低溫條件下風力發電機組塔筒安裝質量控制研究

摘 要：風力發電機組塔筒是重要的電能傳輸設備，其在低溫條件下的安裝和質量監控特別重要，一旦發電機塔筒的安裝質量出現問題，則會影響整個風力發電系統的電能運輸狀況。基于此，著重分析低溫條件下風力發電機組塔筒焊接要點，總結低溫條件下風力發電機組塔筒安裝中存在的問題和解決方案，以減少風力發電系統可能會造成的安全事故和腐蝕隱患。

關鍵詞：低溫；風力發電機組；塔筒安裝；質量控制；策略研究

中圖分類號：TM621.3" " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2023）09-0064-04

0 引言

隨著越來越多的用電需求，伴隨著電力應用價值的不斷提升，風力發電系統能夠以可再生性和清潔性廣受好評。依靠基礎設施的安裝和建設，切實為人民群眾提供安全可靠的用電環境，全面做好發電機組的塔筒安裝和質量監測工作，能夠提升用電質量。

1 低溫條件對風力發電機組塔筒安裝的影響

風力發電機組塔筒的安裝在低溫條件下會產生新的影響和變化，由于低溫環境這一特性，導致空氣中的動力學性能發生變化，會直接影響塔筒的載荷性能。這種性能上的影響會讓塔筒在低氣溫下產生運行的安全隱患，一旦產生動力大幅度波動，會直接使塔筒造成穩定性故障和安全運行失調。

低溫環境還會對塔筒的材料性能造成低溫性能轉變放大材料的不穩定性，并且還會使整個筒體系統的性能大幅降低。性能的降低會使塔筒在實際工作中產生極大的運行動蕩，并且在長時間的工作中，極易發生倒塌事故，也很容易在后續維修時造成傷亡情況。

若是塔筒在低溫環境長期進行停運，則會增加機組的啟動困境，質量監控措施的缺少會讓整個塔筒系統難以進行質量承載，進一步降低電能輸送效率。當氣溫條件低于各種塔筒材料的正常工作溫度時，會產生異常反應，甚至會導致部分塔筒材料與筒體整體失衡，這種失衡現象會導致整體機構的矗立故障，帶來不可預測的安全風險，也為后續的安裝和運行維護增加難度。

2 低溫環境下風力發電機組塔筒的安裝工藝及要點

2.1 塔筒的安裝工藝流程

在低溫條件下，風力發電機塔筒的外觀要從整體設計出發，基本呈現為錐形，并且塔筒的基礎環與每段塔筒之間所采用的連接必須使用高強度螺栓。確保最下一節的塔筒下端留有人員操作門，確保能夠通過塔筒內部的安全護欄進行塔筒安裝工作，并且每一節塔筒上端要設計安裝、施工和休息專用平臺以及相關照明裝置，確保在低溫惡劣環境下能夠減少施工阻礙，提升施工效率。

一般情況下，風力發電機塔筒的安裝施工流程主要由布線和變頻柜以及后續的一系列安裝構成，低溫條件塔筒安裝流程如圖1所示。這樣的安裝方式能夠在低溫環境下產生很好的適應性，能夠根據低溫環境制定具體的塔筒安裝方案[1]。

2.2 塔筒的材料要求

在材料的選擇和檢驗方面，為了迎合低溫環境這一施工前提，針對鋼板的選購和法蘭等設置，要對外觀尺寸以及后續的結構性能綜合進行檢驗，確保在符合實際應用環節的前提下，提升與低溫環境的匹配狀態。檢驗過程中一般選取鋼板材料中總數量的10%進行后續檢驗，要確保檢測結果質量達到JB/T4730.3-2005II級，并且要針對法蘭外觀的環段進行外形檢測，采用UT檢測或MT檢測，其中UT檢測結果要符合JB/T4730.3I級，Mt則滿足JB/T4730.3II級即可。

