新能源風(fēng)電塔筒制作中幾個(gè)重難點(diǎn)問題探討

李慶堂，楊保維，付有泰

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

1 原材料的質(zhì)量控制

目前國內(nèi)風(fēng)電主要的幾個(gè)主機(jī)廠家，如：遠(yuǎn)景、金風(fēng)、運(yùn)達(dá)、中車等機(jī)型，塔筒本體材料為：Q355D、Q355E、Q355ND、Q355NE 等，門框、法蘭材質(zhì)大部分為Q355ND-Z35、Q355NE-Z35。原材料質(zhì)量直接影響塔筒后期的安全穩(wěn)定運(yùn)行，是關(guān)系整個(gè)工程質(zhì)量的重點(diǎn)，下面就原材料質(zhì)量控制幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行探討。

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)、制造規(guī)范

塔筒本體、法蘭以及門框等每一個(gè)部位的原材料使用均是經(jīng)過設(shè)計(jì)反復(fù)試驗(yàn)研究確定，材料的強(qiáng)度等級、力學(xué)性能、化學(xué)成分等技術(shù)參數(shù)尤為重要。項(xiàng)目之初，一定要仔細(xì)研究設(shè)計(jì)給予的技術(shù)參數(shù)及制造規(guī)范，準(zhǔn)確的掌握其不同材質(zhì)所要求的力學(xué)性能參數(shù)、化學(xué)成分含量等技術(shù)要求，以便編制采購技術(shù)規(guī)范，確保材料采購要求的準(zhǔn)確性與完整性。

1.2 原材料進(jìn)廠檢驗(yàn)

（1）原材料進(jìn)廠后，物資采購部應(yīng)與工程技術(shù)質(zhì)量人員進(jìn)行聯(lián)合驗(yàn)收，材料要求有完整合格的產(chǎn)品出廠證明，塔筒本體板材、法蘭等必須附有產(chǎn)品質(zhì)量證明書等。

（2）應(yīng)按要求逐張進(jìn)行幾何尺寸及表面質(zhì)量的檢查，除滿足技術(shù)規(guī)范外，板厚偏差應(yīng)滿足GB/T 709-2019《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》中的相關(guān)要求，表面質(zhì)量應(yīng)符合GB/T 3274-2017《碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼熱軋鋼板和鋼帶》相關(guān)要求。筒體用鋼板廠內(nèi)按照批次總數(shù)量的10% 進(jìn)行100% 的復(fù)檢，按NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測第3 部分：超聲檢測》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%UT 檢測，TI 級為合格（必須包含所有的爐批次，不足一張的以一張計(jì)算），如有一張板不合格，必須每張同批次板都進(jìn)行復(fù)檢；門框用鋼板逐張按NB/T 47013.3-2015 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%UT檢測，TI 級為合格。

（3）鋼板按爐號進(jìn)行化學(xué)成分、按不同板厚及不同批號進(jìn)行力學(xué)性能的檢驗(yàn)，化學(xué)成分應(yīng)覆蓋100%的爐號，力學(xué)性能應(yīng)覆蓋100%批號，同時(shí)按爐批號留存一份備用樣品，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)除符合設(shè)計(jì)規(guī)范還應(yīng)滿足NB/T 47013-2015《承壓設(shè)備無損檢測》的相關(guān)要求。

（4）法蘭入廠后，必須依據(jù)法蘭圖紙尺寸要求對來料法蘭進(jìn)行尺寸抽檢，并做好檢測記錄，應(yīng)對每一片法蘭按照NB/T 47013.31 級進(jìn)行100%超聲復(fù)檢，根據(jù)NB/T 47013.41 級進(jìn)行100%磁粉（含法蘭脖頸及坡口處）復(fù)檢，并出具檢驗(yàn)報(bào)告。所有法蘭要求有完整合格的產(chǎn)品出廠證明，所有法蘭進(jìn)廠必須按照法蘭不同規(guī)格不同熱處理爐號提供試樣進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能檢驗(yàn)，化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)覆蓋100%的爐號，力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)覆蓋100%批號，特別注意法蘭晶粒度和帶狀組織檢測結(jié)果，合格后方可使用，法蘭至少按批次提供兩套理化試驗(yàn)試樣。

