風(fēng)電塔筒制造質(zhì)量控制技術(shù)研究

劉同兵，吳春龍，徐先林

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前國內(nèi)發(fā)展前景最廣闊的環(huán)保型發(fā)電設(shè)備，而塔筒發(fā)揮著支撐整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵性作用[1]。甘天地二期試驗(yàn)區(qū)為非常規(guī)機(jī)型，最大直徑約5.3 m，最大重量83 t，分4～6段不等，尺寸及法蘭連接處平面度及傾斜度要求極高，同時(shí)要求焊縫100%的超聲波探傷及10%的射線探傷，工藝的過程控制必須細(xì)致準(zhǔn)確。特別是制造過程中的關(guān)鍵及難點(diǎn)工序的控制尤為重要[2]。通過對甘天地二期試驗(yàn)區(qū)非常規(guī)機(jī)型而制定的重難點(diǎn)質(zhì)量控制措施的分析研究，可在風(fēng)電塔筒制造質(zhì)量控制方面提供借鑒。

1 技術(shù)分析

1.1 風(fēng)電塔筒其主要技術(shù)指標(biāo)

1)風(fēng)電塔筒焊接要求。根據(jù)設(shè)計(jì)及規(guī)范要求：筒體所有的縱、環(huán)縫以及筒體與法蘭的焊縫均為全熔透焊縫，并要求進(jìn)行100%超聲波探傷，按JB/T47013標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級合格；所有筒節(jié)與筒節(jié)、法蘭與筒節(jié)的T型焊接接頭處采用射線探傷NB/T47013-2015Ⅱ級合格；焊縫外觀必須美觀；同時(shí)要求焊工持鍋爐容器焊工證書。

2)風(fēng)電塔筒法蘭焊接后技術(shù)要求。①上部塔筒上法蘭焊接后平面度及內(nèi)傾度允許偏差最小為0.35 mm，一般為0～0.5 mm，不允許有外翻現(xiàn)象，法蘭螺栓孔中心圓直徑允許偏差為±0.5 mm。②其他法蘭焊接后平面度允許偏差≤1.5 mm，法蘭內(nèi)傾度允許偏差為0～1.5 mm，不允許有外翻現(xiàn)象，法蘭螺栓孔中心圓直徑允許偏差為±1 mm。③每個(gè)塔筒分段的上下兩個(gè)法蘭平面之間的平行度允許偏差為2～3 mm。

3)工地安裝要求塔筒安裝時(shí)，法蘭高強(qiáng)度螺栓必須在自由狀態(tài)下100%穿過。

4)甘天地二期試驗(yàn)區(qū)塔筒安裝后在室外，并且晝夜溫差、風(fēng)沙較大的環(huán)境中，安裝后高度較高，塔筒表面涂層修復(fù)難度大，涂層的施工質(zhì)量是塔筒制造的重要環(huán)節(jié)。

1.2 難點(diǎn)分析

根據(jù)對塔筒焊接及塔筒法蘭焊接后技術(shù)要求分析，確定塔筒制造過程中重難點(diǎn)主要是以下幾點(diǎn)：

1)如何保證筒體縱、環(huán)縫焊接控制變形及筒節(jié)的橢圓度，下料瓦塊精度、坡口的選擇及焊接工藝方法和工藝過程控制是確保塔筒制造整體尺寸控制指標(biāo)要求的重要環(huán)節(jié)[3]。

2)如何在法蘭焊接過程中有效的控制焊接變形，降低焊接線能量是確保塔筒制造滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的關(guān)鍵。

3)在鍛造法蘭訂貨方面，必須提高法蘭平面的技術(shù)要求，考慮塔筒法蘭的機(jī)加工余量、法蘭角變形的預(yù)變形值(預(yù)留內(nèi)傾度)和孔徑焊接收縮量，是確保塔筒法蘭焊后滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的重要手段。

4)在塔筒管節(jié)輥圓及裝焊過程中，單個(gè)塔筒焊后橢圓度控制是確保法蘭焊后孔距技術(shù)指標(biāo)的前提，防止制造、運(yùn)輸、吊裝變形過程中的法蘭變形，是確保工地100%自由狀態(tài)下穿孔的重要保障。

