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摘要:隨著國內風電單臺機組容量不斷增大，其對塔架的技術精度要求越來越高。通過對塔筒制造過程中技術重難點分析，結合以往風電塔筒制造上的成熟經驗，對甘天地二期試驗區塔筒制造技術與工藝進一步優化，制定了有效的控制措施，大大提升了塔筒各工序質量一次合格率，使得甘天地二期試驗區塔筒制造質量達到優質工程標準，并保證了施工進度。
關鍵詞:塔筒;制造;分析;措施;標準
風力發電機是目前國內發展前景最廣闊的環保型發電設備，而塔筒發揮著支撐整個風力發電機組的關鍵性作用［1］。甘天地二期試驗區為非常規機型，最大直徑約5.3m，最大重量83t，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致準確。特別是制造過程中的關鍵及難點工序的控制尤為重要［2］。通過對甘天地二期試驗區非常規機型而制定的重難點質量控制措施的分析研究，可在風電塔筒制造質量控制方面提供借鑒。
1技術分析
1.1風電塔筒其主要技術指標
1)風電塔筒焊接要求。根據設計及規范要求:筒體所有的縱、環縫以及筒體與法蘭的焊縫均為全熔透焊縫，并要求進行100%超聲波探傷，按JB/T47013標準Ⅰ級合格;所有筒節與筒節、法蘭與筒節的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;同時要求焊工持鍋爐容器焊工證書。2)風電塔筒法蘭焊接后技術要求。①上部塔筒上法蘭焊接后平面度及內傾度允許偏差最小為0.35mm，一般為0～0.5mm，不允許有外翻現象，法蘭螺栓孔中心圓直徑允許偏差為±0.5mm。②其他法蘭焊接后平面度允許偏差≤1.5mm，法蘭內傾度允許偏差為0～1.5mm，不允許有外翻現象，法蘭螺栓孔中心圓直徑允許偏差為±1mm。③每個塔筒分段的上下兩個法蘭平面之間的平行度允許偏差為2～3mm。3)工地安裝要求塔筒安裝時，法蘭高強度螺栓必須在自由狀態下100%穿過。4)甘天地二期試驗區塔筒安裝后在室外，并且晝夜溫差、風沙較大的環境中，安裝后高度較高，塔筒表面涂層修復難度大，涂層的施工質量是塔筒制造的重要環節。
1.2難點分析
根據對塔筒焊接及塔筒法蘭焊接后技術要求分析，確定塔筒制造過程中重難點主要是以下幾點:1)如何保證筒體縱、環縫焊接控制變形及筒節的橢圓度，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要求的重要環節［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計指標要求的關鍵。3)在鍛造法蘭訂貨方面，必須提高法蘭平面的技術要求，考慮塔筒法蘭的機加工余量、法蘭角變形的預變形值(預留內傾度)和孔徑焊接收縮量，是確保塔筒法蘭焊后滿足設計指標要求的重要手段。4)在塔筒管節輥圓及裝焊過程中，單個塔筒焊后橢圓度控制是確保法蘭焊后孔距技術指標的前提，防止制造、運輸、吊裝變形過程中的法蘭變形，是確保工地100%自由狀態下穿孔的重要保障。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，為防止塔筒節段施工過程中對法蘭的三個指標變化的影響，在塔筒法蘭單元件焊接過程中和焊接后需進行多次平面度、橢圓度、角變形的檢測和復測，以加強過程監控，是確保塔筒節段法蘭三個指標的主要環節［4］。
2應對措施
經過對風電塔筒制造技術控制重難點分析，結合甘天地二期試驗區非常規機型的特點，及法蘭焊后的三個重要指標控制難以及工地100%穿孔安裝要求，在進行多項工藝試驗及技術攻關基礎上，對以下工藝制造技術進一步研究和探討:
1)風電塔筒下料尺寸精度控制及卷板圓度控制技術研究，保證塔筒筒節上下端口平行度和平面度，實現“零間隙”環縫組對焊接。下料前將瓦塊按工藝試驗成果增加焊接收縮量;下料時采用高精度等離子數控切割機進行，確保瓦塊寬度尺寸均勻，從而滿足塔筒筒節上下端口平行度和平面度的技術要求，實現瓦塊之間環縫對接均勻性和“零間隙”。