上述工作完成后，按表1 提交相關(guān)資料。

表1 原材料檢驗(yàn)提交資料清單表

2 焊接工藝評定與焊接

2.1 焊接工藝評定

焊接工藝評定是驗(yàn)證焊接接頭性能是否滿足要求的具體舉措，確認(rèn)焊接工藝指導(dǎo)書的正確性與合理性，是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，用于指導(dǎo)焊接工藝指導(dǎo)書、焊接工藝卡編制的依據(jù)，必須有具備相應(yīng)資質(zhì)的單位實(shí)施焊接工藝評定試驗(yàn)。

風(fēng)電塔筒單管節(jié)縱縫、筒體環(huán)縫、門框焊縫等開焊之前應(yīng)嚴(yán)格按要求進(jìn)行焊接工藝評定試驗(yàn)，結(jié)合母材的特性選定焊材、焊劑并編制焊接工藝規(guī)程（WPS），焊接工藝規(guī)程包含內(nèi)容見表2。

表2 焊接工藝規(guī)程（WPS）包含內(nèi)容

根據(jù)已編制的焊接工藝規(guī)程組織實(shí)施焊接工藝評定試驗(yàn)，焊接工藝評定試驗(yàn)應(yīng)安排有資質(zhì)的人員實(shí)施（注：焊接人員、無損檢測人員、試驗(yàn)人員、焊接工程師等）；過程中安排專人監(jiān)控，嚴(yán)格按工藝規(guī)程實(shí)施，并記錄下所有的焊接參數(shù)，焊接后按規(guī)范進(jìn)行無損檢測，檢測合格后進(jìn)行力學(xué)性能、化學(xué)成分的檢測。

上述工作完成后形成焊接工藝評定報(bào)告，同時(shí)編制焊接作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行交底后實(shí)施。

2.2 焊接方法

目前，風(fēng)電塔筒法蘭環(huán)縫和筒體環(huán)縫焊接時(shí)均采用傳統(tǒng)焊接工藝，焊縫內(nèi)側(cè)焊接完成后，需對外側(cè)進(jìn)行碳弧氣刨清根、打磨處理，以確保焊縫根部無夾渣、未熔透等缺陷。碳弧氣刨清根及打磨工序不僅增加了焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，施工成本也較高，同時(shí)焊接工序時(shí)間較長直接影響到項(xiàng)目履約工期。通過不斷的摸索與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對碳弧氣刨清根、打磨這一工序進(jìn)行優(yōu)化研究，形成了無碳刨雙絲埋弧自動(dòng)焊接工藝，其施工方法主要如下：

（1）對接焊縫坡口的加工，焊縫為X 型坡口，坡口比例為4∶6，坡口角度為60°，留2 mm 鈍邊，詳見圖1，筒節(jié)與筒節(jié)對接按照中徑對齊，不同板厚若厚差大于4 mm 時(shí)，內(nèi)外側(cè)開過渡坡口，坡口長度尺寸至少為板厚差的4 倍。

圖1 坡口加工示意圖

（2）焊接。焊接采用雙絲埋弧自動(dòng)焊接，焊接電流極性采用直流反接，焊前嚴(yán)格控制好組對間隙、錯(cuò)臺，先采用氣保焊進(jìn)行打底焊接，再采用雙絲埋弧焊進(jìn)行多層多道焊接，最后進(jìn)行蓋面焊接，見圖2。上述多層多道焊接時(shí)焊接電流為650~780 A，焊接厚度為6~15 mm,焊縫寬度為5~30 mm，焊接電壓為28~35 V，焊接速度為30~40 cm/min，焊接時(shí)結(jié)合母材特性選擇相適應(yīng)的焊材與焊條，通常為H10Mn2/SG101，焊接工藝參數(shù)見圖3。

