風(fēng)電塔架制造工藝及質(zhì)量控制研究*

□ 石南輝

欽州學(xué)院 工程訓(xùn)練中心 廣西欽州 535011

1 研究背景

作為風(fēng)電設(shè)備的主要部件，風(fēng)電塔架的制造工藝與質(zhì)量控制相當(dāng)重要。風(fēng)電塔架質(zhì)量的好壞直接決定著風(fēng)電設(shè)備能否安全運(yùn)行，也直接影響風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的順利發(fā)展。所以很有必要對(duì)風(fēng)電塔架的制造過程進(jìn)行研究，以便對(duì)影響質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。

風(fēng)電設(shè)備的主要焊接結(jié)構(gòu)件有風(fēng)電塔架、主機(jī)架等,這些是風(fēng)電機(jī)組中的主要承載部件，承載著風(fēng)電機(jī)艙和轉(zhuǎn)子。風(fēng)電塔架結(jié)構(gòu)可以是管狀，也可以是格子狀，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)跨度大、形式復(fù)雜，使用過程中承受較大幅度的疲勞荷載等。

風(fēng)電塔架均采用全焊結(jié)構(gòu)，焊縫接頭型式多樣，長(zhǎng)度長(zhǎng)，焊接質(zhì)量對(duì)風(fēng)電塔架的質(zhì)量影響很大。因此，為了保證風(fēng)電設(shè)備的安全運(yùn)行，必須嚴(yán)格控制風(fēng)電塔架的焊接質(zhì)量[1]。

2 風(fēng)電塔架生產(chǎn)工藝流程

生產(chǎn)工藝流程是指在生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)者利用生產(chǎn)工具將各種原材料、半成品通過一定的設(shè)備，按照一定的順序連續(xù)進(jìn)行加工，最終使之成為成品的方法與過程。通過了解生產(chǎn)工藝流程，可以清楚地掌握生產(chǎn)過程。

風(fēng)電塔架的生產(chǎn)工藝流程圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)電塔架生產(chǎn)工藝流程

3 生產(chǎn)前準(zhǔn)備

3.1 原材料準(zhǔn)備及控制要點(diǎn)

風(fēng)電塔架的原材料主要包括塔架筒體板材、基礎(chǔ)環(huán)板材、門框板材、筒體法蘭、基礎(chǔ)環(huán)法蘭、內(nèi)附件及焊材等。在接到風(fēng)電塔架訂單后，需要對(duì)風(fēng)電塔架結(jié)構(gòu)圖紙及材料進(jìn)行審核、統(tǒng)計(jì)。在生產(chǎn)前的準(zhǔn)備過程中，要做好原材料的采購控制，對(duì)原材料供應(yīng)商要通過招投標(biāo)進(jìn)行確定。風(fēng)電塔架原材料的準(zhǔn)備及控制要點(diǎn)如下。

（1）筒體板材、基礎(chǔ)環(huán)板材、門框板材要求為探傷板材，質(zhì)量達(dá)到NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)中超聲檢測(cè)Ⅰ級(jí)要求，并同時(shí)提供相關(guān)材質(zhì)單、合格證書及檢測(cè)報(bào)告。

（2）內(nèi)附件需按技術(shù)規(guī)范要求，提供質(zhì)量證明文件和檢測(cè)報(bào)告。

（3）板材在使用前要進(jìn)行復(fù)檢，主要的檢驗(yàn)項(xiàng)目有鋼板的尺寸、外形、質(zhì)量及允許偏差，按GB/T 709—2006《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》標(biāo)準(zhǔn)中的要求執(zhí)行，其中厚度允許偏差執(zhí)行B類要求。

（4）鋼板表面外觀、尺寸及厚度驗(yàn)收合格后，按照每次到貨數(shù)量的10%進(jìn)行100%超聲復(fù)驗(yàn)，質(zhì)量達(dá)到NB/T 47013—2015標(biāo)準(zhǔn)中超聲檢測(cè)Ⅰ級(jí)要求，并按爐批號(hào)進(jìn)行化學(xué)成分及力學(xué)性能復(fù)檢。