2)筒節輥制后的橢圓度控制技術研究，是確保法蘭焊接后孔距技術指標滿足設計技術要求，實現工地100%自由穿孔的關鍵。筒節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，卷板時注意采用較小的輥壓量，反復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，在卷板過程中應采用廠內龍門吊吊住伸出卷板機較長的一端，以防止由于瓦片重力作用而產生局部急彎，龍門吊車應隨卷板機運轉而配合行走與起升，卷板完成后，根據塔架圖紙要求分別制造不同的內、外弧度樣板，用樣板檢查以保證筒節弧度均勻性。待筒節單節組對及縱焊縫充分冷卻后，筒節進行第二次校圓。校圓采用卷板機回圓卷制，過程中重點測量筒節的弧度，大、小口的各方向直徑差等，測量尺寸時要完全松開壓輥，讓筒節處于松弛自然放置狀態。此工序的嚴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±1mm)具有決定性意義，目前此課題需做進一步研究和探討。
3)鍛件法蘭焊接后的平面度控制、內傾度控制的工藝技術分析。鍛件法蘭焊接的平面度控制及內傾度控制是風力塔筒制造過程中的最大難點。①法蘭與筒體對接坡口型式改進。法蘭變形主要因焊接線能力過大引起的。經過多次試驗與論證，發現采用不同的坡口型式進行焊接，焊后法蘭變形是截然不同的。若采用對稱X型坡口時，背縫清根較深且焊接量大，法蘭焊后常常出現外翻現象;若采用法蘭主縫采用單面坡口時，背面清根的深度小且焊接量少，大大降低了法蘭外翻的風險。根據上述試驗結果，甘天地二期試驗區塔筒在生產過程中進行合理優化，對于法蘭脖頸板厚≤25mm，開制單面坡口、鈍邊2mm;對于法蘭脖頸板厚＞25mm，開制單面坡口、鈍邊5～8mm，同時根據焊接環境、焊工水平及焊接設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象。②鍛件法蘭內傾度優化。通過長期對塔筒焊接后的法蘭外翻變形數據進行統計分析，法蘭變形外翻數據一般常為1.0～2.0mm。根據以往風電塔筒法蘭裝焊工藝順序及工藝措施進行多次調整及改進，最終選擇鍛件法蘭在采購時進行預加工使法蘭產生一定的內傾量(預留焊接反變形量)，從而來抵消焊接變形產生的外翻量，避免采用強制約束增加內傾量方式，然后在通過背縫清根深度控制法蘭焊后內傾度。根據甘天地試驗區所有機型塔筒筒體尺寸、板厚及法蘭形式，確定成品法蘭鍛造時預留內傾量:頂部法蘭0.85～1.0mm，其余法蘭1.55～2.0mm，經過法蘭內傾量改進與調整，法蘭與簡體焊接后的外翻度和內傾度一次性滿足設計要求合格率達到了96%以上，局部仍存在超差現象，目前采用局部修磨、火焰調校(在筒體上，距法蘭200mm以上)及氣刨焊縫進行二次焊接反變形控制等技術，保證最終產品全部達到合格要求。經過反復試驗，法蘭預留內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焊接工藝改進與控制。根據長期對塔筒焊接變形因素進行跟蹤和分析，焊接變形較大的有以下因素產生:塔筒與法蘭焊接主要采用埋弧自動焊進行，埋弧自動焊高熱量輸入，是導致焊接變形較大的關鍵因素之一;焊工未完全按焊接工藝參數執行，是導致焊接變形較大的另一個關鍵因素;焊接焊縫質量也需嚴格保證，重復返修也是導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致法蘭變形不一致。塔筒法蘭在正式焊接作業前，做好預熱處理，通?？刂圃?00℃～150℃范圍內，焊接時先進行塔筒法蘭主縫焊縫焊接，焊接完成后背面清根并焊接，焊接時嚴格控制焊接電流、電壓及焊接速度，保證焊接線能量不大于39kJ/cm，焊接過程中依據參考基準平行面，進行全程檢測端面法蘭變形情況，變形較大的可現場根據實際情況調整焊接參數，同時也可以快捷的分析導致變形的應力點，為后續調整和控制變形提供依據。每條(道)環縫要一次焊接完成，保證受熱均勻，避免產生新的應力變形。
4)塔筒生產線資源配置技術分析。由于甘天地二期試驗區風電塔筒機型種類多，生產時需合理規劃生產流水線。要求一種機型在一個流水線上所有工序完成后，在增加另一種機型，保證同種機型同步施工，降低施工出現混亂的情況，同時根據流水線上的資源配置對生產線上各工序日生產能力進行評估與分析，對生產線所有施工人員日生產量進行量化，從而保證了計劃與實際生產相吻合。