5)法蘭焊接后平面度、橢圓度、角變形的檢測儀器的選擇及檢測人員的水平，為防止塔筒節(jié)段施工過程中對法蘭的三個(gè)指標(biāo)變化的影響，在塔筒法蘭單元件焊接過程中和焊接后需進(jìn)行多次平面度、橢圓度、角變形的檢測和復(fù)測，以加強(qiáng)過程監(jiān)控，是確保塔筒節(jié)段法蘭三個(gè)指標(biāo)的主要環(huán)節(jié)[4]。

2 應(yīng)對措施

經(jīng)過對風(fēng)電塔筒制造技術(shù)控制重難點(diǎn)分析，結(jié)合甘天地二期試驗(yàn)區(qū)非常規(guī)機(jī)型的特點(diǎn)，及法蘭焊后的三個(gè)重要指標(biāo)控制難以及工地100%穿孔安裝要求，在進(jìn)行多項(xiàng)工藝試驗(yàn)及技術(shù)攻關(guān)基礎(chǔ)上，對以下工藝制造技術(shù)進(jìn)一步研究和探討：

1)風(fēng)電塔筒下料尺寸精度控制及卷板圓度控制技術(shù)研究，保證塔筒筒節(jié)上下端口平行度和平面度，實(shí)現(xiàn)“零間隙”環(huán)縫組對焊接。

下料前將瓦塊按工藝試驗(yàn)成果增加焊接收縮量；下料時(shí)采用高精度等離子數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行，確保瓦塊寬度尺寸均勻，從而滿足塔筒筒節(jié)上下端口平行度和平面度的技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)瓦塊之間環(huán)縫對接均勻性和“零間隙”。

2)筒節(jié)輥制后的橢圓度控制技術(shù)研究，是確保法蘭焊接后孔距技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)工地100%自由穿孔的關(guān)鍵。

筒節(jié)輥圓后的最大直徑與最小直徑要求滿足Dmax/Dmin≤1.005。輥圓采用壓頭和輥圓于一體的新型三型卷板機(jī)，卷板時(shí)注意采用較小的輥壓量，反復(fù)3～5次卷制成形，每次卷制逐漸減少輥壓量，在卷制過程中應(yīng)不斷用樣板檢查比較，以免卷制過量，瓦片長而且單薄，在卷板過程中應(yīng)采用廠內(nèi)龍門吊吊住伸出卷板機(jī)較長的一端，以防止由于瓦片重力作用而產(chǎn)生局部急彎，龍門吊車應(yīng)隨卷板機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)而配合行走與起升，卷板完成后，根據(jù)塔架圖紙要求分別制造不同的內(nèi)、外弧度樣板，用樣板檢查以保證筒節(jié)弧度均勻性。待筒節(jié)單節(jié)組對及縱焊縫充分冷卻后，筒節(jié)進(jìn)行第二次校圓。校圓采用卷板機(jī)回圓卷制，過程中重點(diǎn)測量筒節(jié)的弧度，大、小口的各方向直徑差等，測量尺寸時(shí)要完全松開壓輥，讓筒節(jié)處于松弛自然放置狀態(tài)。此工序的嚴(yán)格控制是保證鍛件法蘭焊后最終螺栓孔中心圓直徑(允許偏差±1 mm)具有決定性意義，目前此課題需做進(jìn)一步研究和探討。

3)鍛件法蘭焊接后的平面度控制、內(nèi)傾度控制的工藝技術(shù)分析。鍛件法蘭焊接的平面度控制及內(nèi)傾度控制是風(fēng)力塔筒制造過程中的最大難點(diǎn)。