在鋼板下料的環節里，要針對數控切割機械設備進行適當的工藝程序編輯，在確保檢驗無誤后，將程序輸入到數控設備當中，根據實際情況和低溫操作環境對尺寸進行檢查，確保長度和寬度的誤差在2 mm內，對角線誤差在3 mm內，并且要選取多個測試點進行材料堅硬度和工藝檢測，確保能夠使用的材料符合低溫工藝需求。對環縫和縱縫的焊接要做到瓦片的坡口切割，提高鋼板安裝質量。

針對塔筒卷板要在樣板尺寸準備前期進行長度對比，選出弦長1.2 m的標準樣板進行卷板機卷板，確保樣板和卷板之間的縫隙在2 mm內，并且保證卷板完成后進行二次校驗和加固，減少其由于低溫環境產生變形的事故概率。在加固的過程中也要對坡點的焊接處進行著重處理和平整度考量，加強整體安裝過程的便利性的同時，要充分滿足塔筒的低溫使用環境和安裝需求，對卷板的縱縫和焊接間隙做到嚴厲控制，一般情況來說控制在2 mm內，兩邊焊接的邊值差值在3 mm內，且圓柱度為dmax–dmin≤0.5d即可。

2.3 塔筒的整體防腐問題

一般來說，塔筒在焊接完畢后要對其進行整體防腐工作，以確保在低溫環境下延長塔筒的使用壽命和承載能力。塔筒的防腐工藝一般采用噴涂防腐涂料的方法，在表面溫度與周邊低溫環境裸露點的溫度高的前提下進行噴涂。在整體噴涂的過程中，對低溫環境和表面附著的低溫物質進行控制，根據不同的使用標準確定相應的安裝操作，使塔筒在防腐處理過程中對塔筒內外以及法蘭表面的相關鍍鋅配件進行不同的防腐處理。塔筒防腐技術細節如圖2 所示。

通過局部防腐修整、干噴砂除銹、磷化處理塔筒3步系統的噴涂前處理步驟，有效防止塔筒被局部腐蝕，使底漆與塔筒表面的粘附力增強。通過噴涂底漆、中間漆和面漆，3層互相作用的漆料層，對塔筒形成3層防腐防護，噴涂質量高，噴涂后不易脫落，能夠有效防止低溫環境下塔筒腐蝕，并且防腐時間長。檢驗塔筒整體防腐的合格性，確保合格之后運送至低溫施工現場。

一般來說，運送過程中要采用集裝箱或包裝的方式進行不同要求的設備包裝，最重要的是要防止運輸過程中的法蘭變形，采用十字鋼槽架將上下法蘭進行米字型固定，也要預防低溫環境下運輸的雨雪天氣對塔筒的不利影響，也可在塔筒內外安裝相應的防低溫、防雪天的天氣裝置。

2.4 法蘭、大節拼裝和附件焊接

拼裝工作要在專業的拼裝臺上進行，將法蘭坡口面朝上，并對接口處周長進行測量，防止出現錯位情況，調節法蘭之間的間隙將管壁對齊，錯位誤差控制在1.5 mm內，拼裝焊接時保證牢固和緊密性即可。大結拼裝要使用大型對接機將環縫進行對齊，并對整體塔筒的直線度和高度進行檢查測量，控制環縫焊接的錯位量以及法蘭位置和表面光滑度等。附件的焊接需要手工焊接，要配備專業的保溫桶，對焊條進行有效保存。

3 低溫條件下風力發電機組塔筒安裝質量控制

3.1 塔筒載荷和質量控制

塔筒的載荷需要根據空氣密度和不同的溫度調整進行實際測算和數據采集，根據塔筒的設置、場地和風場情況進行進一步修正，加強塔筒安裝的空氣動力系數確定。對整個筒體進行框架搭建，調整不均勻結構和形式，用以減少低溫環境下增加的動態不平衡性和質量偏心狀態。

