行度、 同軸度中心檢查法中心不便找準(zhǔn)，操作繁瑣，影響因素多，不廣泛使用。通常采用如下方法，如圖1 所示，分別用10kg 拉力測量風(fēng)電塔架：

圖1 風(fēng)電塔架平行度和同軸度檢查示意圖

（1） 外側(cè)四個(gè)象限斜邊長度： A1A2、B1B2、 C1C2、D1D2，相對(duì)偏差小于2.0mm。

（2）上下法蘭端面中心圓與四個(gè)象限軸線交叉點(diǎn)處對(duì)角線相對(duì)差：A1C2、B1D2、C1A2、D1B2， 相對(duì)偏差小于3.0mm為合格。

3.3 防腐蝕

防腐蝕質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響塔筒的使用壽命和美觀程度，因此，對(duì)防腐質(zhì)量的控制不容忽視。 防腐作業(yè)為隱蔽工程，且均由專業(yè)的合作單位承擔(dān)。 對(duì)噴砂、噴漆各工序必須經(jīng)專職質(zhì)檢員，進(jìn)行100%檢驗(yàn)，嚴(yán)查防腐作業(yè)人員弄虛作假的行為，確保塔筒在20 年內(nèi)的油漆質(zhì)量。

（1）噴砂除銹的質(zhì)量控制：塔筒及附件焊接完畢后整體進(jìn)行噴砂除銹， 嚴(yán)格的表面處理是決定涂層壽命諸多因素中的首要因素。 一般塔筒防腐中噴砂除銹的等級(jí)為Sa2.5 級(jí)， 首先噴砂前應(yīng)先除去焊縫熔流、焊渣、油脂等殘留物， 其次應(yīng)對(duì)塔筒內(nèi)部附件中難以噴砂處理的部分進(jìn)行提前噴砂和預(yù)凃，保證不漏過。

（2）防腐檢驗(yàn)控制包括：粗糙度檢驗(yàn)、涂漆厚度檢驗(yàn)、附著力檢驗(yàn)、人工老化試驗(yàn)、視覺檢查、光澤度等。

4 結(jié)束語

在歐陽海等5 風(fēng)電項(xiàng)目風(fēng)電塔架設(shè)備制造過程中，嚴(yán)格每個(gè)工序質(zhì)量控制，對(duì)重點(diǎn)環(huán)節(jié)嚴(yán)格管控，塔架產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，為項(xiàng)目順利實(shí)施奠定了基礎(chǔ)，為同類設(shè)備質(zhì)量管控提供借鑒。