風力發電塔架法蘭與筒體焊接變形預防控制技術分析

完海濤

中國水電四局（福清）裝備工程有限公司 福建福清 350300

風電機組在結構組成上由直形筒體、錐形筒體、基礎環組成，與法蘭進行安全連接組成風力發電塔架。因每段塔架由滾制筒體與連接法蘭焊接形成，導致該塔架在運行應用過程會承受較多作用力影響而出現質量缺陷問題。舉例而言，風力作用于葉輪上的推力、扭矩以及彎矩力等，再加上現場工作環境較為復雜，促使如何控制塔架兩端連接法蘭焊接質量以及平面度問題基本上可以視為塔架制作過程予以重點克服的難點問題[1]。結合當前應用實踐情況來看，為加強對法蘭變形問題的預防與控制，工作人員可在采購法蘭時預留好內傾量問題。并在此基礎上，在焊接階段利用對把焊接方法，保證法蘭間的夾墊片得以緊固化，減少法蘭平面度以及內傾度變形問題出現。

1 風力發電塔架法蘭設計原則及變形成因分析

1.1 法蘭平面度、內傾度設計要求

對于風電塔筒上段頂部法蘭總裝設計而言，因其往往與風電機組機艙推力軸承相連接應用，促使其在裝焊形位公差控制要求方面相對嚴格。結合現場設計經驗來看，風電機組塔架焊接處理之后，法蘭平面度要求需要控制在0.5mm左右。同時，基礎環上法蘭平面度要求為1.5mm，其余法蘭平面度要求為2mm。除此之外，對于法蘭焊后內傾度而言，頂法蘭內傾度應該控制在0mm～0.5mm、其余內傾度應該控制在0mm～1.5mm。

1.2 法蘭焊接變形成因

法蘭與筒體進行環縫焊接操作時，法蘭坡口均表現為內側坡口。鑒于這一特點，現場操作人員在焊接順序的確立上，應該為先焊完內側再焊外側。在焊接操作過程中，因焊縫與焊縫附近法蘭在脖頸溫度方面表現較高，且在無約束狀態下，法蘭容易受熱且迅速膨脹。其中，當焊縫溫度逐漸趨于冷卻化發展時，連接法蘭會受到自身厚度問題的影響，與焊縫冷卻速度不一致[2]。

與此同時，法蘭熱影區溫度冷卻相對緩慢，可能會導致焊縫區域在冷卻期間所產生的收縮應力難以得到有效抵消處理。也就是說，法蘭會在熱影響區的作用下而產生膨脹應力。除此之外，當法蘭與筒體組對時，可能會出現間隙過大或者法蘭放置不平的現象，在焊接操作過程中，法蘭面容易出現波浪變形問題。當波浪變形問題表現過于明顯時，可能會引發法蘭面焊接后平面度以及橢圓度較差的問題。

2 風力發電塔架法蘭與筒體焊接變形預防控制技術方法及相關研究

2.1 法蘭采購期間做好內傾量的預留工作

風電機組在頂部法蘭焊前平整度要求的控制上，應該設計為0.35mm。其中，焊后頂部法蘭平面度需要控制為0.5mm、內傾度為0mm～0.5mm。其中，為全面提高塔筒法蘭內傾量一次生產合格率，現場操作人員經反復試驗最終確定成品法蘭預留內傾量，分別為頂法蘭1.50+0.2mm、其余法蘭20+0.5mm。

針對于此，建議在采購法蘭時應該事先對法蘭進行內傾量預留處理，目的在于預留焊接反變形。結合現場反饋情況來看，通過利用上述工藝改進方法，現場法蘭與筒體焊接后內傾度在一次合格率方面已經高達97%，有效提升了現場生產效率以及經濟效益[3]。

2.2 合理運用對把固定法控制法蘭角變形問題

為確保法蘭焊接后可以滿足塔架制造技術要求，現場操作人員需要在連接法蘭時將用于把緊加厚的墊片進行焊接變形控制。一般來說，用于連接法蘭把緊的墊片在加厚度控制方面，應該保證在2mm～3mm之間。其中，墊片數量應該不少于6個。在墊片處理方面，操作人員應該在2個墊片中間利用定位銷進行連接處理。與此同時，頂法蘭把緊加厚度應該控制在1.5mm～2.0mm之間，并利用相應厚度的墊片進行焊接變形控制。

