新能源風電塔筒制作中幾個重難點問題探討

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 原材料的質量控制

目前國內風電主要的幾個主機廠家，如：遠景、金風、運達、中車等機型，塔筒本體材料為：Q355D、Q355E、Q355ND、Q355NE 等，門框、法蘭材質大部分為Q355ND-Z35、Q355NE-Z35。原材料質量直接影響塔筒后期的安全穩定運行，是關系整個工程質量的重點，下面就原材料質量控制幾個關鍵點進行探討。

1.1 設計參數、制造規范

塔筒本體、法蘭以及門框等每一個部位的原材料使用均是經過設計反復試驗研究確定，材料的強度等級、力學性能、化學成分等技術參數尤為重要。項目之初，一定要仔細研究設計給予的技術參數及制造規范，準確的掌握其不同材質所要求的力學性能參數、化學成分含量等技術要求，以便編制采購技術規范，確保材料采購要求的準確性與完整性。

1.2 原材料進廠檢驗

（1）原材料進廠后，物資采購部應與工程技術質量人員進行聯合驗收，材料要求有完整合格的產品出廠證明，塔筒本體板材、法蘭等必須附有產品質量證明書等。

（2）應按要求逐張進行幾何尺寸及表面質量的檢查，除滿足技術規范外，板厚偏差應滿足GB/T 709-2019《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》中的相關要求，表面質量應符合GB/T 3274-2017《碳素結構鋼和低合金結構鋼熱軋鋼板和鋼帶》相關要求。筒體用鋼板廠內按照批次總數量的10% 進行100% 的復檢，按NB/T 47013.3-2015《承壓設備無損檢測第3 部分：超聲檢測》標準進行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算），如有一張板不合格，必須每張同批次板都進行復檢；門框用鋼板逐張按NB/T 47013.3-2015 標準進行100%UT檢測，TI 級為合格。

（3）鋼板按爐號進行化學成分、按不同板厚及不同批號進行力學性能的檢驗，化學成分應覆蓋100%的爐號，力學性能應覆蓋100%批號，同時按爐批號留存一份備用樣品，檢驗標準除符合設計規范還應滿足NB/T 47013-2015《承壓設備無損檢測》的相關要求。

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

上述工作完成后，按表1 提交相關資料。

表1 原材料檢驗提交資料清單表

2 焊接工藝評定與焊接

2.1 焊接工藝評定

焊接工藝評定是驗證焊接接頭性能是否滿足要求的具體舉措，確認焊接工藝指導書的正確性與合理性，是保證焊接質量的關鍵，用于指導焊接工藝指導書、焊接工藝卡編制的依據，必須有具備相應資質的單位實施焊接工藝評定試驗。

風電塔筒單管節縱縫、筒體環縫、門框焊縫等開焊之前應嚴格按要求進行焊接工藝評定試驗，結合母材的特性選定焊材、焊劑并編制焊接工藝規程（WPS），焊接工藝規程包含內容見表2。

表2 焊接工藝規程（WPS）包含內容

根據已編制的焊接工藝規程組織實施焊接工藝評定試驗，焊接工藝評定試驗應安排有資質的人員實施（注：焊接人員、無損檢測人員、試驗人員、焊接工程師等）；過程中安排專人監控，嚴格按工藝規程實施，并記錄下所有的焊接參數，焊接后按規范進行無損檢測，檢測合格后進行力學性能、化學成分的檢測。

上述工作完成后形成焊接工藝評定報告，同時編制焊接作業指導書進行交底后實施。

2.2 焊接方法

目前，風電塔筒法蘭環縫和筒體環縫焊接時均采用傳統焊接工藝，焊縫內側焊接完成后，需對外側進行碳弧氣刨清根、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強度，施工成本也較高，同時焊接工序時間較長直接影響到項目履約工期。通過不斷的摸索與經驗總結，對碳弧氣刨清根、打磨這一工序進行優化研究，形成了無碳刨雙絲埋弧自動焊接工藝，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，筒節與筒節對接按照中徑對齊，不同板厚若厚差大于4 mm 時，內外側開過渡坡口，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焊接，焊接電流極性采用直流反接，焊前嚴格控制好組對間隙、錯臺，先采用氣保焊進行打底焊接，再采用雙絲埋弧焊進行多層多道焊接，最后進行蓋面焊接，見圖2。上述多層多道焊接時焊接電流為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，焊接時結合母材特性選擇相適應的焊材與焊條，通常為H10Mn2/SG101，焊接工藝參數見圖3。

圖2 焊接填充示意圖

圖3 焊接參數圖

該施工方法的研究，有效的減輕焊工勞動強度、降低施工成本，同時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、保護氣體），必須有產品合格證和清晰牢固的標記，并經焊接工藝評定試驗合格；焊材應儲藏在通風干燥的一級庫，庫內溫度不得低于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，以免焊材發生受潮而影響焊接質量；焊劑在使用前應按照其使用說明書進行烘干，烘焙時間與要求詳見表3，焊條、焊劑暴露在大氣時間一般不得超過4 h，否則應該重新烘焙，在實施焊接過程中，應遵循先進先出原則，并有完整的出入庫記錄。

表3 焊劑的烘焙要求

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

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

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

（5）焊前預熱：塔筒縱縫、環縫焊接應預熱，可采用火焰加熱進行預熱，預熱范圍控制焊縫及邊沿位置100 mm，預熱溫度為80℃，當板厚大于30 mm 時預熱溫度應控制在80℃~150℃。