圖2 焊接填充示意圖

圖3 焊接參數(shù)圖

該施工方法的研究，有效的減輕焊工勞動(dòng)強(qiáng)度、降低施工成本，同時(shí)減少了碳刨清根工序，提升了施工效率。

2.3 其它焊接要求

（1）焊材的管理：用于塔筒及其部件焊接的焊材（焊條、焊絲、焊劑、保護(hù)氣體），必須有產(chǎn)品合格證和清晰牢固的標(biāo)記，并經(jīng)焊接工藝評定試驗(yàn)合格；焊材應(yīng)儲藏在通風(fēng)干燥的一級庫，庫內(nèi)溫度不得低于5℃，相對濕度不得大于60%，焊材距離地面、墻面的距離一般約300 mm，以免焊材發(fā)生受潮而影響焊接質(zhì)量；焊劑在使用前應(yīng)按照其使用說明書進(jìn)行烘干，烘焙時(shí)間與要求詳見表3，焊條、焊劑暴露在大氣時(shí)間一般不得超過4 h，否則應(yīng)該重新烘焙，在實(shí)施焊接過程中，應(yīng)遵循先進(jìn)先出原則，并有完整的出入庫記錄。

表3 焊劑的烘焙要求

（2）焊前清理：在塔筒拼裝前應(yīng)將坡口內(nèi)側(cè)及邊沿位置25 mm 范圍內(nèi)的鐵銹、氧化物、毛刺等徹底清理打磨干凈，特別是滲碳層應(yīng)清理干凈，使其漏出金屬光澤。

（3）定位焊接：定位焊接采用氣體保護(hù)焊接，定位焊接不得有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，否則應(yīng)清理重新焊接，定位點(diǎn)固熔深應(yīng)大于3 mm；定位焊接完成后應(yīng)進(jìn)行封底焊接，封底焊采用氣體保護(hù)焊接，封底焊接為外壁坡口側(cè)。

（4）引弧板設(shè)置：筒體的單管節(jié)縱縫焊接應(yīng)在焊縫兩端設(shè)置引弧熄板，引弧熄板的規(guī)格應(yīng)≥100 mm×100 mm，其材質(zhì)、板厚以及坡口形式應(yīng)與所焊接的母材一致。

（5）焊前預(yù)熱：塔筒縱縫、環(huán)縫焊接應(yīng)預(yù)熱，可采用火焰加熱進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱范圍控制焊縫及邊沿位置100 mm，預(yù)熱溫度為80℃，當(dāng)板厚大于30 mm 時(shí)預(yù)熱溫度應(yīng)控制在80℃~150℃。

（6）焊接條件：焊接環(huán)境溫度應(yīng)大于5℃，否則應(yīng)進(jìn)行加熱，相對濕度小于90% ，當(dāng)遇到雨雪、風(fēng)速過大等惡劣天氣時(shí)應(yīng)及時(shí)按照工藝要求采取有效措施，否則不得施焊。

3 法蘭平面度控制

國內(nèi)陸上風(fēng)電塔筒普遍由4 段或5 段組成，筒節(jié)之間通過法蘭把合連接，其法蘭平面度是塔筒制造一項(xiàng)非常重要的質(zhì)量指標(biāo)。目前因平面度控制不好表現(xiàn)的主要問題有：塔筒安裝后節(jié)間法蘭存在間隙，不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求；安裝時(shí)把合螺栓無法正常穿戴，部分把合螺栓雖然勉強(qiáng)穿戴但受剪切力較大，諸如類似問題均為法蘭平面度控制不到位引起，給風(fēng)電塔筒后期的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來較大隱患。

塔架上段上法蘭焊接后要求平面度在0.5 mm以內(nèi)（不允許外翻且內(nèi)傾≤0.8 mm）；T 型法蘭檢測3 圈（內(nèi)圈、中圈、外圈），以3 圈中最大值與最小值的差值定義為法蘭平面度，平面度要求在3.0 mm以內(nèi)且不允許外翻。其它塔架法蘭焊接后平面度0~1.5 mm（不允許外翻且內(nèi)傾≤1.5 mm）。平面度不滿足要求時(shí)不允許火焰直接加熱法蘭或焊縫進(jìn)行校正，采用火焰校正工藝時(shí)溫度不得超過600℃。