在質量的控制方面，要讓塔筒根據整個發電機組輸出功率與空氣密度進行質量控制，確保在低溫環境下能夠以更大的承載能力，實現風力發電機組的平穩運行。加強對塔筒質量的控制，合理監控把握，適當調節，確保塔筒不會產生超負荷狀況。

在低溫環境下要對筒體表面進行覆蓋冰雪的清除工作，降低塔筒整體載荷，增強塔筒整體穩定性，進一步提升整個發電機組的發電效率及穩定性，加強功率曲線控制和策略的相應改動。避免在低溫情況下出現較大的沖擊載荷問題，確保塔筒在風速較高的時候能夠承載機組的頻繁啟動和緊急制動，降低風力和外部低溫條件造成的塔筒影響整體發電機組系統。采用嚴格和科學的控制設計，可避免此類問題的發生概率。塔筒在控制安裝時，要根據法蘭節設置高強度螺栓扭矩，一般來說扭矩值為580 N·m。并進一步檢查塔架的技術結構，做好排水孔和電纜孔檢查。

3.2 結構和材料的設計

在結構設計方面，要綜合考慮低溫條件下引起的風力發電系統整體載荷和結構承載能力的變化，找準承載結構中塔筒的整體變化和低溫材料特性。通過計算機等數據軟件的計算和具體時間，驗證塔體筒身的溫度可適應范圍和結構的可靠性，確保能夠有準確的數值來進行溫度作業模擬。

塔筒在規定的條件和負載運行時材料和結構的設計要保持設計壽命不少于20年，表層的防腐裝涂保護年限要達到20年以上，25年內的腐蝕深度不應超過0.5 mm。加強對半延伸性材料的強度驗證，加大這種材料在塔筒本身的應用途徑，通過阻斷力學的方法驗證材料強度和可抵擋溫度。要進一步證明在溫度結構下，塔筒提高溫度承載能力，不會出現裂紋擴展現象。對塔筒的整個金屬結構進行承受能力和疲勞載荷測試，確保其組成材料有著足夠的韌性和溫度抵抗能力。

在主要部件的技術鍛造方面，要加強焊接技術和無損檢測技術的應用，確保塔筒能夠提高在低溫條件下的環境沖擊性，彌補材料焊接缺陷[2]。焊接中的接縫是影響疲勞程度的關鍵，要對整個焊接質量和焊接縫形式進行綜合考量，防止焊接縫中存在巨大缺陷導致的低溫斷碎情況，要針對焊縫采取必要的防低溫措施和技術應用，進一步控制其質量的安全和穩定性。采取預熱和焊后加熱處理的方式來改善焊接縫隙和熱影響區的關鍵性能，避免未焊接透的情況出現。對于焊接縫隙的深度要加強縱向研究和深入檢驗，特別是無損探傷檢驗和定期檢查技術要切實落實，為塔筒的安全性能做好工作保障[3]。

非金屬結構的塔筒設計需要根據纖維增強的復合材料和纖維本體的熱膨脹基數進行數值確定，確保非金屬結構部件能夠在設計方面和低溫條件相匹配，防止出現內應力和微裂紋，要加強材料的溫度試驗性能，設計最低溫度匹配數值[4]。

3.3 加熱和液壓潤滑

在低溫環境下要采用適當的防護措施來控制質量，達到安全運行的目的。因此，要根據發電機的適應性和塔筒的材料內部環境，設置加熱裝置，來達到整個風力發電機組的運行條件。對于需要較高溫度條件的零部件，要采用局部加熱的裝置來提升部分零部件的溫度，滿足整體發電系統的啟動和運行條件，也要計算整個發電機組的熱平衡能力，選取適當的加熱功能和加熱器具合理布置，確保在低溫條件下能夠保證塔筒裝置內部實現較高的均勻溫度。