①法蘭與筒體對接坡口型式改進(jìn)。法蘭變形主要因焊接線能力過大引起的。經(jīng)過多次試驗(yàn)與論證，發(fā)現(xiàn)采用不同的坡口型式進(jìn)行焊接，焊后法蘭變形是截然不同的。若采用對稱X型坡口時(shí)，背縫清根較深且焊接量大，法蘭焊后常常出現(xiàn)外翻現(xiàn)象；若采用法蘭主縫采用單面坡口時(shí)，背面清根的深度小且焊接量少，大大降低了法蘭外翻的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，甘天地二期試驗(yàn)區(qū)塔筒在生產(chǎn)過程中進(jìn)行合理優(yōu)化，對于法蘭脖頸板厚≤25 mm，開制單面坡口、鈍邊2 mm；對于法蘭脖頸板厚>25 mm，開制單面坡口、鈍邊5～8 mm，同時(shí)根據(jù)焊接環(huán)境、焊工水平及焊接設(shè)備的性能來更改坡口角度、鈍邊大小，以改善或消除焊后法蘭外翻現(xiàn)象。

②鍛件法蘭內(nèi)傾度優(yōu)化。通過長期對塔筒焊接后的法蘭外翻變形數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，法蘭變形外翻數(shù)據(jù)一般常為1.0～2.0 mm。根據(jù)以往風(fēng)電塔筒法蘭裝焊工藝順序及工藝措施進(jìn)行多次調(diào)整及改進(jìn)，最終選擇鍛件法蘭在采購時(shí)進(jìn)行預(yù)加工使法蘭產(chǎn)生一定的內(nèi)傾量(預(yù)留焊接反變形量)，從而來抵消焊接變形產(chǎn)生的外翻量，避免采用強(qiáng)制約束增加內(nèi)傾量方式，然后在通過背縫清根深度控制法蘭焊后內(nèi)傾度。根據(jù)甘天地試驗(yàn)區(qū)所有機(jī)型塔筒筒體尺寸、板厚及法蘭形式，確定成品法蘭鍛造時(shí)預(yù)留內(nèi)傾量：頂部法蘭0.85～1.0 mm，其余法蘭1.55～2.0 mm，經(jīng)過法蘭內(nèi)傾量改進(jìn)與調(diào)整，法蘭與簡體焊接后的外翻度和內(nèi)傾度一次性滿足設(shè)計(jì)要求合格率達(dá)到了96%以上，局部仍存在超差現(xiàn)象，目前采用局部修磨、火焰調(diào)校(在筒體上，距法蘭200 mm以上)及氣刨焊縫進(jìn)行二次焊接反變形控制等技術(shù)，保證最終產(chǎn)品全部達(dá)到合格要求。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，法蘭預(yù)留內(nèi)傾量方式可行且效果理想，法蘭焊接后外翻得到了有效的控制。

③焊接工藝改進(jìn)與控制。根據(jù)長期對塔筒焊接變形因素進(jìn)行跟蹤和分析，焊接變形較大的有以下因素產(chǎn)生：塔筒與法蘭焊接主要采用埋弧自動(dòng)焊進(jìn)行，埋弧自動(dòng)焊高熱量輸入，是導(dǎo)致焊接變形較大的關(guān)鍵因素之一；焊工未完全按焊接工藝參數(shù)執(zhí)行，是導(dǎo)致焊接變形較大的另一個(gè)關(guān)鍵因素；焊接焊縫質(zhì)量也需嚴(yán)格保證，重復(fù)返修也是導(dǎo)致法蘭變形的客觀因素。

為了控制鍛件法蘭在焊接過程中盡量少變形，與法蘭焊接的筒體端口采用機(jī)加工的方式保證其端口的平面度和坡口的均勻性，使焊縫盡量均勻一致，減少因焊接變形不一致導(dǎo)致法蘭變形不一致。

塔筒法蘭在正式焊接作業(yè)前，做好預(yù)熱處理，通常控制在100℃～150℃范圍內(nèi)，焊接時(shí)先進(jìn)行塔筒法蘭主縫焊縫焊接，焊接完成后背面清根并焊接，焊接時(shí)嚴(yán)格控制焊接電流、電壓及焊接速度，保證焊接線能量不大于39 kJ/cm，焊接過程中依據(jù)參考基準(zhǔn)平行面，進(jìn)行全程檢測端面法蘭變形情況，變形較大的可現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整焊接參數(shù)，同時(shí)也可以快捷的分析導(dǎo)致變形的應(yīng)力點(diǎn)，為后續(xù)調(diào)整和控制變形提供依據(jù)。每條(道)環(huán)縫要一次焊接完成，保證受熱均勻，避免產(chǎn)生新的應(yīng)力變形。