5)塔筒分段總裝線接長技術分析。塔筒的總裝在生產線上進行，該生產線采用專用的塔筒組對機進行塔筒分段筒節與筒節的組裝，配備有行走滾輪架，從塔筒法蘭單元件開始，逐個裝焊單節筒節，邊裝邊退，直到整節段組裝完成后進行整體焊接，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，在大型圓錐殼體分段組裝中已有成熟經驗，但如何應用塔筒組對機進行端口調整實現無碼裝配的控制技術有待作進一步研究與探討。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具體措施如下:筒節與法蘭組裝前仔細檢查橢圓度，要求檢測筒節橢圓度不大于3mm;在組對前塔體及法蘭坡口內及其兩側各50mm用磨光機打磨除銹、油等雜質。然后將法蘭吊裝水平放置在專用剛平臺上(平面度≤0.5mm)，調整法蘭水平，進行加固，然后吊裝與法蘭對接管節進行單節組對，塔架法蘭與筒節組對時，螺栓孔需跨縱縫對中布置，通過管口內米支撐調節圓度，控制塔架對接間隙、錯邊量、筒節的橢圓度及法蘭與軸線垂直度，合格后進行點焊加固。分段總裝接長時先將與法蘭焊接好的底部筒節吊上焊接滾輪架，并調整法蘭面與整體軸線垂直，然后吊裝相鄰管節放置液壓組對機上，移動焊接滾輥架與液壓組對機管節接近，調整筒節的縱縫位置，使相鄰兩節縱縫位置錯開180°，對齊軸線進行點焊固定，轉動滾輪架，通過液壓組對機的各組對輪升降調整筒節間錯邊、組對間隙、局部不平度及各節段端口與軸線垂直度，組對完成后進行筒身軸線長度、對角的檢查來控制長度尺寸和同軸度、平行度，以免在后續筒節組裝過程調整，避免塔架長度尺寸和同軸度、平行度超差。然后進行環縫外表面進行加固焊。按上述方法依次組裝其它管節，直至最后一節頂部筒節(帶法蘭))組裝時，注意測量和調整整段管節的進行整體的平面度小于1mm，90°范圍內0.5mm;頂法蘭平面度小于0.5mm，90°范圍內0.3mm;同軸度要求小于3mm;上、下管口法蘭平行度小于2.5mm合格后進行加固焊。注意不允許強行組裝以防止焊縫裂紋和減少內應力。不同壁厚在連接時必須光滑，厚度差≤3mm，斜度1∶4;厚度差＞3mm，斜度1∶5。
6)筒體法蘭焊后測量技術分析。風電塔筒制造過程中，因塔筒剛性較差，發現在臥式姿態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、內傾度和螺栓孔中心圓度直徑并不真實，因此在臥式姿態下對鍛件法蘭焊接后的平面度、內傾度和螺栓孔中心圓度直徑的測量數據，與吊裝立式狀態下不完全一直，如何選擇正確的測量時機、測量方法，需要進一步研究并通過試驗加已論證。
7)塔筒防腐及補圖油漆技術分析。在塔筒焊接完畢后要對其進行防腐操作。塔筒一般采用無氣噴涂方法，將濕度控制在80%以內，表面溫度與周邊環境露點溫度高3℃左右。并且涂漆過程中，對其環境空氣和附件表面溫度進行嚴格控制，根據不同的油漆使用標準進行相應的操作。在塔筒制造過程中，針對塔筒內部、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容:①徹底對涂層和銹蝕層進行清除，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對處理的部位進行打磨，形成梯度的過渡層。②根據不同的漆膜厚度要求，使用設計配套油漆組合進行底部油漆的噴涂。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計配套油漆組合的要求，最后在測量干膜厚度，滿足設計要求。
3結語
將塔筒制造質量控制技術研究風電塔筒的生產中，對進一步提高塔筒生產質量有著良好的促進作用。在甘天地二期試驗區風電塔筒的制造過程中，為其選擇科學合理的控制工藝，充分把握風電塔筒的關鍵制造點，對制造中的各個重要環節進行有效控制，最終保證甘天地二期試驗區風電塔筒制造中產品各工序一次合格率達到99%以上，其余經過調校即可滿足設計要求，法蘭平面度、平行度、內傾度、筒節同軸度、筒節橢圓度及防腐等主要控制精度遠高于規范要求，現場安裝完成后100%穿孔，切實做到工藝執行方便、可靠，提高生產效率，保證產品質量與施工進度，生產實踐證明該控制措施可在風電塔筒制造中廣泛應用。
作者：劉同兵 吳春龍 徐先林 單位：中國水利水電第八工程局有限公司