（5）門框鋼板入廠后必須每張進(jìn)行表面外觀、尺寸、厚度及無損檢測(cè)，并按爐批號(hào)進(jìn)行化學(xué)成分及力學(xué)性能復(fù)檢。

（6）筒體和基礎(chǔ)環(huán)的板材及法蘭材料按爐批號(hào)和批次取樣，化學(xué)分析每爐一個(gè)，拉伸每批次一個(gè)，彎曲每批次一個(gè)，沖擊每批次三個(gè)，Z向斷面收縮率每批次三個(gè)。法蘭入廠進(jìn)行100%超聲Ⅰ級(jí)復(fù)檢、100%磁粉Ⅰ級(jí)復(fù)檢，復(fù)檢試樣由法蘭制造商提供，檢測(cè)一套。

焊條、焊劑等焊材使用前需注意以下問題。

（1）焊材要求有供應(yīng)商提供的質(zhì)量證明書，包括化學(xué)成分、力學(xué)性能等。

（2）焊材要有入庫手續(xù)，使用前還應(yīng)對(duì)焊材進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，復(fù)驗(yàn)項(xiàng)目包括化學(xué)成分及力學(xué)性能等，保證焊材處于可控狀態(tài)。

（3）使用前必須按規(guī)定的要求進(jìn)行烘干，烘干的焊條、焊劑應(yīng)存放在120～140℃保溫箱內(nèi)，隨用隨取。

3.2 技術(shù)準(zhǔn)備

在生產(chǎn)前要編制相應(yīng)的質(zhì)量文件并審核發(fā)布，主要包括質(zhì)量手冊(cè)、質(zhì)量控制程序文件、質(zhì)量管理制度文件、制造工藝文件等，以及質(zhì)量控制相關(guān)表格。其中需要重點(diǎn)控制的幾個(gè)相關(guān)文件及表格為：生產(chǎn)工藝流程圖、母材焊接復(fù)檢指導(dǎo)書及加工圖、焊接工藝評(píng)定及焊接工藝規(guī)程、各工序工藝規(guī)程及工藝卡、各工序相關(guān)圖表及記錄表格。

焊接前，需按NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)或合同協(xié)議中要求的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，并按合格的焊接工藝評(píng)定報(bào)告編制焊接工藝規(guī)程[2-11]，產(chǎn)品試板的數(shù)量及規(guī)格按合同協(xié)議進(jìn)行準(zhǔn)備。

3.3 鋼板下料

鋼板下料的質(zhì)量直接影響到下道工序的裝配質(zhì)量及焊接質(zhì)量，必須要嚴(yán)格控制鋼板下料質(zhì)量。需要控制的關(guān)鍵點(diǎn)主要有：鋼板下料長(zhǎng)度偏差≤2 mm、寬度之差≤2 mm（至少需要測(cè)量五處）、對(duì)角線之差≤3 mm。火焰切割的表面不能有溝槽、氧化渣等，對(duì)于較大的溝槽，需打磨后進(jìn)行修補(bǔ)，較大的氧化渣需打磨干凈。切割好的鋼板需做好標(biāo)記的移植工作，并用鋼字頭做好相應(yīng)的編號(hào)等工作。坡口需按照焊縫坡口圖進(jìn)行加工，不能私自更改坡口尺寸。

4 裝配與焊接

4.1 鋼板卷制

在鋼板卷制前及卷制過程中，鋼板表面的氧化皮與雜物應(yīng)采用壓縮空氣吹掃干凈。卷制過程中要嚴(yán)格按卷制工藝規(guī)程操作，并用弧度樣板進(jìn)行測(cè)量，避免過卷。需要控制的關(guān)鍵點(diǎn)有：任意橫截面圓度公差（Dmax/Dmin）≤1.005（D 為筒節(jié)直徑）、外圓周長(zhǎng)偏差≤5 mm、組對(duì)間隙0.5～2.0 mm、錯(cuò)邊量≤1.0 mm、錯(cuò)口量≤1.5 mm。對(duì)筒節(jié)縱焊縫棱角和環(huán)向表面局部凸凹度要求，當(dāng)板厚t≤30 mm時(shí)，用弦長(zhǎng)L=（1/6）D，且L最小值為500 mm的內(nèi)外樣板測(cè)量，橫角高度E≤0.1t+1 mm。當(dāng)板厚t≥30 mm時(shí)，用弦長(zhǎng)L=（1/6）D，且L最小值為800 mm的內(nèi)外樣板測(cè)量，E≤0.1t+1 mm。