4)塔筒生產(chǎn)線資源配置技術(shù)分析。由于甘天地二期試驗(yàn)區(qū)風(fēng)電塔筒機(jī)型種類多，生產(chǎn)時(shí)需合理規(guī)劃生產(chǎn)流水線。要求一種機(jī)型在一個(gè)流水線上所有工序完成后，在增加另一種機(jī)型，保證同種機(jī)型同步施工，降低施工出現(xiàn)混亂的情況，同時(shí)根據(jù)流水線上的資源配置對生產(chǎn)線上各工序日生產(chǎn)能力進(jìn)行評估與分析，對生產(chǎn)線所有施工人員日生產(chǎn)量進(jìn)行量化，從而保證了計(jì)劃與實(shí)際生產(chǎn)相吻合。

5)塔筒分段總裝線接長技術(shù)分析。塔筒的總裝在生產(chǎn)線上進(jìn)行，該生產(chǎn)線采用專用的塔筒組對機(jī)進(jìn)行塔筒分段筒節(jié)與筒節(jié)的組裝，配備有行走滾輪架，從塔筒法蘭單元件開始，逐個(gè)裝焊單節(jié)筒節(jié)，邊裝邊退，直到整節(jié)段組裝完成后進(jìn)行整體焊接，其中分段總裝過程中端口、分段上下法蘭的平行度和軸線垂直度控制技術(shù)，在大型圓錐殼體分段組裝中已有成熟經(jīng)驗(yàn)，但如何應(yīng)用塔筒組對機(jī)進(jìn)行端口調(diào)整實(shí)現(xiàn)無碼裝配的控制技術(shù)有待作進(jìn)一步研究與探討。

分段總裝過程中端口、分段上下法蘭的平行度和軸線垂直度控制技術(shù)具體措施如下：

筒節(jié)與法蘭組裝前仔細(xì)檢查橢圓度，要求檢測筒節(jié)橢圓度不大于3 mm；在組對前塔體及法蘭坡口內(nèi)及其兩側(cè)各50 mm用磨光機(jī)打磨除銹、油等雜質(zhì)。

然后將法蘭吊裝水平放置在專用剛平臺(tái)上(平面度≤0.5 mm)，調(diào)整法蘭水平，進(jìn)行加固，然后吊裝與法蘭對接管節(jié)進(jìn)行單節(jié)組對，塔架法蘭與筒節(jié)組對時(shí)，螺栓孔需跨縱縫對中布置，通過管口內(nèi)米支撐調(diào)節(jié)圓度，控制塔架對接間隙、錯(cuò)邊量、筒節(jié)的橢圓度及法蘭與軸線垂直度，合格后進(jìn)行點(diǎn)焊加固。

分段總裝接長時(shí)先將與法蘭焊接好的底部筒節(jié)吊上焊接滾輪架，并調(diào)整法蘭面與整體軸線垂直，然后吊裝相鄰管節(jié)放置液壓組對機(jī)上，移動(dòng)焊接滾輥架與液壓組對機(jī)管節(jié)接近，調(diào)整筒節(jié)的縱縫位置，使相鄰兩節(jié)縱縫位置錯(cuò)開180°，對齊軸線進(jìn)行點(diǎn)焊固定，轉(zhuǎn)動(dòng)滾輪架，通過液壓組對機(jī)的各組對輪升降調(diào)整筒節(jié)間錯(cuò)邊、組對間隙、局部不平度及各節(jié)段端口與軸線垂直度，組對完成后進(jìn)行筒身軸線長度、對角的檢查來控制長度尺寸和同軸度、平行度，以免在后續(xù)筒節(jié)組裝過程調(diào)整，避免塔架長度尺寸和同軸度、平行度超差。然后進(jìn)行環(huán)縫外表面進(jìn)行加固焊。

