大兆瓦海上风电塔筒制作工艺分析与应用

大兆瓦海上风电塔筒制作工艺分析与应用

王银国缪飞燕

摘  要：文章结合大兆瓦海上风电塔筒制造实例，从多个工序对大直径海上风电塔筒制作工艺特点进行分析，主要针对大直径筒节卷制曲面变形、转运变形控制，薄壁法兰高效焊接变形微米级控制技术、无接触整体旋转防腐等技术进行分析，并提出大兆瓦海上风电塔筒制造技术方案。

关键词： 海上风电塔筒、法兰焊接变形、防腐、变形控制

1引言

我国海上风电发展前景十分广阔，在推进能源结构转型和承担环境保护升级任务中发挥了至关重要的作用，预计到“十四五”末，海上风电装机容量至少将达到60-70GW，市场空间广阔。而在国外市场方面，欧美同样将海上风电作为发展的重要方向，规划新增海上装机容量同样达到15GW/年。在海上风电产业高速发展的大背景下，海上风电的平价进程推动产业迎来大兆瓦时代，当前海塔主要聚焦在7-13MW，直径一般在6.5-8.0m左右，单段重230吨以上，相对而言直径越大制作精度控制难度越大，生产工艺也受到风机大型化趋势影响。

2海上风电塔筒制作工艺流程分析

塔筒制作主要工序为单节制造，大节、法兰组对，环缝焊接，焊接件装焊，防腐涂装，可拆卸安装，卧式、立式运输。本文主要对重点、关键工序制作精度、质量控制进行分析研究，结合设备能力形成“三点支撑”大直径筒节卷制、法兰30°对称两点定位立式安装技术等，同时形成了多直径通用支撑装置、伞形可调框架式装置等一系列辅助装置，在保证质量的基础上进一步提高生产效率。

2.1单节制造

2.1.1  数控下料

入厂检验合格原材料转入数控下料工序，每一塔筒筒节宽度方向单边增加焊缝补偿2mm。所有程序首件下料前必须首先喷粉或划线检查，首件下料检查合格后方可开始批量下料。

排料、下料过程中控制要点如下：

（1）底塔门框安装区域厚板下料预留宽度补偿焊接收缩变形，切割余量通常为单边2mm，经验证，厚板埋弧焊接焊缝收缩量1.5~3mm不等，焊后尺寸满足技术要求偏差对底塔整体长度的影响可忽略不计。（2）首张规格气割后的坯料应按规定进行相关尺寸的检验，弦长实测值与理论值相对差≤2mm，母线各实测值相对差≤1mm，对角线各实测值相对差≤2mm，合格后方可进行批量下料，每块钢板下料时及时进行信息移植。

2.1.2  坡口加工

筒节下料后按焊接工艺评定合格的坡口形式开设坡口，一般筒体对接采用Y型坡口，钝边一般为5~6mm，坡口角度为22°~25°，厚板（≥35mm）采用X型坡口，内侧2/3深度坡口角度25°，钝边3mm，外侧坡口角度30°，采用双割嘴半自动设备，调节割嘴前后距离及坡口成型角度，双面切割一次成型，打磨坡口表面氧化铁。

2.1.3  卷制成型

10MW海上塔筒直径5430mm至7800mm，钢板厚度为20mm至60mm，单节重量达25吨左右，相比陆上塔筒卷制过程更容易发生下榻变形，与法兰组对等特殊位置筒节变形极易对法兰造成不可逆变形，主要依靠卷板机左右侧支撑与上支撑配合作业，形成三点支撑结构，有效控制卷制曲面变形尤其锥体筒节变形，进而保证卷制过程的椭圆度、凹凸度满足技术要求，对直径大、锥度大、板厚薄的关键筒节进行重点检验。

钢板端头预弯完成后进行滚圆，用样板对钢板弧度进行检查，样板与筒体间隙≤1.5mm。筒体纵缝对接控制间隙0～1mm，错边量0～1mm，错口量为1/4t，且不大于2mm，然后定位焊，定位焊长度不小于100mm。