其中，墊片數量不少于6個，在處理方法上與上述相同。從客觀角度上來講，加定位銷的主要目的在于便于后續拆卸方便。最重要的是，可加強對法蘭間隙量以及波浪變形問題的控制。除此之外，現場操作人員應該嚴格恪守自身的操作行為，按照規范操作要求以及利用科學合理的方法措施解決法蘭角變形問題[4]。

2.3 科學確定法蘭環縫焊接順序

因連接法蘭面要求為內傾外平，導致其在安裝操作時需要利用高強度螺栓加強預緊力。這樣一來，法蘭不允許外翻。但是結合實際情況來看，焊縫坡口為內側坡口，很容易出現法蘭外翻問題。為徹底解決法蘭外翻問題帶來的不良影響，現場操作人員應該結合焊接工藝順序，利用分層交替施焊方法進行針對性操作。舉例而言，在焊接操作時，操作人員應該針對次道焊縫一次完成。

其中，焊接操作期間不允許間斷，并且保證其受熱均勻。當焊道冷卻時，操作人員應該利用緊固螺栓功能優勢，加強對法蘭變形問題的控制管理，以確保其平面度符合要求。除此之外，為加強施焊操作過程的科學性與合理性，現場操作人員應該根據塔架與頂法蘭相連接的筒體鋼板板厚情況，完成施焊操作過程，以確保法蘭平面度與內傾度得以深化加強[5]。

需要注意的是，在法蘭環縫焊接順序的確定上，現場操作人員應該根據風電機組實際運行需求，對風力發電塔架法蘭與筒體焊接變形影響因素進行精準識別并加強預防管理，以提高焊接變形預防控制效果。為避免出現施焊隱患問題，操作人員應該加強對施焊操作流程的控制管理，以避免對后續應用過程造成不良影響。

2.4 應用效果與效益分析

結合當前應用推廣情況來看，部分風電廠通過利用上述變形預防控制技術及相關方法，可初步達成預期的效益目標。舉例而言，目前已應該技術方法的工程有節能昌馬第一風電場16套、華電黑崖子風電場二期工程15套、華電苦水第一風電場34套。經不完全的統計調查顯示，累計完成3MW塔架149套。從經濟效益上來看，上述技術方法可有效遏制法蘭焊接變形問題，同時也可以規避法蘭焊接期間存在的質量缺陷問題。

綜合來看，上述技術方法的推廣與應用，在一定程度上可以保障出廠產品合格率，同時也可以有效縮短工期，非常利于深化現場生產效益。且從數據結果上來看，經與市場部共同核算分析得知，該技術在工程實踐中取得良好收益，如可高達近200萬元。針對于此，建議風電廠管理人員應該高度重視該項技術內容。最好可以按照統籌規劃與合理部署原則，確保該項技術內容得以精準貫徹與落實。

3 風力發電塔架法蘭與筒體焊接變形預防控制管理措施及相關建議

3.1 掌握風機塔蘭焊接指標要素，做好細節處理工作

對于風力發電塔架法蘭焊接工作而言，現場操作人員需要重點針對法蘭平面度、法蘭角變形（內傾量）以及法蘭橢圓度等關鍵指標要素進行重點把握。結合當前風電塔架法蘭應情況來看，大多數風電塔架在法蘭的選用上主要以高頸法蘭為主。究其原因，主要是因為高頸法蘭對法蘭平面度以及法蘭變形控制比較有利。因此在焊接施工過程中，現場操作人員應該準確掌握風機塔蘭焊接指標要素，并做好細節處理工作。舉例而言，現場操作人員應該對互相連接的一對法蘭進行對把焊接處理。因對把后剛性增強，對于上述三項指標比較有利；因法蘭要求內傾，促使對施焊順序有嚴格要求。結合以往的經驗來看，在施焊順序的確立上，一般多以先焊內側、后焊外側為主。在焊接方法的選擇上，可根據焊接方法進行合理確定；施焊過程需要不間斷一次焊完，防止因法蘭受熱不均勻而對上述三項指標造成不利影響。在具體焊接處理過程中，現場操作人員可按照以下原則要求完成風電塔架法蘭與筒體的高質量焊接過程。

