風力發電機組塔架設備質量控制探討

彭凌云， 朱鍇年

（1.中國水電工程顧問集團有限公司中南分公司， 湖南長沙 410001；2.中國水利水電第四工程局有限公司， 甘肅蘭州 730050）

0 引言

風力發電早已經從“補充能源”向“戰略替代能源”的方向轉變，是推動能源轉型的重要力量[1]。 國家相繼出臺相關政策支持風力發電、 光伏等可再生能源發展，助力“3060”能源碳達峰、碳中和目標早日實現。 同時，2021 年起，陸上風力發電邁入“十四五”周期，正式開啟“平價時代”。

隨著中高風速的優質風電資源越來越少， 風力發電技術的快速發展，低風速區風電場的開發越來越大。為了提高風資源利用率，發電機組越來越大型化，支撐風力發電機組的塔架越來越高， 目前高塔架在160m 以上已經也應用。同時，隨著風力發電技術的快速發展進步，在“平價時代”成本的倒逼，支撐風力發電機組的塔架，風電塔架設計裕度和安全系系數也越來越小。 風力發電機組塔架是支撐數百噸重機組的關鍵設備， 不僅對機組起支撐作用，而且吸收機組震動，受力復雜，這些都對風力發電機組塔架提出了很高要求。 本人作為新能源開發建設者，非常關注設備質量， 尤其風力發電機組塔架質量對風電開發項目的影響至關重要，就此開展研究討論。

筆者作為一名風力發電開發的管理人員， 對風電塔筒設備質量非常重視，以湖南歐陽海風電場為例，一期工程設計安裝20 臺單機容量為2.5MW 的風力發電機組，配套風電塔架分為5 段，不含基礎段總高度87300mm，底段最大直徑4800mm，頂段最小直徑3360mm。塔架材質為Q355MD 鋼板，連接法蘭為S355ND-Z35 鍛造成品法蘭。

1 塔架制造單位的選擇

風力發電機組塔架形體尺寸大，質量要求高，對風電塔架生產制造單位選擇至關重要， 生產單位至少具備以下條件：

（1）塔架制造企業有完善的質量保證體系，通過ISO9001系列質量管理體系認證， 并應取得壓力容器制造資質或特種設備生產資質。

（2）具備履行合同所需的技術、生產能力和檢測能力。生產廠房車間、噴涂車間滿足生產需要。

（3）卷板機、數控切割機、埋弧自動焊機、起重機器、場內物流平板車等制造生產設備滿足要求。

（4）主要管理人員及相關從業人員資質（焊接人員、探傷人員、 起重人員、行車操作人員等）配置情況，能夠滿足制造要求。

（5）塔架制造企業有豐富生產業績及經驗，近3 年來風電塔架業績至少在200 套以上。

（6）有優質的綜合評價售后服務能力，包括到場響應速度、服務意識、問題處理的專業性與及時性及誠信度等方面。

另外，由于風電塔架尺寸超大，重量超重，還有綜合與項目所在地的距離、 運輸情況及廠家生產保證能力等綜合考慮。

2 原材料質量控制

根據風電塔架結構，嚴格把好鋼板、法蘭、焊材等原材料質量關。 采購鋼板、法蘭、附件等物資首選合同要求的廠商、品牌（經評審合格供應商）；根據圖紙，合同及技術協議等文件要求編制材料采購計劃， 尤其對鋼板探傷級別、板厚偏差、熱處理狀態、尺寸等要求要明確，確保采購計劃的正確性； 采購進廠物資按要求進行外觀尺寸檢查，對有第三方復檢要求的，應及時送交有資質第三方檢測機構進行檢測，檢測合格方可投產；原材料每批須經質量部門驗證，確保質量有效控制，有記錄完整；原材料在生產過程要保證質量信息追溯性。

2.1 筒體鋼板材料

筒體鋼板材質為Q355MD， 對鋼板進行表面外觀尺寸及厚度驗收，并超聲波探傷檢查，按爐號和批次分別取樣由有資質的第三方做化學成分和力學性能檢驗， 合格后方可使用，其中5 個規格鋼板力學性能復檢結果見表1。

表1 鋼板的力學性能復驗結果

2.2 焊接材料

所選的焊材必須與母材相匹配， 根據焊接工藝評定確定型號。筒體縱縫、環縫以及與法蘭連接焊縫均采用埋弧自動焊焊接，焊絲：H10Mn2，直徑φ4.0，焊劑：HJ101。連接附件塔筒之間焊接采用CO2氣體保護焊進行焊接，焊絲ER50-6。門框對接及與筒體組合角焊縫采用藥芯焊絲氣體保護焊，焊絲E501T-1。 焊材進廠按批次做焊接材料的化學成分及力學性能復驗， 并應由有資質的第三方出具檢測報告，合格后方可使用。

2.3 塔架法蘭材料

法蘭采用整體鍛造，材質Q355ND-Z35，法蘭材料必須按不同爐號進行復驗， 材料應具備完整的質量證明文件[2]。 對法蘭廠提供的其中3 件隨貨鍛件試樣進行復驗，其結果見表2。另外，需要對法蘭復驗項目有：化學成分、顯微組織、 晶粒度、 非金屬夾雜物、 力學性能、 超聲波探傷、磁粉探傷等無損檢測。