按上述方法依次組裝其它管節(jié)，直至最后一節(jié)頂部筒節(jié)(帶法蘭))組裝時(shí)，注意測量和調(diào)整整段管節(jié)的進(jìn)行整體的平面度小于1 mm，90°范圍內(nèi)0.5 mm；頂法蘭平面度小于0.5 mm，90°范圍內(nèi)0.3 mm；同軸度要求小于3 mm；上、下管口法蘭平行度小于2.5mm合格后進(jìn)行加固焊。注意不允許強(qiáng)行組裝以防止焊縫裂紋和減少內(nèi)應(yīng)力。不同壁厚在連接時(shí)必須光滑，厚度差≤3 mm，斜度1∶4；厚度差>3mm，斜度1∶5。

6)筒體法蘭焊后測量技術(shù)分析。風(fēng)電塔筒制造過程中，因塔筒剛性較差，發(fā)現(xiàn)在臥式姿態(tài)下因法蘭端口受分段筒體自重的影響，所測量法蘭的平面度、內(nèi)傾度和螺栓孔中心圓度直徑并不真實(shí)，因此在臥式姿態(tài)下對鍛件法蘭焊接后的平面度、內(nèi)傾度和螺栓孔中心圓度直徑的測量數(shù)據(jù)，與吊裝立式狀態(tài)下不完全一直，如何選擇正確的測量時(shí)機(jī)、測量方法，需要進(jìn)一步研究并通過試驗(yàn)加已論證。

7)塔筒防腐及補(bǔ)圖油漆技術(shù)分析。在塔筒焊接完畢后要對其進(jìn)行防腐操作。塔筒一般采用無氣噴涂方法，將濕度控制在80%以內(nèi)，表面溫度與周邊環(huán)境露點(diǎn)溫度高3℃左右。并且涂漆過程中，對其環(huán)境空氣和附件表面溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，根據(jù)不同的油漆使用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的操作。在塔筒制造過程中，針對塔筒內(nèi)部、外表面、法蘭表面以及鍍鋅配件具有不同的涂裝要求。

針對塔筒油漆的維修主要具有三部分內(nèi)容：①徹底對涂層和銹蝕層進(jìn)行清除，使得金屬母材露出要求為Sa2.5級。在處理過程中可以采用磨光機(jī)對處理的部位進(jìn)行打磨，形成梯度的過渡層。②根據(jù)不同的漆膜厚度要求，使用設(shè)計(jì)配套油漆組合進(jìn)行底部油漆的噴涂。③針對中間漆和面漆的施工，可以通過直接噴涂的方式滿足設(shè)計(jì)配套油漆組合的要求，最后在測量干膜厚度，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 語

將塔筒制造質(zhì)量控制技術(shù)研究風(fēng)電塔筒的生產(chǎn)中，對進(jìn)一步提高塔筒生產(chǎn)質(zhì)量有著良好的促進(jìn)作用。在甘天地二期試驗(yàn)區(qū)風(fēng)電塔筒的制造過程中，為其選擇科學(xué)合理的控制工藝，充分把握風(fēng)電塔筒的關(guān)鍵制造點(diǎn)，對制造中的各個(gè)重要環(huán)節(jié)進(jìn)行有效控制，最終保證甘天地二期試驗(yàn)區(qū)風(fēng)電塔筒制造中產(chǎn)品各工序一次合格率達(dá)到99%以上，其余經(jīng)過調(diào)校即可滿足設(shè)計(jì)要求，法蘭平面度、平行度、內(nèi)傾度、筒節(jié)同軸度、筒節(jié)橢圓度及防腐等主要控制精度遠(yuǎn)高于規(guī)范要求，現(xiàn)場安裝完成后100%穿孔，切實(shí)做到工藝執(zhí)行方便、可靠，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量與施工進(jìn)度，生產(chǎn)實(shí)踐證明該控制措施可在風(fēng)電塔筒制造中廣泛應(yīng)用。