（6）焊接條件：焊接環境溫度應大于5℃，否則應進行加熱，相對濕度小于90% ，當遇到雨雪、風速過大等惡劣天氣時應及時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

國內陸上風電塔筒普遍由4 段或5 段組成，筒節之間通過法蘭把合連接，其法蘭平面度是塔筒制造一項非常重要的質量指標。目前因平面度控制不好表現的主要問題有：塔筒安裝后節間法蘭存在間隙，不滿足設計規范要求；安裝時把合螺栓無法正常穿戴，部分把合螺栓雖然勉強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，給風電塔筒后期的安全穩定運行帶來較大隱患。

塔架上段上法蘭焊接后要求平面度在0.5 mm以內（不允許外翻且內傾≤0.8 mm）；T 型法蘭檢測3 圈（內圈、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（不允許外翻且內傾≤1.5 mm）。平面度不滿足要求時不允許火焰直接加熱法蘭或焊縫進行校正，采用火焰校正工藝時溫度不得超過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行測量，采用三點法將三點處的激光都調整到靶中央環，利用激光發射器對平度進行全面測量，精度高、效率快、數據直觀。

3.2 法蘭平面度控制方法

（1）法蘭加工控制：坡口的加工，嚴格按照制造工藝的坡口型式執行，具體為：采用內大外小6∶4的坡口型式，鈍邊預留2 mm，除底法蘭外其余法蘭平面加工需保證內傾值0~1 mm，不允許法蘭加工出現外翻現象。

（2）焊接工藝控制：焊接嚴格按照本文所述的2.2節焊接方法實施，所有焊接人員均持證并經過詳細完善的技術交底后方能上崗。

（3）火焰校型控制：大段筒節焊接完成后經測量若法蘭平面度存在超標現象，應采用火焰校型的方法進行校正，法蘭內傾值過大，應如圖4 示意方法進行火焰校正，法蘭存在外翻時，應如圖5 示意方法進行火焰校正，校正時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

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

（2）焊縫外觀應滿足設計圖紙要求，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符合圖紙要求。

（3）無損探傷要求應按壓力容器無檢測標準NB/T 47013-2015 執行，檢測單位和人員應有相應的資質并報備。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 進行，鋼板大于60 mm 的焊縫無損檢測時間必須在焊接完成后72 h 進行，以此保證焊縫內應力的完全釋放，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）油漆質量不合格，噴涂使用的油漆不滿足設計圖紙和制造規范要求，油漆進廠后未按要求查詢產品合格證和質量證明文件，未進行拉拔試驗檢查等；

（2）噴砂后，表面粗糙度、清潔度等不滿足設計規范要求；

（3）施工工藝有問題或未按正確的噴涂工藝進行施工，施工設備問題等；

（4）施工作業環境不滿足要求而強行施工造成；

（5）施工人員技能水平不足或者質量意識不夠造成；

（6）設計考慮不充分，油漆不匹配，塔筒后期運行環境所造成。

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，表面處理達到Sa2.5 級，粗糙度為Rz40~70 μm；噴砂達不到的部位采用動力工具除銹達到St3 級；法蘭噴鋅面表面處理達到Sa3，粗糙度Rz70~130 μm；

4）噴砂用的壓縮空氣應保證清潔干燥、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準》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算方法》進行檢測，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螺紋孔；

7）表面處理后4 h 內，工件表面在返黃前應進行涂漆工作。噴砂后環境相對濕度保持在75% 以下，底漆開始時間可延長至6 h；噴砂后環境相對濕度保持在60%以下，底漆開始時間可延長至10 h。如果超過可允許的暴露時間或者工件表面有可見返銹現象，變濕或者被污染，應進行重新噴砂以達到質量標準。

（2）噴漆

1）表面處理后4 h 內須涂刷第一道漆，當溫度低于5℃或高于40℃時，應采取相應的工藝措施改變環境溫度才能實施油漆噴涂作業；

2）如果相對濕度超過85%或者鋼板溫度不高于露點3℃，不能進行噴漆作業的施工。當下雨下雪、表面有水有冰或者大霧時，不能進行噴漆作業施工。面漆在施工時，相對濕度應該控制在80%以內，以免表面失光發花；

3）光澤度要求：產品光澤度60°角度測量55~80 GU；

4）首套塔架需制作拉拔試驗試板進行實驗，后續每10 套/次油漆試板拉拔試驗；

5）修補養護：涂層涂裝完畢后，對涂層進行檢查及修補，涂層涂裝好8 h 內不得淋雨，轉運時應防止損傷涂層，工人不得踩踏工件；

6）塔筒內焊接附件、邊緣、轉角處在正式噴涂前須預涂。

6 結束語

隨著二十大的召開，綠色化、低碳化發展是實現高質量發展的關鍵，風力發電作為一種可再生清潔能源，近年來風力發電裝機容量和數量均實現了連續性增長，對減少碳排放和改善環境發揮了重要作用，風力發電機組的安全穩定運行及其重要，通過不斷的總結和創新研究，不斷的對新技術、新工藝、新材料以及新設備的實踐與探索，進一步提升風電塔筒制作工藝質量，提高我國在風力發電塔筒制作方面的技術水平。本文講述的創新工藝方法和幾個重難點問題探討，在項目實施過程中通過實踐證明可行，可為風電塔筒制作提供借鑒。