一方面，對于風電塔架法蘭與筒體的焊接工作而言，現場操作人員必須確保單節筒節端面必須保持一定的平面度，確保筒體始終與法蘭組始終處于無間隙組對關系。如果組對完有間隙問題，現場操作人員需要采取加強措施進行針對性處理。需要注意的是，在焊接處理時，現場操作人員應該按照先焊接內側再焊接外側的順序進行針對性處理。其中，焊接順序并不是固定不變的，可根據實際情況對焊接順序進行適當調節。需要注意的是，為防止焊后法蘭出現外傾或者內傾不超標問題，建議現場操作人員應該一次焊接完畢，且中途不要存在停焊問題。

另一方面，如果焊接工作結束之后存在內傾超標問題，建議現場操作人員可利用火焰在外側進行校正處理。舉例而言，操作人員可利用碳弧氣刨方式對外側焊縫進行針對性處理。與此同時，如果產生明顯外傾現象，現場操作人員可根據外清程度表現，采用碳弧氣刨方式去除焊縫。需要注意的是，在操作處理過程中，操作人員應該根據現場焊接規范要求，選擇合適的方法進行針對性處理。因某些公司在規范上不允許火焰校正，建議現場操作人員可根據公司規定情況，選擇合適的方法進行應用處理。

除此之外，某些塔架制作廠家組對時存在間隙不均勻問題，針對這一問題，現場操作人員應該在塔架安裝過程中對現場材料質量問題進行嚴格檢測。確保材料質量無誤之后，按照科學合理的方式進行焊接操作處理。焊接工作結束之后，現場操作人員需要測量法蘭平面度是否符合規范要求。可以說，風力發電塔架法蘭與筒體焊接過程中所涉及到的控制要點較多，建議現場操作人員可結合實際情況規范個人的操作行為，避免出現操作失誤問題。

3.2 按照質量安全管控原則，加強對現場焊接作業的集中化管理

風力發電塔架法蘭與筒體焊接變形控制施工所涉及到的流程內容較多，在施工操作期間，現場操作人員應該嚴格規范個人的操作行為。并按照質量安全管控原則，加強對現場焊接作業的集中化管理。一方面，現場操作人員應該深刻意識到自身崗位職責的重要性。對于當前風力發電塔架法蘭與筒體焊接期間存在的變形問題進行精準識別與科學預防。主要可以根據變形問題具體表現及成因，采取針對性措施加以處理。與此同時，現場操作人員應該主動結合風力發電塔架法蘭與筒體焊接施工期間所涉及到的要點內容進行統籌規劃與合理部署，制定控制變形問題的方案措施。除此之外，現場操作人員在焊接處理過程中應該深刻意識到質量管理以及安全管理的重要性。因此在焊接處理期間，建議現場操作人員應該深化個人的質量管理意識以及安全管理意識，對焊接施工期間所涉及到的風險問題進行提前預防與管理，以避免出現焊接失誤問題。

另一方面，在正式開工之前，相關負責人員應該對參與施工的各方責任主體所涉及到的資質能力情況以及從業素質情況進行審查。根據審查結果，明確當前焊接隊伍建設情況以及專業素質情況。在開工之后，相關負責人員應該對施工單監理單位所制定的方案內容進行反復審查。一旦發現某些細節要給存在不符合規范要求的情況，建議相關負責人員應該對其進行針對性整改。除此之外，對于風力發電塔架法蘭以及筒體焊接施工期間所涉及到的關鍵工序內容，建議相關負責人員應該加強驗收監督管理力度。需要注意的是，在現場焊接施工過程中，現場參建人員應該主動承擔起自身的崗位職責，按照質量優先與綜合治理的理念原則，對施工現場所涉及到的焊接要點以及注意事項進行合理把握。一旦發現現場焊接施工期間存在質量缺陷問題，操作人員必須結合缺陷問題具體表現及成因，采取針對性措施加以消除。這樣一來，基本上可以為風力發電塔架法蘭及筒體焊接施工提供良好的質量保障。

4 結語

總而言之，為加強對風力發電塔架法蘭與筒體焊接變形問題的預防與控制，建議工作人員應該適當改進風力發電塔筒法蘭以及筒體焊接工藝。最好可以主動從成因識別以及預防管理等層面入手，嚴格按照控制變形方法，有效提高法蘭平面度以及內傾度一次性合格率。這樣一來，不僅可以全面提高現場生產效率，同時也可以有效降低成本。最重要的是，與其他方法相較而言，這種操作方法具有較強的可操作性，并且可以很好地對法蘭焊接質量進行有效控制，保證工程工期可以在規定時間內完成。