4.2 筒節(jié)縱縫焊接

筒節(jié)縱縫焊接需按焊接工藝規(guī)程進(jìn)行，注意產(chǎn)品焊接試板需要與筒節(jié)縱焊縫按相同工藝同時(shí)焊接，產(chǎn)品試板的厚度及坡口型式等需與筒節(jié)縱縫一致。另外，縱縫焊接時(shí)需要加引弧板和熄弧板，需注意點(diǎn)焊位置不會(huì)干涉正常焊接。

4.3 基礎(chǔ)環(huán)裝配與焊接

基礎(chǔ)環(huán)法蘭與基礎(chǔ)環(huán)裝配要嚴(yán)格按裝配工藝進(jìn)行，法蘭與基礎(chǔ)環(huán)之間的環(huán)縫對(duì)口間隙≤3.0 mm。間隙嚴(yán)禁過大，更不允許間隙大小不一。環(huán)縫對(duì)口錯(cuò)邊量≤0.1t，且最大不超過2.5 mm。基礎(chǔ)環(huán)筒節(jié)的縱縫要在法蘭相鄰兩個(gè)螺栓孔之間。裝配后要嚴(yán)格檢查法蘭的平面度、內(nèi)傾度。

4.4 筒節(jié)與筒節(jié)、法蘭裝配

筒節(jié)與筒節(jié)的裝配采用外壁對(duì)齊方式，環(huán)縫對(duì)口錯(cuò)邊量≤0.1t，且最大不超過2.5 mm。相鄰?fù)补?jié)縱縫需要錯(cuò)開180°，若不能滿足要求，則其相錯(cuò)量不小于170°。筒節(jié)的縱縫要在法蘭相鄰兩個(gè)螺栓孔之間。單段塔架兩端面法蘭平面度≤3.0 mm，同軸度≤2.5 mm。裝配后要嚴(yán)格檢查法蘭的平面度、內(nèi)傾度，并將相關(guān)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)到下道焊接工序。

4.5 筒體環(huán)縫及門框焊接

筒節(jié)環(huán)縫焊接需按焊接工藝規(guī)程進(jìn)行，環(huán)縫焊接每層焊縫接頭應(yīng)錯(cuò)開，環(huán)縫起弧處與熄弧處要與縱縫錯(cuò)開。蓋面層焊縫要至少有50 mm的重疊量，不同厚度的焊縫應(yīng)按1∶4平滑過渡。筒節(jié)與法蘭的環(huán)縫焊縫需重點(diǎn)控制，焊后筒體兩端面法蘭平面度≤3.0 mm，筒體兩端面法蘭同軸度≤3.0 mm，法蘭端面圓跳度≤2.0 mm。頂法蘭端面平面度和內(nèi)傾度應(yīng)控制為≤0.5 mm，其余法蘭端面平面度≤1.5 mm，內(nèi)傾度≤1.0 mm。

門框焊接過程中，需要注意控制焊接變形，可采用對(duì)稱分散焊接[12]，并在焊接中采取防變形措施，如剛性固定支撐等。門框本體若需拼接，拼接焊縫與筒體環(huán)焊縫需要錯(cuò)開至少100 mm，門框中心線與筒體的縱焊縫至少相錯(cuò)90°。門框焊前需要嚴(yán)格按工藝要求進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱范圍為焊縫周圍150 mm以內(nèi)。對(duì)稱分散焊接過程的層間溫度不應(yīng)低于預(yù)熱溫度，焊后保溫緩冷。

5 焊后檢測(cè)

