風(fēng)力發(fā)電塔筒法蘭焊后平面度控制技術(shù)

楊朝猛

江蘇神山風(fēng)電設(shè)備制造有限公司 江蘇阜寧 224400

1 序言

風(fēng)力發(fā)電是清潔能源，沒(méi)有其他常規(guī)能源（比如煤電、核電等）會(huì)照成的環(huán)境污染問(wèn)題；能夠有效減少碳、硫等溫室效應(yīng)氣體的排放[1]。在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風(fēng)力發(fā)電有著巨大的發(fā)展?jié)摿ΑｏL(fēng)力發(fā)電塔筒是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件之一[2]；托起整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和葉片；同時(shí)也吸收發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)。目前，風(fēng)力發(fā)電塔筒一般由4～6段組成；每段塔筒上下端有法蘭，風(fēng)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)由高強(qiáng)度螺栓通過(guò)法蘭將各塔段聯(lián)接起來(lái)。塔筒法蘭的焊后平面度直接影響塔筒吊裝后的受力狀況。因此，塔筒法蘭的焊后平面度是塔筒生產(chǎn)過(guò)程中質(zhì)量控制的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

2 塔筒法蘭焊后平面度的控制

2.1 塔筒法蘭焊前平面度的控制

目前塔筒法蘭均為整體鍛造后再機(jī)加工的產(chǎn)品。根據(jù)塔筒加工技術(shù)規(guī)范的要求，法蘭生產(chǎn)廠家能夠通過(guò)機(jī)加工的手段，將法蘭平面度控制在要求的范圍之內(nèi)。目前的塔筒加工技術(shù)規(guī)范要求頂法蘭（與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相連的法蘭）加工后平面度0.3mm以內(nèi)，其余法蘭機(jī)加工后平面度0.5mm以內(nèi)。江蘇神山風(fēng)電設(shè)備制造有限公司（以下簡(jiǎn)稱“神山公司”）在購(gòu)置法蘭后，對(duì)入廠的法蘭進(jìn)行入廠前的檢查，包括尺寸檢測(cè)、無(wú)損檢測(cè)等，檢查全部合格后，方可入庫(kù)待上線生產(chǎn)。

2.2 與法蘭相連筒節(jié)的質(zhì)量控制

法蘭焊后平面度的好壞與相鄰的筒節(jié)質(zhì)量息息相關(guān)。相鄰?fù)补?jié)的圓度、端口平整度等都會(huì)影響法蘭最終的焊后平面度。為保證筒節(jié)的質(zhì)量，我們從以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制。

（1）下料 鋼板下料前，應(yīng)根據(jù)筒節(jié)的外形尺寸，放樣出標(biāo)準(zhǔn)的下料圖。然后根據(jù)數(shù)控切割機(jī)的工藝參數(shù)（割嘴大小、切割補(bǔ)償量、切割速度及板厚等）編制下料程序。下料后的尺寸控制為：長(zhǎng)寬數(shù)據(jù)與理論相比-2～2mm，對(duì)角線之差≤3mm。下料前，采用數(shù)控切割機(jī)的噴粉功能，提前在鋼板表面噴出切割線；測(cè)量切割噴粉線并合格后再開始切割。切割完畢實(shí)測(cè)相關(guān)的數(shù)據(jù)，并做好數(shù)據(jù)記錄。

（2）坡口 坡口是后道焊接的基礎(chǔ)，要求坡口開制準(zhǔn)確、無(wú)缺棱等缺陷。如有缺棱等缺陷，應(yīng)按神山公司相關(guān)的修補(bǔ)規(guī)定修補(bǔ)到位：坡口鈍邊為3mm（公差控制-1～0mm），坡口角度公差范圍為±2.5°。坡口切割小車加工坡口時(shí)，要按相應(yīng)的坡口圖調(diào)整好切割嘴的角度；切割后用角度尺實(shí)測(cè)坡口角度并做好記錄。對(duì)有缺棱的部位進(jìn)行修補(bǔ)。

（3）卷圓 卷圓時(shí)，必須采用標(biāo)準(zhǔn)的卷圓檢驗(yàn)樣板進(jìn)行圓度控制。卷制時(shí)，首先要做好預(yù)悶頭的工作；采用相應(yīng)的卷圓檢驗(yàn)樣板來(lái)控制曲率。卷圓檢驗(yàn)樣板為根據(jù)筒節(jié)的直徑與板厚確定好數(shù)值，采用激光數(shù)控下料而成。卷制過(guò)程中，用樣板接觸筒節(jié)內(nèi)壁或者外壁，保證凹凸不大于塔筒加工規(guī)范要求的數(shù)值（該數(shù)值與筒節(jié)的板厚有關(guān)）。

