摘要:随着国内风电单台机组容量不断增大，其对塔架的技术精度要求越来越高。通过对塔筒制造过程中技术重难点分析，结合以往风电塔筒制造上的成熟经验，对甘天地二期试验区塔筒制造技术与工艺进一步优化，制定了有效的控制措施，大大提升了塔筒各工序质量一次合格率，使得甘天地二期试验区塔筒制造质量达到优质工程标准，并保证了施工进度。
关键词:塔筒;制造;分析;措施;标准
风力发电机是目前国内发展前景最广阔的环保型发电设备，而塔筒发挥着支撑整个风力发电机组的关键性作用［1］。甘天地二期试验区为非常规机型，最大直径约5.3m，最大重量83t，分4～6段不等，尺寸及法兰连接处平面度及倾斜度要求极高，同时要求焊缝100%的超声波探伤及10%的射线探伤，工艺的过程控制必须细致准确。特别是制造过程中的关键及难点工序的控制尤为重要［2］。通过对甘天地二期试验区非常规机型而制定的重难点质量控制措施的分析研究，可在风电塔筒制造质量控制方面提供借鉴。
1技术分析
1.1风电塔筒其主要技术指标
1)风电塔筒焊接要求。根据设计及规范要求:筒体所有的纵、环缝以及筒体与法兰的焊缝均为全熔透焊缝，并要求进行100%超声波探伤，按JB/T47013标准Ⅰ级合格;所有筒节与筒节、法兰与筒节的T型焊接接头处采用射线探伤NB/T47013－2015Ⅱ级合格;焊缝外观必须美观;同时要求焊工持锅炉容器焊工证书。2)风电塔筒法兰焊接后技术要求。①上部塔筒上法兰焊接后平面度及内倾度允许偏差最小为0.35mm，一般为0～0.5mm，不允许有外翻现象，法兰螺栓孔中心圆直径允许偏差为±0.5mm。②其他法兰焊接后平面度允许偏差≤1.5mm，法兰内倾度允许偏差为0～1.5mm，不允许有外翻现象，法兰螺栓孔中心圆直径允许偏差为±1mm。③每个塔筒分段的上下两个法兰平面之间的平行度允许偏差为2～3mm。3)工地安装要求塔筒安装时，法兰高强度螺栓必须在自由状态下100%穿过。4)甘天地二期试验区塔筒安装后在室外，并且昼夜温差、风沙较大的环境中，安装后高度较高，塔筒表面涂层修复难度大，涂层的施工质量是塔筒制造的重要环节。
1.2难点分析
根据对塔筒焊接及塔筒法兰焊接后技术要求分析，确定塔筒制造过程中重难点主要是以下几点:1)如何保证筒体纵、环缝焊接控制变形及筒节的椭圆度，下料瓦块精度、坡口的选择及焊接工艺方法和工艺过程控制是确保塔筒制造整体尺寸控制指标要求的重要环节［3］。2)如何在法兰焊接过程中有效的控制焊接变形，降低焊接线能量是确保塔筒制造满足设计指标要求的关键。3)在锻造法兰订货方面，必须提高法兰平面的技术要求，考虑塔筒法兰的机加工余量、法兰角变形的预变形值(预留内倾度)和孔径焊接收缩量，是确保塔筒法兰焊后满足设计指标要求的重要手段。4)在塔筒管节辊圆及装焊过程中，单个塔筒焊后椭圆度控制是确保法兰焊后孔距技术指标的前提，防止制造、运输、吊装变形过程中的法兰变形，是确保工地100%自由状态下穿孔的重要保障。5)法兰焊接后平面度、椭圆度、角变形的检测仪器的选择及检测人员的水平，为防止塔筒节段施工过程中对法兰的三个指标变化的影响，在塔筒法兰单元件焊接过程中和焊接后需进行多次平面度、椭圆度、角变形的检测和复测，以加强过程监控，是确保塔筒节段法兰三个指标的主要环节［4］。
2应对措施
经过对风电塔筒制造技术控制重难点分析，结合甘天地二期试验区非常规机型的特点，及法兰焊后的三个重要指标控制难以及工地100%穿孔安装要求，在进行多项工艺试验及技术攻关基础上，对以下工艺制造技术进一步研究和探讨:
1)风电塔筒下料尺寸精度控制及卷板圆度控制技术研究，保证塔筒筒节上下端口平行度和平面度，实现“零间隙”环缝组对焊接。下料前将瓦块按工艺试验成果增加焊接收缩量;下料时采用高精度等离子数控切割机进行，确保瓦块宽度尺寸均匀，从而满足塔筒筒节上下端口平行度和平面度的技术要求，实现瓦块之间环缝对接均匀性和“零间隙”。