3.1 法蘭平面度測量

目前法蘭平面度普遍采用激光平面儀進(jìn)行測量，采用三點(diǎn)法將三點(diǎn)處的激光都調(diào)整到靶中央環(huán)，利用激光發(fā)射器對平度進(jìn)行全面測量，精度高、效率快、數(shù)據(jù)直觀。

3.2 法蘭平面度控制方法

（1）法蘭加工控制：坡口的加工，嚴(yán)格按照制造工藝的坡口型式執(zhí)行，具體為：采用內(nèi)大外小6∶4的坡口型式，鈍邊預(yù)留2 mm，除底法蘭外其余法蘭平面加工需保證內(nèi)傾值0~1 mm，不允許法蘭加工出現(xiàn)外翻現(xiàn)象。

（2）焊接工藝控制：焊接嚴(yán)格按照本文所述的2.2節(jié)焊接方法實(shí)施，所有焊接人員均持證并經(jīng)過詳細(xì)完善的技術(shù)交底后方能上崗。

（3）火焰校型控制：大段筒節(jié)焊接完成后經(jīng)測量若法蘭平面度存在超標(biāo)現(xiàn)象，應(yīng)采用火焰校型的方法進(jìn)行校正，法蘭內(nèi)傾值過大，應(yīng)如圖4 示意方法進(jìn)行火焰校正，法蘭存在外翻時(shí)，應(yīng)如圖5 示意方法進(jìn)行火焰校正，校正時(shí)不允許火焰直接加熱法蘭或焊縫，工藝溫度不得超過600℃。

圖5 法蘭外翻校正示意圖

4 焊縫檢驗(yàn)

（1）所有焊縫焊接完成后均要進(jìn)行100%外觀檢查，外觀檢驗(yàn)用肉眼或低于10 倍放大鏡檢查，焊縫與母材應(yīng)圓滑過渡，所有焊縫熔渣、外毛刺應(yīng)清除干凈。焊縫不應(yīng)有裂紋、夾渣、氣孔、漏焊、燒穿、弧坑、未熔合及深度大于0.5 mm 的咬邊，焊縫和熱影響區(qū)表面不應(yīng)有裂紋、氣孔、夾渣、未熔合及低于焊縫高度的弧坑。

（2）焊縫外觀應(yīng)滿足設(shè)計(jì)圖紙要求，焊縫余高一般不超過2 mm。焊縫不允許有裂紋、夾渣、氣孔、漏焊、燒穿、弧坑、未熔合、及深度>0.5 mm 的咬邊。角焊縫及對接焊縫表面的形狀尺寸及外觀要求應(yīng)符合圖紙要求。

（3）無損探傷要求應(yīng)按壓力容器無檢測標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013-2015 執(zhí)行，檢測單位和人員應(yīng)有相應(yīng)的資質(zhì)并報(bào)備。一般情況下，鋼板小于40 mm 的焊縫無損檢測必須在焊接完成后24 h 進(jìn)行，鋼板大于40 mm 小于60 mm 的焊縫無損檢測必須在焊接完成后48 h 進(jìn)行，鋼板大于60 mm 的焊縫無損檢測時(shí)間必須在焊接完成后72 h 進(jìn)行，以此保證焊縫內(nèi)應(yīng)力的完全釋放，避免延遲性裂紋的漏檢。各部位無損檢測如表4 所示。

表4 塔筒各部位無損檢測要求

5 涂裝防腐

5.1 油漆脫落的原因分析

（1）油漆質(zhì)量不合格，噴涂使用的油漆不滿足設(shè)計(jì)圖紙和制造規(guī)范要求，油漆進(jìn)廠后未按要求查詢產(chǎn)品合格證和質(zhì)量證明文件，未進(jìn)行拉拔試驗(yàn)檢查等；

