GW130/2500型140米高塔架制造工藝研究及控制措施

文 | 馬海德，李俊宏，趙立剛

“十三五”期間，我國(guó)風(fēng)電開(kāi)發(fā)重心已從“三北”地區(qū)向中東部和南方低風(fēng)速地區(qū)轉(zhuǎn)移，風(fēng)力發(fā)電也從集中式向分散式演進(jìn)，由金風(fēng)科技研發(fā)的適合超低風(fēng)速和復(fù)雜地形條件下運(yùn)行的GW130/2500機(jī)型140米高塔架在此背景下應(yīng)運(yùn)而生。該機(jī)型是目前國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的風(fēng)輪直徑為130米的2.5兆瓦最高塔架，其通過(guò)采用更大長(zhǎng)度的葉片，捕獲更多風(fēng)能資源，使超低風(fēng)速且復(fù)雜地形條件下發(fā)電量顯著提升，具有更強(qiáng)的發(fā)電性能、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性。其塔筒設(shè)計(jì)段數(shù)多、鋼板厚度厚、高度高，要求必須具備良好的安全性能和優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品質(zhì)量，因此制造難度較大。本文通過(guò)對(duì)140米高塔架制造過(guò)程中下料尺寸控制、削薄板切割尺寸精度控制、整段筒體兩端面平行度及同軸度控制、法蘭焊合平面度及內(nèi)傾度控制、幾何尺寸控制等工藝難點(diǎn)進(jìn)行研究，制作專(zhuān)業(yè)的工藝裝備，制定具體的控制措施，經(jīng)制造現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證及吊裝現(xiàn)場(chǎng)順利安裝證明，有效提高了塔架制造質(zhì)量。

表1 140米2.5MW塔架基本數(shù)據(jù)表

表2 塔架連接法蘭明細(xì)表

塔架概述

一、項(xiàng)目概述

試驗(yàn)機(jī)組塔架項(xiàng)目地點(diǎn)位于新疆達(dá)坂城，本次共安裝1臺(tái)，采用的是2.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，該機(jī)組采用的是金風(fēng)科技140米輪轂高度柔性塔架。

二、塔架基本參數(shù)

140米輪轂高度塔架采用錐形鋼圓筒結(jié)構(gòu)形式，分7段組成。塔架底部法蘭為鍛造T型法蘭，塔架段與段之間及塔架與機(jī)艙的連接采用高強(qiáng)度螺栓連接。塔架的底部配有一扇門(mén)，能使外部空氣進(jìn)入塔架內(nèi)，同時(shí)具有防沙、防雨、防蚊蟲(chóng)、防盜的功能。塔架內(nèi)部設(shè)置多個(gè)平臺(tái)，并設(shè)計(jì)有內(nèi)部爬梯和升降機(jī)，各平臺(tái)都有照明裝置和應(yīng)急照明裝置。塔架基本數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

塔架制造工藝流程簡(jiǎn)介

風(fēng)電塔架制造通用工藝流程，如圖1所示。

140米高塔架制造難點(diǎn)分析及控制措施

140米柔性塔架是金風(fēng)科技專(zhuān)門(mén)為超低風(fēng)速和復(fù)雜地形條件下設(shè)計(jì)的一款塔架產(chǎn)品，其優(yōu)勢(shì)在于輪轂高度達(dá)到140米以上，具有輪轂高度高、塔架頻率低、阻尼小，其設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的控制算法使得140米柔性塔架相對(duì)同等高度剛性塔架重量減輕31.84%，成本節(jié)約近40%，標(biāo)態(tài)下發(fā)電量提升12.3%。因其高度高，段數(shù)多，底部塔筒鋼板較厚，因而制造難度很大，主要工藝難點(diǎn)及控制措施如下。

一、塔筒整體高度控制

（一）制造難點(diǎn)

塔架在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生焊接收縮，鋼板厚度越大，熱輸入越大，收縮量將越大，焊接收縮量累計(jì)會(huì)導(dǎo)致筒體焊后整體高度減小，影響塔架輪轂高度，因此需嚴(yán)格控制收縮變形。

（二）原因分析

按照《金風(fēng)MW級(jí)塔架技術(shù)條件》要求，塔段高度允許偏差為±10mm、塔架總高允許偏差±50mm。塔筒筒節(jié)間環(huán)縫的焊接在內(nèi)側(cè)按照鋼板厚度的不同，需要進(jìn)行3～5層的多層焊接，外側(cè)用碳弧氣刨進(jìn)行清根后進(jìn)行焊接，焊接次數(shù)多，焊接電流大，焊接溫度高，鋼板在焊縫及熱影響區(qū)域的溫度較高，在焊接完成后鋼板會(huì)產(chǎn)生冷卻收縮，鋼板越厚熱輸入越大，產(chǎn)生的冷卻收縮越大，塔架總共有58道環(huán)縫，收縮量累計(jì)使塔架總高減小約80～100mm，偏差值超出技術(shù)規(guī)范要求。

