海上風電大功率塔筒焊接工藝

郭平俊， 朱鍇年

（中國水利水電第四工程局有限公司， 甘肅 蘭州 730050）

0 引言

我國近海風能資源豐富，海上風電具有不占用土地，效率更高；靠近電力負荷中心，靠近主要經濟圈，常年有風，不需要長途運輸，符合電力負荷中心的需求；海上風電對人類的生產和生活環境影響??； 而且海上風電設備采用海運運輸，對設備尺寸限制很少，越來越大容量的風機被采用，項目經濟效益越來越明顯。

海上風力發電機組塔筒是風力發電的重要設備之一[1]，它將風力發電機組支撐到80 m 以上的高空，其質量直接影響風力發電機組成套設備的安全運行。 海上風電塔筒尺寸超大，精度要求高，技術難度大，市場需求量大，只能在沿海少數廠家生產制造，中國水電四局生產7MW海上風電塔筒工藝研究。

1 海上風電塔筒基本情況

海上風電7MW 大功率風力發電機組塔筒尺寸超大，重量超重，為管塔式結構，分為4 大段，除頂段塔筒外形為圓臺，其余為圓柱形，其中最大直徑7000mm，最小直徑5200mm， 單段塔筒最大長度達35000m， 總高度達95.60m，單段塔筒最大重量達146.80t。 筒體材料：Q345D，最大板厚80mm，母材為低溫材料：焊接工程量大，焊縫質量要求高；對焊接變形控制難度大，直徑大7m 塔筒法蘭平面度及等尺寸精度要求高。

目前， 海上風電5MW 以上機組越來越廣泛使用，隨著海上風電快速發展，海上風電機組越來越大型化，生產難度會越來越大[2]。

2 焊接方法與焊接材料的選用

海上風電塔筒筒體鋼板為Q355D， 鍛造法蘭為Q3 55E-Z25。 材料碳當量為0.43%，大于0.4%，有一定的淬硬傾向[1]，尤其隨著板厚增加，焊接接頭裂紋傾向明顯增加，生產中必須所采用合適的焊接工藝，方可保證焊接質量。

根據海上風電塔筒焊接量大，主要為單節縱向對接焊縫和相鄰單節間環向對接焊縫， 這些對接焊縫占到焊縫總量的96%以上，采用科學合理的埋弧自動焊焊接工藝，在保證塔筒焊縫高質量要求前提下，能夠充分發揮埋弧焊焊接電流大，熔深大，焊接速度快，焊接效率高的優勢[1]。

綜合考慮，海上風電塔筒選用H10Mn2 高錳焊絲。 選用高堿度燒結焊劑SJ101，力學性能好，特別是低溫沖擊韌性容易保證，對保證焊縫質量非常有益。

3 焊接工藝評定

3.1 坡口制備

焊接工藝評定試板材質Q355E， 選做3 種不同厚板鋼板試板，其中試板編號PD-1 板厚16 mm 的鋼板采用I形坡口，其中對；試板編號PD-2 板厚20 mm 的鋼板采用Y 形坡口， 試板編號PD-3 板厚60 mm 的鋼板采用X 形坡口，分別如圖1（a）、（b） 、（c）所示。

圖1 坡口形式Fig.1 Welding groove form

3.2 焊接工藝參數

埋弧焊的焊接電流、 電弧電壓和焊接速度等焊接工藝參數決定著熔池形狀和焊縫的形狀， 直接影響著焊縫成形系數和熔合比，其直接決定著焊接的質量。在保證質量的前提下，力求較高的生產效率，消耗較低的電能和較少的焊接材料。綜合各方面因素，擬定焊接工藝參數如表1 所示。

表1 埋弧焊試驗工藝參數Tab.1 Submerged arc welding test process parameters

3.3 焊接接頭力學性能檢測

對試板進行焊接接頭力學性能檢測， 檢測結果見表2。綜合來看，焊接接頭的拉伸試驗、彎曲試驗和夏比沖擊試驗各項性能指標較好，具有良好的綜合機械性能，符合NB/T 47014 焊接工藝評定規定。