（2）噴砂后，表面粗糙度、清潔度等不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求；

（3）施工工藝有問題或未按正確的噴涂工藝進(jìn)行施工，施工設(shè)備問題等；

（4）施工作業(yè)環(huán)境不滿足要求而強(qiáng)行施工造成；

（5）施工人員技能水平不足或者質(zhì)量意識不夠造成；

（6）設(shè)計(jì)考慮不充分，油漆不匹配，塔筒后期運(yùn)行環(huán)境所造成。

5.2 涂裝防腐工藝

（1）噴砂

1）磨料鋼砂推薦采用1.0～1.2 mm；

2）拋丸前應(yīng)磨去焊道飛濺，銳邊和火焰切割邊緣打磨到半徑R=2 mm，清除表面油污；

3）除法蘭噴鋅面外，表面處理達(dá)到Sa2.5 級，粗糙度為Rz40~70 μm；噴砂達(dá)不到的部位采用動(dòng)力工具除銹達(dá)到St3 級；法蘭噴鋅面表面處理達(dá)到Sa3，粗糙度Rz70~130 μm；

4）噴砂用的壓縮空氣應(yīng)保證清潔干燥、無油脂，表面灰塵清理后小于ISO8502-3《噴砂后鋼板表面灰塵清潔度標(biāo)準(zhǔn)》中3 級；

5）鋼板表面可溶性鹽分需按ISO8502-6《表面鹽污染測試和計(jì)算方法》進(jìn)行檢測，允許可溶性鹽含量不超過50 mg/m2；

6）不允許人員直接接觸表面，噴砂前需用螺栓擰入焊接螺柱中保護(hù)螺紋孔；

7）表面處理后4 h 內(nèi)，工件表面在返黃前應(yīng)進(jìn)行涂漆工作。噴砂后環(huán)境相對濕度保持在75% 以下，底漆開始時(shí)間可延長至6 h；噴砂后環(huán)境相對濕度保持在60%以下，底漆開始時(shí)間可延長至10 h。如果超過可允許的暴露時(shí)間或者工件表面有可見返銹現(xiàn)象，變濕或者被污染，應(yīng)進(jìn)行重新噴砂以達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

（2）噴漆

1）表面處理后4 h 內(nèi)須涂刷第一道漆，當(dāng)溫度低于5℃或高于40℃時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的工藝措施改變環(huán)境溫度才能實(shí)施油漆噴涂作業(yè)；

2）如果相對濕度超過85%或者鋼板溫度不高于露點(diǎn)3℃，不能進(jìn)行噴漆作業(yè)的施工。當(dāng)下雨下雪、表面有水有冰或者大霧時(shí)，不能進(jìn)行噴漆作業(yè)施工。面漆在施工時(shí)，相對濕度應(yīng)該控制在80%以內(nèi)，以免表面失光發(fā)花；

3）光澤度要求：產(chǎn)品光澤度60°角度測量55~80 GU；

4）首套塔架需制作拉拔試驗(yàn)試板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，后續(xù)每10 套/次油漆試板拉拔試驗(yàn)；

5）修補(bǔ)養(yǎng)護(hù)：涂層涂裝完畢后，對涂層進(jìn)行檢查及修補(bǔ)，涂層涂裝好8 h 內(nèi)不得淋雨，轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)應(yīng)防止損傷涂層，工人不得踩踏工件；

6）塔筒內(nèi)焊接附件、邊緣、轉(zhuǎn)角處在正式噴涂前須預(yù)涂。

6 結(jié)束語

隨著二十大的召開，綠色化、低碳化發(fā)展是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵，風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生清潔能源，近年來風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量和數(shù)量均實(shí)現(xiàn)了連續(xù)性增長，對減少碳排放和改善環(huán)境發(fā)揮了重要作用，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行及其重要，通過不斷的總結(jié)和創(chuàng)新研究，不斷的對新技術(shù)、新工藝、新材料以及新設(shè)備的實(shí)踐與探索，進(jìn)一步提升風(fēng)電塔筒制作工藝質(zhì)量，提高我國在風(fēng)力發(fā)電塔筒制作方面的技術(shù)水平。本文講述的創(chuàng)新工藝方法和幾個(gè)重難點(diǎn)問題探討，在項(xiàng)目實(shí)施過程中通過實(shí)踐證明可行，可為風(fēng)電塔筒制作提供借鑒。