大功率減重輕型風(fēng)電塔架加強(qiáng)板組裝焊接工藝研究

魏霏霏，何鵬飛

（中國水利水電第四工程局有限公司，甘肅 酒泉 735000）

1 背景

近年來，風(fēng)電可再生能源裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電量屢創(chuàng)新高，風(fēng)電行業(yè)發(fā)展勢頭銳不可當(dāng)。2019年，國家發(fā)改委調(diào)整陸上風(fēng)電項目上網(wǎng)固定電價，風(fēng)電行業(yè)搶裝潮來臨，各地均在興建上千瓦級的大型風(fēng)電場。為了滿足更大風(fēng)電裝機(jī)容量同時成本降低的要求，主機(jī)廠家均在提升塔架高度，單機(jī)裝機(jī)容量不斷升級，陸上風(fēng)電塔架高度達(dá)到140m，然而，為了降低成本，主機(jī)廠家通過優(yōu)化大功率風(fēng)電塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計，形成帶加強(qiáng)板式大功率風(fēng)電塔架，降低塔架重量，降低成本，滿足業(yè)主對風(fēng)電塔筒制造工期和產(chǎn)品質(zhì)量的雙重需求，實現(xiàn)“雙贏”的結(jié)果。

2 大功率減重輕型塔架簡介

根據(jù)前期投標(biāo)市場機(jī)型分析，大功率加強(qiáng)板式設(shè)計為國內(nèi)外大型主機(jī)廠家主打機(jī)型，此類型大功率風(fēng)電塔架將下段承重部位板厚加厚，厚板僅占據(jù)圓周60～75°，左右其余部位均采用薄板，此類結(jié)構(gòu)設(shè)計可有效降低單套塔筒重量，如新疆金風(fēng)、歌美颯、廣東明陽、江蘇遠(yuǎn)景等，此類型塔筒裝機(jī)容量大、單重輕，有效降低了成本。

3 加強(qiáng)板組裝焊接工藝

3.1 焊接防變形工藝

下段塔筒整體焊接完成后，檢驗平面度、內(nèi)傾度等尺寸，并經(jīng)UT探傷合格后方能轉(zhuǎn)入加強(qiáng)板安裝。

下段筒體直徑達(dá)到4300mm以上，板厚僅為20～30mm，切割加強(qiáng)板安裝洞及加強(qiáng)板時極易發(fā)生變形。

加強(qiáng)板安裝洞切割及焊接變形控制的方法——剛性固定法。

切割加強(qiáng)板安裝洞前，先在塔筒內(nèi)部安裝防變形固定裝置，反變形固定裝置一側(cè)端部安裝弧形壓板，弧形壓板點(diǎn)焊在筒體內(nèi)壁上，防變形固定裝置另一側(cè)端部安裝千斤頂，通過調(diào)節(jié)千斤頂實現(xiàn)防變形固定裝置在筒體內(nèi)部頂緊筒壁，從而避免筒體由于重力作用形成的下塌變形，加強(qiáng)板安裝洞上下兩側(cè)的弧形壓板，又可避免筒體在焊接時發(fā)生長度方向的彎曲變形。防變形固定裝置見圖1。

圖1 加強(qiáng)板防變形裝置圖

防變形裝置可避免筒體的變形，同時，我們在下段筒體的兩法蘭端口安裝支撐裝置，防止端口法蘭在裝配過程中發(fā)生變形，可有效保證整段筒體焊后平面度≤2mm。

3.2 加強(qiáng)板與塔筒焊接

（1）焊接方法。風(fēng)電塔筒常規(guī)焊接方法通常采用埋弧自動焊或者二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。然而，由于承接的輕型大功率風(fēng)力發(fā)電塔架機(jī)組，多用于內(nèi)陸地區(qū)，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，風(fēng)力大，陽光輻射強(qiáng)，冬季氣溫低，風(fēng)場最低氣溫可達(dá)-40℃。因此，對于塔架焊縫的低溫沖擊性能提出了嚴(yán)格的要求。

通過多次試驗，最終確定選用埋弧自動焊與藥芯焊絲氣保焊聯(lián)合焊接方式，即加強(qiáng)板直邊段采用埋弧自動焊，圓弧段采用藥芯焊絲氣保焊，焊接效率提高的同時，又保證了焊縫質(zhì)量。

（2）焊接工藝。①焊接方法。我們采用含Ni藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊與埋弧自動焊，不僅有效地提高了焊縫質(zhì)量，還提高了效率。②焊接順序。加強(qiáng)板焊接時遵循“先縱向焊縫，后橫向焊縫，先筒體一側(cè)環(huán)縫后法蘭一側(cè)環(huán)縫”的原則施焊，減小焊接變形。③焊接工藝參數(shù)。坡口形式。加強(qiáng)板與筒體鋼板連接處常開成X型坡口，焊接參數(shù)如表1。④加強(qiáng)板與筒體外縫焊接安全平臺。外縫焊接時，筒體旋轉(zhuǎn)至最高處，屬于高處作業(yè)。為解決加強(qiáng)板與筒體外縫焊接焊接質(zhì)量及安全問題，焊接時采用加強(qiáng)板與筒體外縫焊接安全平臺，在平臺上施焊，有效提高了焊接穩(wěn)定性及操作人員安全系數(shù)。