表2 法蘭試樣的力學性能復驗結果

（1）尺寸檢查。 法蘭經機械精細加工后，尺寸符合圖紙，孔位保證100%互換性，法蘭制造偏差符合，生產批號：SCQY-FB-2021-112-6-0003 底法蘭抽檢記錄見表3。

表3 法蘭進廠尺寸復驗記錄（mm）

（2）無損探傷檢查。法蘭入廠根據NB/T 47013.3 的I級進行100%超聲波檢驗。根據NB/T 47013.4 I 級要求進行磁粉檢測，脖頸根部內外100%逐片檢驗， 其余按總量20%抽檢。

3 生產質量控制重點

3.1 焊接質量控制

焊接質量是塔架質量控制重點。

（1）焊接工藝評定。 通過焊接工藝評定試驗，確定適用于Q355MD 的埋弧自動焊、手工焊焊接工藝，使焊接接頭機械性能滿足滿足設計要求，并確定焊接材料。根據歐陽海項目風電塔架制造方案，NB/T47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》及塔架有關技術要求。

（2）焊接工藝。 根據評定合格的焊接工藝評定報告，充分考慮焊件基本情況、設備能力、焊縫質量保證、焊接生產效率、焊接變形、工藝操作情況等因素綜合考慮[3]，結合生產實際編制焊接工藝卡。 塔架焊縫絕大部分焊縫如塔架筒體縱縫、環縫對接、筒體與法蘭環縫對接等焊縫，均屬對接直焊縫或連續環縫，采用埋弧自動焊工藝，對保證焊縫質量和提高生產效率非常顯著， 該焊縫占焊接總總長度95%以上，嚴格按照焊接工藝進行例。

（3）焊接生產。焊接人員的操作能力是焊接工作質量的重要保障。 焊接人員只有具備上崗資格且責任心強的專業人員才能上崗。 通過作業人員好的工作質量切實提高工作效率和焊接產品質量。專職質檢員從焊前準備、焊接過程控制、焊縫外觀檢查進行全程監督檢查，確保塔筒關鍵工序在受控狀態[4]。焊接嚴格按照焊接工藝規程和焊接工藝評定參數執行。 對預熱要求所有焊縫進行焊前預熱。 做好每批次產品焊接試板檢驗。

（4）焊接質量檢驗。 ①所有焊縫外觀檢查：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，焊縫外形尺寸超出規定值時，應進行修磨合格；②無損檢測：除內附件焊縫外，所有焊縫按NB/T 47013-2015 I 級超聲波探傷合格，所有縱縫和環縫“T”型接頭射線探傷必須布片兩張，縱縫和環縫位置各一張。塔筒法蘭和筒體之間環向焊縫100%MT 檢查；按照JB 4730 進行，驗收等級為I 級[5]；③產品焊接試板：連續生產時，每10 套風電塔架抽一套制作產品焊接試板， 試板與產品同材質、 同厚度、同一爐批號，連接在縱縫端部同時焊接，焊接產品試板做力學性能試驗。 其中第一批埋弧自動焊（SAW）焊接產品試板結果見表4。

表4 焊接產品試板檢測結果

3.2 變形控制

法蘭平面度、內傾度采用激光測平儀檢測，頂法蘭平面度、內傾度允許偏差≤0.5mm，中部連接法蘭≤2.0mm。

兩端法蘭焊接后平行度、 同軸度中心檢查法中心不便找準，操作繁瑣，影響因素多，不廣泛使用。通常采用如下方法，如圖1 所示，分別用10kg 拉力測量風電塔架：

圖1 風電塔架平行度和同軸度檢查示意圖

（1） 外側四個象限斜邊長度： A1A2、B1B2、 C1C2、D1D2，相對偏差小于2.0mm。

（2）上下法蘭端面中心圓與四個象限軸線交叉點處對角線相對差：A1C2、B1D2、C1A2、D1B2， 相對偏差小于3.0mm為合格。

3.3 防腐蝕

防腐蝕質量的優劣直接影響塔筒的使用壽命和美觀程度，因此，對防腐質量的控制不容忽視。 防腐作業為隱蔽工程，且均由專業的合作單位承擔。 對噴砂、噴漆各工序必須經專職質檢員，進行100%檢驗，嚴查防腐作業人員弄虛作假的行為，確保塔筒在20 年內的油漆質量。

（1）噴砂除銹的質量控制：塔筒及附件焊接完畢后整體進行噴砂除銹， 嚴格的表面處理是決定涂層壽命諸多因素中的首要因素。 一般塔筒防腐中噴砂除銹的等級為Sa2.5 級， 首先噴砂前應先除去焊縫熔流、焊渣、油脂等殘留物， 其次應對塔筒內部附件中難以噴砂處理的部分進行提前噴砂和預凃，保證不漏過。

（2）防腐檢驗控制包括：粗糙度檢驗、涂漆厚度檢驗、附著力檢驗、人工老化試驗、視覺檢查、光澤度等。

4 結束語

在歐陽海等5 風電項目風電塔架設備制造過程中，嚴格每個工序質量控制，對重點環節嚴格管控，塔架產品質量優良，為項目順利實施奠定了基礎，為同類設備質量管控提供借鑒。