2.1.4  纵缝焊接

筒体卷制合格，纵焊缝采用二氧化碳气保焊定位焊，连续封焊，根据筒节直径大、板厚特点，避免由于卷制应力作用对接位置裂开，纵缝焊接采用先内焊缝、后外焊缝方式。采用无碳弧气刨工艺焊接，在自制纵缝专用焊接支撑，支撑间距可根据筒节直径进行调整，外纵缝焊接配合自制L型焊接支架作业，L型焊接支架平台采用四点支撑，通过轨道及链条调整平台高度，满足不同直径筒节焊接。焊接层数以及焊接道数必须严格按照焊接工艺规程执行。

2.2大节、法兰组对

2.2.1  大节组对

由于筒节直径较大，旋转一圈耗时较长，采用筒节组对与环缝焊接同时进行方式，不仅避免了组对过长发生断裂情况，而且有效提高了作业效率，通过调整滚轮旋转速度，在满足封底焊接基础上进行其他筒节组对。

2.1.2  法兰组对

除顶部法兰与筒体在专用的法兰组对平台上进行非强制性无间隙组对，其余法兰采用30°对称两点定位立式安装方式，在自由状态下进行无外力组对，降低了传统卧式组对方式引起的应力集中，保证薄壁法兰焊接平面度、椭圆度变形在可控范围，采用外边对齐的对接方式，组对前，盘口测量法兰与筒节对接处的管口周长，计算出圆周方向的理论错台量，错台不超标的情况下圆周均匀过渡进行组对。

2.3环缝焊接

2.3.1  环缝焊接

采用CO2气体保护焊进行定位焊接，焊丝采用实芯焊丝ER50-6，焊接采用焊材H10Mn2和焊剂SJ101，在焊接过程中注意随时调整电流、电压，焊接层数以及焊接道数必须严格按照焊接工艺规程执行，重点说明下段60mm筒壁焊接工艺。

（1）筒体环缝焊接：环缝焊接采用无碳弧气刨工艺，先焊内侧，通过调整焊接参数大小进行外缝焊接，省略了碳弧气刨清根时间，不仅节省碳弧气刨材料费用，而且极大的减少碳弧气刨带来的粉尘、噪音等污染，减少碳棒使用量。

图2.3-1环缝埋弧焊接

（2）法兰环缝焊接：采用埋弧自动焊双侧反变形交替焊，焊接过程应严格控制焊接变形，详见图2.3-2。

图2.3-2法兰环缝双侧交替焊接

2.3.2  焊接控制要点

厚板焊接时填充焊材熔敷金属量大，焊接时间长，热输入量高，构件施焊时焊缝拘束度高、焊接残余应力大，焊接施焊过程中，易产生热裂纹与冷裂纹。针对厚板焊接，制定以下焊接要点：

（1）焊前清理坡口两侧30mm范周内的毛刺、油污、水锈脏物及氧化皮等，打磨后应尽快合装并焊接完毕，预热范围为板厚的5倍，且≥100mm。（2）定位焊控制措施：定位焊处的温度被周围的“冷却介质”很快冷却，造成局部过大的应力集中，引起裂纹的产生，厚板在定位焊时，提高预加热温度，加大定位焊缝长度和焊脚尺寸。（3）预热：焊接前对被焊工件用火焰预热，预热温度为125℃，层间温度的控制范围为125～200℃；预热速度为2℃／min。（4）后热：厚板对接焊后，应立即将焊缝及其两侧各100～150mm范围内的局部母材进行加热。加热温度到250～350℃后用石棉铺盖进行保温，保温2h后空冷，防止焊缝及热影响区内出现氢致裂纹。

2.3.3  移动式外缝焊接平台

外缝焊接时筒体旋转至最高处，属于高处作业，为解决外缝焊接质量及安全问题，针对直径5000mm~8200mm筒节，设计一种能够满足10m直径筒节的移动式外缝焊接平台，实现纵、横向移动，控制伸缩平台以达到方便工人施焊的要求。