加熱裝置和潤滑油的正確選擇能夠保證機組實現冷態啟動，使潤滑油沒有充分預熱的前提下也能夠提升其黏性和流動性，做好潤滑，防止過載和點蝕問題。二者相結合能夠使加熱系統和潤滑油在低溫環境下加強內部配置，確保其正常、平穩，流動性達到發電機組的正常工作溫度。確保潤滑系統正常運行，滿足日常風力發電的潤滑需求，提高整體發電機組塔筒在低溫環境中的承載能力[5]。

3.4 控制、維護和材料檢驗

3.4.1 控制安全系統

控制安全系統能夠在低溫條件下使風力發電機組在運行溫度的正常范圍內工作，讓塔筒與發電機組共同保護其內部的零件功能，加強對于低溫環境的適應性，提高控制系統對環境的判斷和因素分析，對運行機制起到了很好的保護作用?？刂葡到y還能夠對各個系統內部的溫度進行集中檢驗和判斷，確保溫度能夠滿足各自運行體系加強了加熱裝置與溫度測量裝置的安全保障性能，進一步降低故障的發生概率。

3.4.2 溫度維護機制

塔筒內部的火災報警處理裝置能夠很好地進行系統監控和問題警示，防止在低溫條件下產生的極端惡劣故障。溫度維護機制能夠綜合考慮低溫環境下的焊接與加熱工藝，方便了后期的維護與運行。工作人員能夠根據維護運行手冊，明確規定出能啟動和再啟動的機艙溫度條件和加熱裝置溫度條件，增強低溫環境下對于風力發電機組的整體調試和運行檢查以及后續的程序維護，保護維修人員的人身安全，進一步規范低溫環境下的戶外勞動規范，確保人員能夠不在溫度過于惡劣的環境進行作業，并通過警示標志和宣傳標語劃分出風力機組的運行范圍，防止塔筒結構損壞造成的人員傷亡[6]。

3.4.3 材料焊接檢驗

對各種安裝工藝進行附件的拼裝和焊接，并做好質量檢查，確保塔筒法蘭與筒體能夠實現環縫連接，縫隙實現橫縱深入，達到連續組合焊縫的質量要求。把各類焊接組件與塔筒本體進行梯形焊接，做到焊接的縱向合理和橫向完善。盡量確保焊接接頭處趨于完美，并對焊接接頭進行局部探傷，出現缺陷及時彌補。在檢查過后，使焊縫實現橫縱延伸，增加長度檢查和深度檢查，并整體對焊縫的外觀以及法蘭與筒體角的焊縫進行全熔透焊縫處理，確保焊縫能夠符合后續安裝工序和具體的施工圖紙以及技術管理要求。石焊縫與母體材料實現圓滑過渡，焊接完美，無誤差和缺陷。

4 結束語

要在低溫環境下完成發電機組塔筒的安裝和質量監控，需要提高工程設計和具體施工規范，預設可能出現的低溫環境安裝困難，并事先提出解決方案，確保困難都有一對一的解決方案，提高風險承擔能力。要對低溫條件下發電機塔筒的材質進行溫度設置和安裝溫度研究，找到最佳安裝時間，確保在后續的電能供給方面能夠實現穩定傳輸和高效率作業，進一步明確施工參數，提高參數與發電機塔筒的匹配程度。

參考文獻

[1] 何彩云.淺談山區風力發電機組施工技術[J].建材與裝飾， 2020（18）：251-252+255.

[2] 姚鵬飛.百萬千瓦級風光儲輸發電設備制造質量管理體系研究[D].北京：華北電力大學，2017.

[3] 程漪凡.X公司1.5MW-CH風力發電機組項目計劃管理研究[D].北京：北京理工大學，2016.

[4] 王文剛.3MW風力發電機組生產工藝研究[D].北京：華北電力大學，2015.

[5] 高勝勇，徐惠.風力發電機組反向平衡法蘭安裝施工技術研究與應用[J].安裝，2014（2）：32-35.

[6] 黃金海.海上風電機組的基礎施工質量控制技術研究[D].北京：華北電力大學，2013.