表1 焊接參數(shù)記錄表

3.3 焊后消應(yīng)力處理

超低溫風(fēng)電塔架通常要求對厚度大于30mm的鋼板（厚度大于34mm的鋼板焊前預(yù)熱100℃以上）焊縫進(jìn)行局部焊后熱處理。尤其是加強(qiáng)板與筒體的拼接焊縫，加強(qiáng)板安裝洞系人為在塔筒下段處手工切割出的孔洞，對下段開口區(qū)域起補(bǔ)強(qiáng)作用。由于加強(qiáng)板安裝洞處的開口，破壞了整體塔筒的環(huán)向應(yīng)力分布，造成安裝洞處應(yīng)力集中，加上筒體與加強(qiáng)板的焊接，此處焊縫易產(chǎn)生冷裂紋、層狀撕裂的缺陷。另外，焊接變形對風(fēng)電塔架法蘭平面度、橢圓度合格率影響非常嚴(yán)重，造成塔架驗收一次合格率較低。焊接裂紋產(chǎn)生的概率增加。

圖2 加強(qiáng)板與筒體外縫焊接安全平臺俯視圖

振動時效使用方便，其應(yīng)力消除率一般在30%～50%，超聲沖擊時效使用效果，可以徹底消除鋼結(jié)構(gòu)焊接件表面殘余拉應(yīng)力，消除表面殘余拉應(yīng)力的同時可在表面施加有益的壓應(yīng)力，綜合分析風(fēng)電塔筒受力及運(yùn)行方式，我們將振動時效與超聲沖擊時效兩者疊加使用，此種方法對風(fēng)電塔筒尤其是下段加強(qiáng)板與筒體對接處焊縫的抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能也大有益處，是除熱處理消應(yīng)力外比較適合且有效的消應(yīng)力方式。

對輕型大功率風(fēng)電塔架整段焊后消應(yīng)力處理的工藝流程為：原始?xì)堄鄳?yīng)力測量→振動時效處理→振后殘余應(yīng)力測量→超聲波時效處理→修補(bǔ)測量孔并NDT→測試數(shù)據(jù)分析→時效處理后殘余應(yīng)力測量→消應(yīng)力后塔架形體尺寸測量。

（1）適用于輕型大功率風(fēng)電塔架下段整體振動時效消應(yīng)力工藝。確定振動時效最佳工藝參數(shù)，才能達(dá)到最理想消應(yīng)力效果，從而實現(xiàn)下段整體殘余應(yīng)力的消除和均勻化。振動時效操作時主要設(shè)置的參數(shù)包括包括激振力、激振頻率、振動時間、支承點(diǎn)、激振點(diǎn)及拾振點(diǎn)的選擇。

根據(jù)輕型大功率風(fēng)電塔架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，多次反復(fù)試振，確定工藝參數(shù)如下：

底部四點(diǎn)支承，采用現(xiàn)有焊接滾輪架，比較適合；激振器安裝在法蘭端面上，用卡具卡緊，處理25min。

（2）適用于輕型大功率風(fēng)電塔架加強(qiáng)板與筒體拼接焊縫局部加強(qiáng)超聲波消應(yīng)力工藝。采用HY2050豪克能消除應(yīng)力設(shè)備。豪克能焊接應(yīng)力消除技術(shù)，以其頻率高、能量大、聚焦性好、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，遠(yuǎn)超超聲沖擊技術(shù)，徹底消除焊接應(yīng)力，并產(chǎn)生理想的壓應(yīng)力。

3.4 焊后檢測

底段塔架焊接完成后，經(jīng)焊后消應(yīng)力處理，再次測量塔筒關(guān)鍵尺寸技術(shù)指標(biāo)，見表2，從表中可以看出，焊接方法選用得當(dāng)，焊接順序及防變形工裝合理，焊后消應(yīng)力處理得到，輕型大功率風(fēng)電塔架局部變截面加強(qiáng)板焊接后塔架形體尺寸基本未發(fā)生變化。

表2 塔筒整體尺寸焊后測量數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

針對大功率減重輕型風(fēng)電塔架加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，采用的焊接工藝，已被廣泛應(yīng)用于公司承接的風(fēng)電塔筒制作項目，如青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司共和450MW風(fēng)電項目、格爾木清脈50MW風(fēng)力發(fā)電項目等，節(jié)省人工，提升效率，提高質(zhì)量，成為公司新的利潤增長點(diǎn)，將對公司風(fēng)電設(shè)備市場開發(fā)有重大意義。