（三）控制措施

為有效補(bǔ)償焊接收縮量，一方面，對(duì)每一筒節(jié)下料編程（定料時(shí)予以考慮），單節(jié)筒節(jié)高度方向根據(jù)不同板厚留0.8～1.3mm的焊接收縮余量，具體見(jiàn)表3所示；另一方面，在焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制焊接參數(shù)和焊接順序，減小收縮量。

二、削薄板切割尺寸精度控制

（一）制造難點(diǎn)

28mm厚鋼板在坡口削薄加工處理后，削薄一側(cè)長(zhǎng)度方向尺寸偏小8～10mm，造成兩筒節(jié)對(duì)接錯(cuò)邊量超差。

圖1 風(fēng)電塔架制造工藝流程簡(jiǎn)圖

表3 筒節(jié)高度焊接收縮量

（二）原因分析

按照《金風(fēng)MW級(jí)塔架技術(shù)條件》要求，所有筒體上鋼板厚度差≥4mm的不同壁厚鋼板對(duì)接時(shí)，應(yīng)以不大于1：4的錐度平滑過(guò)渡（即將較厚板削薄）。140米塔架第7段塔筒筒節(jié)布置如圖2所示。

其中T7-8與T7-9板厚分別為15mm和28mm，兩鋼板對(duì)接時(shí)采用的坡口形式如圖3所示。

在塔架制作過(guò)程中一般采用火焰切割的方法加工對(duì)接坡口，切割時(shí)由于切割面及切割面附近區(qū)域溫度高達(dá)3000多度，受加熱區(qū)域的材料迅速膨脹，但因周?chē)鷾囟容^低，此時(shí)受加熱區(qū)域受壓縮應(yīng)力，隨著加熱溫度的提高，壓縮應(yīng)力不斷增大，當(dāng)超過(guò)材料的屈服極限便產(chǎn)生了塑性變形，當(dāng)停止切割時(shí)金屬冷卻收縮，結(jié)果加熱區(qū)金屬纖維比原先短。這樣就使得較厚板在削薄一側(cè)長(zhǎng)度尺寸縮短，造成兩筒節(jié)對(duì)接時(shí)錯(cuò)邊量嚴(yán)重超差。

（三）控制措施

為有效解決此問(wèn)題，在下料編程時(shí)，給T7-9下口直徑增加補(bǔ)償量，即將下口直徑增大2.8mm。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)際驗(yàn)證，該方法有效可行。

三、整段筒體（多段筒節(jié)）兩端面平行度及同軸度超差控制

（一）制造難點(diǎn)

140米塔架底部塔筒鋼板厚度較厚，按照焊接工藝要求，焊接坡口為X型坡口，在組對(duì)時(shí)用CO2氣體保護(hù)在外側(cè)進(jìn)行打底定位焊接，產(chǎn)生焊接收縮，兩筒節(jié)的組對(duì)間隙在焊接位置的180°角度組對(duì)間隙會(huì)變大，在組對(duì)焊接完成1/4的周長(zhǎng)以后，組對(duì)間隙調(diào)整難度較大，組對(duì)間隙過(guò)大及間隙不均勻，就會(huì)造成整段塔筒平行度和同軸度的超差。

（二）原因分析

按照《金風(fēng)MW級(jí)塔架技術(shù)條件》要求，整段筒體兩端面平行度和同軸度測(cè)量如圖4所示，測(cè)量A1A2、B1B2、C1C2、D1D2所有數(shù)據(jù)差值≤3mm，A1C2、B1D2、C1A2、D1B2所有數(shù)據(jù)差值≤3mm，組對(duì)間隙的均勻與否是保證整段筒體兩端面平行度、同軸度的關(guān)鍵，而塔架第一、二段塔筒鋼板厚度為47～34mm，需要開(kāi)X型焊接坡口，在外側(cè)組對(duì)定位焊接時(shí)如果將筒節(jié)自由放置在組對(duì)滾輪架上，會(huì)產(chǎn)生焊接收縮，焊接位置外部受力，筒節(jié)的組對(duì)間隙就會(huì)發(fā)生變化，控制起來(lái)困難，間隙超標(biāo)后進(jìn)行調(diào)整需要將定位焊點(diǎn)全部磨開(kāi)，工作量很大。