筒節(jié)縱縫焊接完畢后，必須進(jìn)行二次回圓處理；回圓控制同樣采用標(biāo)準(zhǔn)的卷圓檢驗(yàn)樣板，合格標(biāo)準(zhǔn)同卷圓。

2.3 組對(duì)

正常塔段的筒節(jié)數(shù)量為6～15個(gè)，為保證法蘭焊后的平面度；法蘭與其相鄰?fù)补?jié)先行組對(duì)，然后在上線與其他筒節(jié)一一依次組對(duì)。神山公司采用法蘭水平組對(duì)法。

（1）法蘭組對(duì)平臺(tái) 神山公司專門利用鋼軌道制作了法蘭組對(duì)平臺(tái)，利用平臺(tái)根部的調(diào)平裝置，將平臺(tái)上表面調(diào)整到同一水平面上；整體的誤差控制在1mm以內(nèi)。定期對(duì)該工作平臺(tái)的上表面進(jìn)行檢測(cè)與調(diào)試，如圖1所示。

圖1 法蘭組對(duì)平臺(tái)

（2）組對(duì) 組對(duì)前，選擇經(jīng)過(guò)復(fù)測(cè)合格的法蘭以及經(jīng)過(guò)前道檢測(cè)合格的筒節(jié)。利用鋼卷尺實(shí)測(cè)法蘭和筒節(jié)的外周長(zhǎng)，并記錄好相關(guān)的數(shù)據(jù)。將待組對(duì)法蘭吊運(yùn)至組對(duì)平臺(tái)上并放置好，吊入組對(duì)筒節(jié)；依據(jù)組對(duì)原則（中心層對(duì)齊還是外壁對(duì)齊）進(jìn)行組對(duì)。要求計(jì)算法蘭與筒節(jié)的外周長(zhǎng)實(shí)測(cè)值之差（要求控制在8mm以內(nèi)），如果超差，則需要更換筒節(jié)或者法蘭。該差值用來(lái)計(jì)算組對(duì)時(shí)的實(shí)際錯(cuò)邊量，若實(shí)際錯(cuò)邊量大于塔筒規(guī)范要求的最大錯(cuò)邊量（一般為0.1t且≤2mm），那么該筒節(jié)需要返工處理或者需要再次核實(shí)法蘭的外形尺寸。

神山公司要求零間隙組對(duì)，即要求筒節(jié)端口與法蘭端口必須完全接觸或者間隙均勻一致。采用目視檢測(cè)的方法，整圈的光亮程度一致即可。組對(duì)的過(guò)程中，用鋼直尺從法蘭0°線開始逐步對(duì)齊并定位焊。定位焊完成后，再次利用焊規(guī)及鋼直尺檢查整圈的錯(cuò)邊量情況，合格后，進(jìn)行打底焊。

2.4 焊接控制

打底焊結(jié)束后，該筒節(jié)與法蘭便可上線與其他筒節(jié)整體合攏，合攏完成并經(jīng)過(guò)同軸度、平行度檢測(cè)合格后，可以進(jìn)入埋弧焊。神山公司為確保法蘭焊后的平面度，在法蘭埋弧焊之前對(duì)法蘭的平面度增加了一次檢測(cè)。由于該環(huán)縫尚未進(jìn)行埋弧焊，因此大多數(shù)情況下，此時(shí)的平面度數(shù)據(jù)是合格的。若不合格，需要單獨(dú)查找分析原因，進(jìn)行返工處理。

埋弧焊時(shí)，焊劑應(yīng)已烘干并處于保溫狀態(tài)；焊前需對(duì)焊縫進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度在90～120℃。法蘭環(huán)縫要求一次性焊接完成，焊接層間溫度必須大于預(yù)熱溫度且小于200℃。焊接過(guò)程中如果有不可避免的接頭（如更換焊絲），須把接頭往后50mm長(zhǎng)度進(jìn)行打磨后重新引弧；蓋面熄弧點(diǎn)與開始點(diǎn)至少有100mm的重疊。埋弧焊焊接的電流、電壓、速度、焊接順序等按照神山公司的WPS執(zhí)行，見表1。

表1 神山公司的焊接參數(shù)（節(jié)選）

焊接完成并經(jīng)過(guò)冷卻且焊縫NDT檢測(cè)合格后，對(duì)法蘭焊后平面度進(jìn)行測(cè)量；如焊縫需要返修，則必須在返修合格后才能進(jìn)行法蘭焊后平面度的檢測(cè)。根據(jù)塔筒加工技術(shù)規(guī)范，塔筒頂法蘭焊后平面度一般為0～0.8mm，其余法蘭的焊后平面度一般為0～2mm。根據(jù)神山公司的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，只要嚴(yán)格按照上述流程控制好各個(gè)環(huán)節(jié)；法蘭的焊后平面度一次合格率在97%以上。一般不能一次性合格的均是塔筒頂法蘭，這是由于塔筒頂法蘭的焊后平面度要求較高導(dǎo)致。