風(fēng)電塔架縱焊縫與環(huán)焊縫在完成自檢后要進(jìn)行無損檢測(cè)。基礎(chǔ)環(huán)法蘭環(huán)焊縫為100%超聲Ⅰ級(jí)檢測(cè)、100%磁粉Ⅰ級(jí)檢測(cè)。筒節(jié)環(huán)焊縫與縱焊縫為100%超聲Ⅰ級(jí)檢測(cè)、100%磁粉Ⅰ級(jí)檢測(cè)。T型焊縫及薄弱處焊縫增加100%射線檢測(cè)，不低于Ⅱ級(jí)。門框與筒節(jié)焊縫為100%超聲Ⅰ級(jí)檢測(cè)，100%磁粉Ⅰ級(jí)檢測(cè)。附件與筒體連接焊縫為20%磁粉檢測(cè)。與筒體焊接的螺柱焊縫為100%磁粉Ⅰ級(jí)檢測(cè)。每個(gè)T型接頭焊縫處的射線檢測(cè)至少應(yīng)有兩張，縱縫和環(huán)縫各一張，每張檢測(cè)的有效長(zhǎng)度為300 mm。附件連接焊縫無法進(jìn)行磁粉檢測(cè)時(shí)，可采用滲透檢測(cè)代替。

6 返修及防腐

風(fēng)電塔架焊縫的返修需嚴(yán)格按返修工藝進(jìn)行操作，同一焊縫的返修次數(shù)不能超過兩次，返修超過兩次的焊縫，返修前需要經(jīng)過制造單位技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)，并經(jīng)過駐廠監(jiān)造人員審批后方可進(jìn)行。返修焊縫必須100%重新檢測(cè)，焊后焊縫、熱影響區(qū)要進(jìn)行硬度檢測(cè)，同時(shí)將返修次數(shù)、返修部位、返修情況等記錄在質(zhì)量證明材料中。防腐需嚴(yán)格按防腐技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行，另外還需要注意基礎(chǔ)環(huán)防腐的特殊要求。

7 結(jié)束語

風(fēng)電塔架質(zhì)量的控制重點(diǎn)在于焊接質(zhì)量，焊接質(zhì)量的控制重點(diǎn)在于基礎(chǔ)環(huán)筒節(jié)與法蘭的環(huán)焊縫、筒節(jié)與法蘭的環(huán)焊縫，以及門框與筒體的焊接。在風(fēng)電塔架制造過程中嚴(yán)格控制影響質(zhì)量的各個(gè)環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的最終質(zhì)量是完全可以得到保證的。

[1]石南輝.吳犇，郝亮.厚壁大直徑風(fēng)塔的焊接[J].電焊機(jī)，2012，42（8）：17-19.

[2]薛季愛，羅凡，丁微嘉，等.基于ASMEⅨ的焊接工藝評(píng)定系統(tǒng)[J].機(jī)械制造，2010，48（2）：43-45.

[3]孔念榮,謝蕊.歐標(biāo)焊接工藝評(píng)定的方法[J].金屬加工（熱加工），2012（2）：30-33.

[4]張忠海,關(guān)景發(fā).焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用[J].一重技術(shù)，2009（3）：32-33.

[5]馮健,沈大明,鄧鑒棋.超厚S355NL鋼管樁焊接接頭超低溫沖擊實(shí)驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代焊接，2014（6）：49-51.

[6]陳宏英，漆衛(wèi)國.風(fēng)電機(jī)組筒形塔焊接技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用[J].金屬加工（熱加工），2013（14）：55-58.

[7]趙忠義,王翠霞.對(duì)焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的探討及建議[J].金屬加工（熱加工），2009（6）：62-63.

[8]曹曉民,馮小靜,董曼,等.2.0 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)后底座的焊接工藝評(píng)定及應(yīng)用[J].金屬加工（熱加工），2014（4）：54-57.

[9]王占輝，武晉，馬林旭.海洋工程鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)加固焊接設(shè)備的研制[J].機(jī)械制造，2007，55（3）：46-49.

[10]馬天駒，俞鈞，顧森東，等.焊接方式對(duì)收集器性能和焊縫質(zhì)量的影響研究[J].機(jī)械制造，2017，55（11）：92-94，110.

[11]時(shí)海芳,楊倩.12Cr1MoV珠光體耐熱鋼的焊接工藝評(píng)定[J].熱加工工藝，2011,40（7）：115-117.

[12]賈勤飛,郭文輝.風(fēng)電機(jī)組塔架門框的焊接變形控制及焊接工藝設(shè)計(jì)[J].風(fēng)能，2017（11）：86-89.