圖2 第七段塔筒筒節(jié)布置圖

圖3 鋼板對(duì)接坡口形式

圖4 整段筒體兩端面平行度、同軸度測(cè)量示意圖

圖5 組對(duì)間隙調(diào)整拉緊裝置示意圖

（三）控制措施

制作專(zhuān)用法蘭孔掛鉤固定銷(xiāo)和筒節(jié)掛鉤，分別固定在法蘭和筒節(jié)上，用環(huán)鏈?zhǔn)掷J進(jìn)行拉緊（見(jiàn)圖5），在焊接位置的90°和180°分別固定一組拉緊裝置，在焊接過(guò)程中對(duì)組對(duì)間隙隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，保證組對(duì)間隙均勻，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)際檢驗(yàn)，該措施能夠有效控制組對(duì)間隙，保證筒體兩端面的平行度和同軸度。

四、法蘭焊合平面度、內(nèi)傾度超差

（一）制造難點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電塔架制造過(guò)程中，由于法蘭與筒體組對(duì)時(shí)，間隙過(guò)大或者法蘭放置不平，在焊接過(guò)程中法蘭面極易出現(xiàn)“波浪變形”，連接法蘭與筒體組焊時(shí)，連接法蘭面易產(chǎn)生外翻的“角變形”，兩者都會(huì)造成法蘭面焊接后平面度、內(nèi)傾度、橢圓度超標(biāo)。

（二）原因分析

按常規(guī)的焊接工藝順序是先焊接完內(nèi)側(cè)，然后在外面清根，再焊接外側(cè)。焊接過(guò)程中焊縫和焊縫附近的法蘭脖頸處溫度很高，受熱迅速膨脹。當(dāng)焊縫溫度逐漸冷卻時(shí)，連接法蘭因厚度較厚，剛度較大，與焊縫冷卻速度不一致，法蘭熱影響區(qū)溫度冷卻緩慢，導(dǎo)致焊縫區(qū)域在冷卻時(shí)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力無(wú)法抵消；法蘭因熱影響區(qū)受熱而產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，從而使遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的法蘭面內(nèi)側(cè)形成外翻。

（三）控制措施

由于連接法蘭面要求“內(nèi)傾外平”，安裝時(shí)能給予所連接的高強(qiáng)度螺栓相應(yīng)的預(yù)緊力，因此法蘭不允許出現(xiàn)外翻，如圖6所示。

由于焊縫坡口為內(nèi)側(cè)坡口，要解決法蘭外翻，必須嚴(yán)格按照焊接工藝分層交替施焊的方法，并且焊接時(shí)要求次道焊縫最好一次完成，中間不需間斷，保持受熱均勻，頂法蘭焊接順序如圖7所示，焊接參數(shù)如表4。

五、數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果分析

運(yùn)用上述工藝制造的新疆達(dá)坂城140米高塔架，塔段平行度、同軸度檢驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，平行度A1A2、B1B2、C1C2、D1D2的相對(duì)差值最大值為2mm，同軸度A1C2、B1D2、C1A2、D1B2的相對(duì)差值最大值為2mm，技術(shù)規(guī)范要求≤3mm；焊后法蘭平面度、內(nèi)傾度檢驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6，均在技術(shù)規(guī)范要求范圍內(nèi)；塔架高度檢驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7，塔段高度最大偏差為-3mm、塔架總高度偏差為-10mm，高度值控制很精確。通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析，全部符合金風(fēng)《Q/QW 202002－2017風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架技術(shù)條件 》要求，塔架在吊裝現(xiàn)場(chǎng)安裝非常順利。

圖6 法蘭焊接后出現(xiàn)的情況

圖7 頂法蘭與筒體焊接順序示意圖

表4 頂法蘭與筒體焊接參數(shù)表

表5 140米高塔架塔段平行度、同軸度檢驗(yàn)表

表6 140米高塔架焊后法蘭平面度、內(nèi)傾度檢驗(yàn)表

表7 140米高塔架高度檢驗(yàn)表

圖8 塔段平行度、同軸度檢驗(yàn)圖

圖9 塔架焊后法蘭平面度、內(nèi)傾度檢驗(yàn)圖

圖10 塔架現(xiàn)場(chǎng)吊裝圖

結(jié)論

本文在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，制定了下料尺寸補(bǔ)償量、設(shè)計(jì)制作了組對(duì)間隙調(diào)整拉緊裝置、調(diào)整了法蘭環(huán)縫焊接次序，經(jīng)實(shí)踐證明，很好地控制風(fēng)力發(fā)電塔架制造過(guò)程中的組對(duì)間隙、法蘭面平面度、內(nèi)傾度及整段筒體兩端面的平行度、同軸度、塔架高度。本文制定的工藝措施簡(jiǎn)單有效，制作的工裝切實(shí)可行，有效地控制了塔架制造質(zhì)量，值得在其他風(fēng)力發(fā)電塔架項(xiàng)目中推廣應(yīng)用。

攝影：王迎春