表2 焊接接頭力學性能Tab.2 Mechanical properties of welded joints

4 實際生產中存在問題及解決改進措施

4.1 實際生產中存在的問題

雖然焊接工藝評定全部合格， 但在海上風電塔筒實際焊接生產中存在以下典型問題：

（1）塔筒形體尺寸大，大部分高度在7m 以上，長度在20m 以上，焊接生產高空作業作業風險高。

（2）法蘭焊接變形控制要求高，頂法蘭平面度要求小于0.5mm，其余法蘭小于2.0mm；法蘭同軸度小于2.0mm；法蘭平面度小于2.0mm。

（3）超過36mm 以上厚板多，焊接控制難度較大。

4.2 解決改進措施

（1）焊接生產高空作業作業。針對大功率海上風電塔筒在外側縫焊接過程中， 作業人員在6m～9m 處高空作業，且塔筒處于旋轉運動狀態[3]，焊機和作業人員存在高空墜落的風險。我公司研發了以下輔助焊接工裝設備，很好降低了高空作業風險。 ①海上風電龍門式風電塔筒焊接平臺；②利用車間立柱海上風電塔筒的多功能焊接機架；③利用十字臂式焊接操作機焊接。

由懸臂式埋弧操作機和在地面上固定的行走軌道組成。在空間較大的車間應用比較方便，僅一名操作人員站在架體頂部操作，存在一定安全風險。

（2）法蘭焊接變形控制。①通過法蘭加工預設內傾， 焊接前須將同規格的兩節帶法蘭筒體用工藝螺栓把合在一起，內側加塞1～2mm 墊片，將螺栓緊固好后方可焊接；②合理焊接順序：先焊接內側焊縫，外側清根后再焊接，并根據焊接變形情況， 隨時調整焊接順序。

（3）超過36mm 以上厚板焊接控制。 ①焊前預熱：對厚板焊接，焊前應進行80℃～150℃的預熱，當施焊環境溫度低于0℃時，應將預熱溫度提高到100℃～150℃。 焊前預熱能夠降低焊后冷卻速度，避免出現淬硬組織，減小焊接應力；②采用合理工藝參數多層多道焊接：參與經工藝評定合格的焊接工藝參數，嚴格控制焊接線能量，多層多道焊每層厚度為4mm 左右，打底層厚度5～7mm，寬度超過12mm 分道焊接。 如60mm 鋼板正面分8 層12 道焊接，背面清根后分6 層8 道焊接，多層多道焊，可合理減小焊接線能量，從而有效控制焊接變形和焊接應力；③重視工藝紀律執行： 如：SJ101 焊劑使用前經350℃保溫，2h烘干；縱向焊縫兩端必須安裝長度不小于150 mm 的引弧板、熄弧板；外環縫焊接時，焊絲25～40mm 的偏移量；碳弧氣刨清理根部， 用砂輪打磨平滑并清理氣刨的玷污部位等，這些工藝細節都會對焊接質量有影響。

5 焊接檢驗

5.1 焊縫外觀檢查

焊縫表面不允許有裂紋、夾渣、氣孔、漏焊、燒穿和未熔合等缺陷，需符合《鋼結構焊縫外形尺寸》等規范的規定。

5.2 無損檢測

筒體縱、環焊縫100%超聲波探傷，應符合NB/T 47013的I 級要求。 100%“T”型縱縫與環縫接頭TOFD 探傷。

5.3 產品焊接試板

5 臺為一批，每批中抽一臺制作產品焊接試板，以同鋼號、同厚度、同焊接工藝，按設計圖樣批量生產的塔筒，產品焊接試板試驗結果全部合格，說明焊接工藝有效。

圖2 法蘭平面度、內傾度測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of flange flatness and inclination measurement

5.4 對法蘭平面度、內傾度測量

如圖2 所示，CLA-7-X-X 法蘭內傾度0.75mm， 平面度1.55mm， 符合規范要求，說明法蘭焊接變形控制措施有效。

6 結束語

海上風電大功率塔筒尺寸大， 質量要求高， 根據Q355E 材料特點，選用合適的焊接材料，選擇預熱溫度，選取合適的焊接工藝參數、焊接線能量，焊接工藝評定合格，應用于生產制造，焊接一次驗收合格率達99.98%以上，保證了海上風電大功率塔筒正常投入使用，發揮了埋弧自動焊的自身優勢，工作效率高，焊接質量好，并總結了海上風電塔筒焊接工藝，對海上風電同行有借鑒意義。