2)筒节辊制后的椭圆度控制技术研究，是确保法兰焊接后孔距技术指标满足设计技术要求，实现工地100%自由穿孔的关键。筒节辊圆后的最大直径与最小直径要求满足Dmax/Dmin≤1.005。辊圆采用压头和辊圆于一体的新型三型卷板机，卷板时注意采用较小的辊压量，反复3～5次卷制成形，每次卷制逐渐减少辊压量，在卷制过程中应不断用样板检查比较，以免卷制过量，瓦片长而且单薄，在卷板过程中应采用厂内龙门吊吊住伸出卷板机较长的一端，以防止由于瓦片重力作用而产生局部急弯，龙门吊车应随卷板机运转而配合行走与起升，卷板完成后，根据塔架图纸要求分别制造不同的内、外弧度样板，用样板检查以保证筒节弧度均匀性。待筒节单节组对及纵焊缝充分冷却后，筒节进行第二次校圆。校圆采用卷板机回圆卷制，过程中重点测量筒节的弧度，大、小口的各方向直径差等，测量尺寸时要完全松开压辊，让筒节处于松弛自然放置状态。此工序的严格控制是保证锻件法兰焊后最终螺栓孔中心圆直径(允许偏差±1mm)具有决定性意义，目前此课题需做进一步研究和探讨。
3)锻件法兰焊接后的平面度控制、内倾度控制的工艺技术分析。锻件法兰焊接的平面度控制及内倾度控制是风力塔筒制造过程中的最大难点。①法兰与筒体对接坡口型式改进。法兰变形主要因焊接线能力过大引起的。经过多次试验与论证，发现采用不同的坡口型式进行焊接，焊后法兰变形是截然不同的。若采用对称X型坡口时，背缝清根较深且焊接量大，法兰焊后常常出现外翻现象;若采用法兰主缝采用单面坡口时，背面清根的深度小且焊接量少，大大降低了法兰外翻的风险。根据上述试验结果，甘天地二期试验区塔筒在生产过程中进行合理优化，对于法兰脖颈板厚≤25mm，开制单面坡口、钝边2mm;对于法兰脖颈板厚＞25mm，开制单面坡口、钝边5～8mm，同时根据焊接环境、焊工水平及焊接设备的性能来更改坡口角度、钝边大小，以改善或消除焊后法兰外翻现象。②锻件法兰内倾度优化。通过长期对塔筒焊接后的法兰外翻变形数据进行统计分析，法兰变形外翻数据一般常为1.0～2.0mm。根据以往风电塔筒法兰装焊工艺顺序及工艺措施进行多次调整及改进，最终选择锻件法兰在采购时进行预加工使法兰产生一定的内倾量(预留焊接反变形量)，从而来抵消焊接变形产生的外翻量，避免采用强制约束增加内倾量方式，然后在通过背缝清根深度控制法兰焊后内倾度。根据甘天地试验区所有机型塔筒筒体尺寸、板厚及法兰形式，确定成品法兰锻造时预留内倾量:顶部法兰0.85～1.0mm，其余法兰1.55～2.0mm，经过法兰内倾量改进与调整，法兰与简体焊接后的外翻度和内倾度一次性满足设计要求合格率达到了96%以上，局部仍存在超差现象，目前采用局部修磨、火焰调校(在筒体上，距法兰200mm以上)及气刨焊缝进行二次焊接反变形控制等技术，保证最终产品全部达到合格要求。经过反复试验，法兰预留内倾量方式可行且效果理想，法兰焊接后外翻得到了有效的控制。③焊接工艺改进与控制。根据长期对塔筒焊接变形因素进行跟踪和分析，焊接变形较大的有以下因素产生:塔筒与法兰焊接主要采用埋弧自动焊进行，埋弧自动焊高热量输入，是导致焊接变形较大的关键因素之一;焊工未完全按焊接工艺参数执行，是导致焊接变形较大的另一个关键因素;焊接焊缝质量也需严格保证，重复返修也是导致法兰变形的客观因素。为了控制锻件法兰在焊接过程中尽量少变形，与法兰焊接的筒体端口采用机加工的方式保证其端口的平面度和坡口的均匀性，使焊缝尽量均匀一致，减少因焊接变形不一致导致法兰变形不一致。塔筒法兰在正式焊接作业前，做好预热处理，通常控制在100℃～150℃范围内，焊接时先进行塔筒法兰主缝焊缝焊接，焊接完成后背面清根并焊接，焊接时严格控制焊接电流、电压及焊接速度，保证焊接线能量不大于39kJ/cm，焊接过程中依据参考基准平行面，进行全程检测端面法兰变形情况，变形较大的可现场根据实际情况调整焊接参数，同时也可以快捷的分析导致变形的应力点，为后续调整和控制变形提供依据。每条(道)环缝要一次焊接完成，保证受热均匀，避免产生新的应力变形。
4)塔筒生产线资源配置技术分析。由于甘天地二期试验区风电塔筒机型种类多，生产时需合理规划生产流水线。要求一种机型在一个流水线上所有工序完成后，在增加另一种机型，保证同种机型同步施工，降低施工出现混乱的情况，同时根据流水线上的资源配置对生产线上各工序日生产能力进行评估与分析，对生产线所有施工人员日生产量进行量化，从而保证了计划与实际生产相吻合。