图2.3-3移动式外缝焊接平台

2.3.4  焊接试板力学性能检验

（1）拉伸实验

表2.3-2  拉伸试验结果

（2）弯曲试验

表2.3-3 弯曲试验结果

（3）冲击试验

表2.3-4  冲击试验结果

2.4焊接件装焊

在塔筒主体完工后，根据附件布置工艺划出附件位置，附件的焊接均采用手工弧焊焊接，焊接位置避开塔筒主体焊缝，附件组焊前应去除毛刺、飞边、割渣等。且焊接后对所有边缘打磨出倒角，不允许有尖锐的部分存在，焊接完成后，所有附件焊缝进行Ⅰ级100% MT检测。

由于内焊件中螺柱居多，焊接过程容易引起变形造成孔距偏差，根据项目特点设计部分两组、四组及以上变形控制装置，保证承重螺栓端面垂直度及孔间距偏差。

2.5防腐涂装

海上风力发电塔架运行环境十分复杂，高温、高湿、高盐雾和长日照等腐蚀环境苛刻，风电塔筒防腐在整个生产工序中至关重要，除选用具有耐候性高、耐海水性好和防海洋微生物附着等特性油漆外，施工过程质量控制及其重要，不但要保证油漆在设备运行期内不发生锈蚀，还要保证油漆外观质量。

陆上塔筒大部分在滚轮台车上进行旋转防腐，后期局部区域需要二次防腐处理，由于海上风电塔筒直径大且防腐质量要求更高，二次防腐成本高、效率低，且多次旋转极易造成滚轮台车位置的筒壁凹坑变形，对此，设计了一种多直径通用米字型支撑端部法兰，与凹槽型滚轮台车配合使用，底塔筒整体处于悬空状态，调节台车转速整体旋转防腐，避免了筒壁与支撑滚轮直接接触，有效保证了塔筒防腐一次合格率。通用型支撑设计不同直径连接孔满足不同直径大小法兰使用。

2.6可拆卸附件安装

镀锌件安装包括下段塔架电装以及上三段塔筒附件安装，由于海塔底段塔筒结构复杂、电气件多，因此附件安装的重点在下塔电装。底塔主体部分完成后，采用600T龙门吊以及专用型吊具，通过主吊吊车、辅吊吊车进行横向、纵向移动，实现底塔旋转90°由横向卧式到垂直竖立，并安装在预先制成的立式固定及运输装船一体化支架上。

底塔立式放置，三层平台分别布置干式变压器、环网柜等重要电气部件，为避免安装、运输过程中因天气原因造成内部淋雨，研制出一种伞形可调框架式装置，利用升降杆和伞骨调节横向、纵向距离，实现不同直径底塔防雨功能，伞形可调框架式防雨装置升降杆部位设置连接板与上部法兰孔对接，增加底塔的运输稳定性。

图2.6-1  伞形可调框架式装置

2.7卧式、立式运输

在外场进行内饰件安装验收，安装之前，必须安装伞形可调框架式装置，该装置免了立式塔筒安装、运输过程雨水积存，整体验收合格后，运输发货。

设计的海上风电塔筒底段立式运输工装、卧式运输固定装置，可满足塔筒卧式、立式运输不同方式固定，有效保证了海上运输安全稳定性。

2.8海上风电塔架验收质量标准

表2.8-1  海上风电塔架验收质量标准表

2.9质量控制措施

“三点支撑”卷制方式，需严格保证支撑同步作业，样板与筒壁间隙≤1.5mm，控制筒体对接间隙0～1mm，错边量0～1mm，错口量为1/4t，且不大于1.5mm。

法兰30°对称两点定位立式安装方式，支撑点连接处做好法兰防护，避免磕碰造成法兰表面损伤。塔筒转运过程做好四个支撑点位置防护，避免运输过程造成凹凸变形。无接触多直径通用支撑装置安装过程采用与法兰孔直径大小配套螺杆，并拧紧螺栓防止使用过程中螺栓晃动，对法兰孔造成损伤。

3 结束语

综上所述，随着国内海上风电技术的不断成熟和突破，单机容量保持增长趋势，深入研究适用于海上风电塔筒规模化制造的工艺将非常有利于推进海上风电建设进度。

参考文献：

[1]李睿刚,刘凯.浅谈海上风电塔筒制造质量通病及预防措施[J].中国战略新兴产业,2022(29):134～136.
作者单位：中国水电四局（酒泉）新能源装备有限公司

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