2.5 頂法蘭的焊后平面度控制

（1）背靠背法組對(duì) 目前，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組兆瓦級(jí)數(shù)的不斷提高，塔筒頂法蘭的脖頸高度也是越來(lái)越高；能夠到達(dá)450～650mm的高度。神山公司采用將兩片法蘭背靠背固定在一起，然后再與相鄰?fù)补?jié)組對(duì)并焊接的方法。利用法蘭自身在機(jī)加工后的平面度較高以及法蘭自身的剛度較好，來(lái)保證焊接過(guò)程中不發(fā)生變形（見圖2）。該方法能夠有效地提升頂法蘭焊后的平面度數(shù)值，經(jīng)過(guò)實(shí)際操作，頂法蘭焊接利用此方法后的焊后平面度一次合格率能夠達(dá)到99%。

圖2 頂法蘭背靠背組對(duì)法

（2）預(yù)留加工余量法 針對(duì)部分機(jī)型的頂部法蘭的脖頸高度僅有120～200mm的情況，無(wú)法采用上述的背靠背方法時(shí)；神山公司將這種類型的頂法蘭的盤厚加厚1～2mm。該類型的頂法蘭與相鄰?fù)补?jié)按前述的組對(duì)焊接工藝流程正常組對(duì)焊接。焊接完成后，對(duì)頂法蘭的表面進(jìn)行一次機(jī)加工處理；機(jī)加工處理的量即為前面預(yù)留的盤厚增加量。經(jīng)過(guò)機(jī)加工的頂法蘭平面度合格率為100%。但是此方法，加工周期較長(zhǎng)，且操作不便；故而在神山公司內(nèi)部應(yīng)用的也比較少。

（續(xù)）

2.6 火工矯正

神山公司的法蘭焊后平面度檢測(cè)是通過(guò)激光測(cè)平儀Easy-Lasyer來(lái)進(jìn)行，激光測(cè)平儀能夠測(cè)出法蘭面各點(diǎn)的位置高低，從而自動(dòng)生成該法蘭面的平面度及內(nèi)傾度。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，法蘭平面度超差的一般為法蘭面上的個(gè)別點(diǎn)；而非整個(gè)法蘭面上所有的點(diǎn)都超差。若有整個(gè)法蘭面全部點(diǎn)各都超差，即形成嚴(yán)重的質(zhì)量事故；需要專項(xiàng)分析其原因并出具專門的解決方案，在此不詳細(xì)說(shuō)明。針對(duì)個(gè)別超差的點(diǎn)，采用火工矯正的方法來(lái)進(jìn)行法蘭焊后平面度的矯正，如圖3所示。

圖3 火工矯正

火工矯正前，該環(huán)縫的NDT檢測(cè)必須已經(jīng)合格。根據(jù)平面度檢測(cè)報(bào)告，確定基準(zhǔn)點(diǎn)位置和火工矯正區(qū)域?；鸸こC正區(qū)域通常為筒體鋼板的兩側(cè)，在火工矯正區(qū)域內(nèi)進(jìn)行矯正，基準(zhǔn)點(diǎn)區(qū)域不允許進(jìn)行火工矯正?；鸸こC正利用火焰加熱，火焰與筒體接觸中心溫度≤600℃，不允許使用氧化焰。矯正時(shí)應(yīng)讓有經(jīng)驗(yàn)的人員根據(jù)平面度檢測(cè)報(bào)告，對(duì)需要矯正的區(qū)域作出預(yù)判；矯正時(shí)為與法蘭面平行的條狀加熱，2～3條加熱量矯正0.5～1mm；采用工裝均勻加熱。矯正后，在空氣中自然冷卻，嚴(yán)禁采用水冷；在表面溫度冷卻至40℃以下時(shí)，可以進(jìn)行平面度復(fù)測(cè)。平面度合格后，需對(duì)矯正區(qū)域進(jìn)行拋光處理；并做MT檢測(cè)，檢查是否有表面缺陷；對(duì)熱影響區(qū)及母材做硬度測(cè)試，其數(shù)值≤350HV。

3 結(jié)束語(yǔ)

神山公司經(jīng)過(guò)多年的探索與總結(jié)，掌握了一整套完整的控制法蘭焊后平面度的方法，法蘭焊后平面度在出廠前的第三方檢測(cè)中，合格率為100%。得到了監(jiān)理及業(yè)主的一致好評(píng)，樹立了我公司良好的品牌形象。