5)塔筒分段总装线接长技术分析。塔筒的总装在生产线上进行，该生产线采用专用的塔筒组对机进行塔筒分段筒节与筒节的组装，配备有行走滚轮架，从塔筒法兰单元件开始，逐个装焊单节筒节，边装边退，直到整节段组装完成后进行整体焊接，其中分段总装过程中端口、分段上下法兰的平行度和轴线垂直度控制技术，在大型圆锥壳体分段组装中已有成熟经验，但如何应用塔筒组对机进行端口调整实现无码装配的控制技术有待作进一步研究与探讨。分段总装过程中端口、分段上下法兰的平行度和轴线垂直度控制技术具体措施如下:筒节与法兰组装前仔细检查椭圆度，要求检测筒节椭圆度不大于3mm;在组对前塔体及法兰坡口内及其两侧各50mm用磨光机打磨除锈、油等杂质。然后将法兰吊装水平放置在专用刚平台上(平面度≤0.5mm)，调整法兰水平，进行加固，然后吊装与法兰对接管节进行单节组对，塔架法兰与筒节组对时，螺栓孔需跨纵缝对中布置，通过管口内米支撑调节圆度，控制塔架对接间隙、错边量、筒节的椭圆度及法兰与轴线垂直度，合格后进行点焊加固。分段总装接长时先将与法兰焊接好的底部筒节吊上焊接滚轮架，并调整法兰面与整体轴线垂直，然后吊装相邻管节放置液压组对机上，移动焊接滚辊架与液压组对机管节接近，调整筒节的纵缝位置，使相邻两节纵缝位置错开180°，对齐轴线进行点焊固定，转动滚轮架，通过液压组对机的各组对轮升降调整筒节间错边、组对间隙、局部不平度及各节段端口与轴线垂直度，组对完成后进行筒身轴线长度、对角的检查来控制长度尺寸和同轴度、平行度，以免在后续筒节组装过程调整，避免塔架长度尺寸和同轴度、平行度超差。然后进行环缝外表面进行加固焊。按上述方法依次组装其它管节，直至最后一节顶部筒节(带法兰))组装时，注意测量和调整整段管节的进行整体的平面度小于1mm，90°范围内0.5mm;顶法兰平面度小于0.5mm，90°范围内0.3mm;同轴度要求小于3mm;上、下管口法兰平行度小于2.5mm合格后进行加固焊。注意不允许强行组装以防止焊缝裂纹和减少内应力。不同壁厚在连接时必须光滑，厚度差≤3mm，斜度1∶4;厚度差＞3mm，斜度1∶5。
6)筒体法兰焊后测量技术分析。风电塔筒制造过程中，因塔筒刚性较差，发现在卧式姿态下因法兰端口受分段筒体自重的影响，所测量法兰的平面度、内倾度和螺栓孔中心圆度直径并不真实，因此在卧式姿态下对锻件法兰焊接后的平面度、内倾度和螺栓孔中心圆度直径的测量数据，与吊装立式状态下不完全一直，如何选择正确的测量时机、测量方法，需要进一步研究并通过试验加已论证。
7)塔筒防腐及补图油漆技术分析。在塔筒焊接完毕后要对其进行防腐操作。塔筒一般采用无气喷涂方法，将湿度控制在80%以内，表面温度与周边环境露点温度高3℃左右。并且涂漆过程中，对其环境空气和附件表面温度进行严格控制，根据不同的油漆使用标准进行相应的操作。在塔筒制造过程中，针对塔筒内部、外表面、法兰表面以及镀锌配件具有不同的涂装要求。针对塔筒油漆的维修主要具有三部分内容:①彻底对涂层和锈蚀层进行清除，使得金属母材露出要求为Sa2.5级。在处理过程中可以采用磨光机对处理的部位进行打磨，形成梯度的过渡层。②根据不同的漆膜厚度要求，使用设计配套油漆组合进行底部油漆的喷涂。③针对中间漆和面漆的施工，可以通过直接喷涂的方式满足设计配套油漆组合的要求，最后在测量干膜厚度，满足设计要求。
3结语
将塔筒制造质量控制技术研究风电塔筒的生产中，对进一步提高塔筒生产质量有着良好的促进作用。在甘天地二期试验区风电塔筒的制造过程中，为其选择科学合理的控制工艺，充分把握风电塔筒的关键制造点，对制造中的各个重要环节进行有效控制，最终保证甘天地二期试验区风电塔筒制造中产品各工序一次合格率达到99%以上，其余经过调校即可满足设计要求，法兰平面度、平行度、内倾度、筒节同轴度、筒节椭圆度及防腐等主要控制精度远高于规范要求，现场安装完成后100%穿孔，切实做到工艺执行方便、可靠，提高生产效率，保证产品质量与施工进度，生产实践证明该控制措施可在风电塔筒制造中广泛应用。
作者：刘同兵 吴春龙 徐先林 单位：中国水利水电第八工程局有限公司
