浅谈风力发电塔筒法兰平面度控制工艺

浅谈风力发电塔筒法兰平面度控制工艺
摘要：风力发电塔架是风力发电机的一个关键支撑部件，它是由数段圆锥筒体
依靠连接法兰组成一个锥形圆筒状结构。

由于每段塔架是由滚制筒体和连接法兰
焊接而成，如何控制塔架两端连接法兰焊接后的平面度是塔架制作的关键。

本文
分析了风力发电塔筒法兰平面度控制工艺。

关键词：风力发电塔筒；法兰平面度；控制工艺；
塔筒作为风力发电机组的重要设备之一，其制作精度要求比较严格。

制造厂
家在生产时认为其制造技术较为简单，未能引起足够的重视。

一、概述
风能作为一种不产生任何污染的可再生能源，在自然界蕴量巨大。

开发风能
占地少，投资期短，近年来在世界各地得到了迅猛发展。

塔架是风力发电机组的
主要支撑部件，承受载荷包括风载荷、机组自重及由机组重心偏移引起的偏心力
矩等。

其结构多为圆锥台形的钢制焊接圆筒，高度一般在50~100m之间，底部直径3~5米，顶部直径2~3米，筒体板厚不等,多在10~40mm变化，材质均为Q345级，多建在偏远风多的丘陵及沿海地带。

受运输和吊装的限制通常分段制作，段
与段之间通过法兰采用高强螺栓连接。

由于塔架受力复杂，法兰的平面度直接影
响法兰的结合程度和预紧状态，良好的结合才能更好的传递上部的力到基础，因
而对法兰的平面度作出比较严格的要求。

二、风力发电塔筒法兰平面度控制工艺
1.在下料过程中控制塔筒节扇形钢板的弦长、弦高、对角线偏差。

全部料坯
下料前应对外形尺寸进行检查，完全合格后，进行批量下料。

每段塔筒中间节应
预留焊接收缩余量，一般预留2-3毫米，与法兰连接的筒节在钢板下料时应预留
修正余量，一般预留5-10毫米。

筒节卷制、组对、焊接过程控制其圆度。

一是在筒节卷制过程中，按照滚压线进行卷制，在这个过程中要注意对板面及卷板机上
下辊进行清理，以防氧化铁等杂物对板材造成压伤；对接完成后，要用角缘磨光
机对焊道及坡口两侧30mm内进行打磨处理，要求去除铁锈及氧化皮，露出金属
光泽，然后实施打底焊，焊缝应均匀、规整，焊后对焊接飞溅等及时进行清理。

二是卷制过程中注意控制压延次数，将筒节的周长误差控制到最低值。

三是合拢
时要注意接口两端不能出现错边、外凸内凹现象，合口错边量控制在0～1mm以内，间隙在0～1mm内。

四是单节筒节卷制不允许出现死弯，卷形过程中用弧形
样板多次检查其圆度，不允许卷过量，直径尺寸偏差控制在±3mm以内，卷形后
筒节两头用十字拉筋支撑，筒节纵缝两头分别焊接与筒节相同板厚和相同坡口的
引熄弧板，以保证焊接质量，尺寸为150×100mm，完成后才能进入下道焊接工序。

五是筒节纵缝焊接过程中，严格按塔筒焊接技术工艺规程，第一层打底焊尽量选
择偏小焊接参数，电流过大，很容易产生焊接应力，造成筒节变形，每道焊缝焊
完后要进行消缺处理后，再进行下道焊缝焊接，尽量减少焊接变形。

2.对法兰进行加工时需预留内倾量。

筒节和法兰进行组装时采用传统的组对
方式，然而当焊接完成后，因受焊接应力的作用，在去除连接螺栓后，会出现法
兰外翻变形的现象，与设计要求不符合。

一旦法兰外翻变形，应及时采取传统火
焰加热的方法对其校正，使法兰内倾量达到设计要求。

一般情况下，外翻变形量
在2.0-2.8毫米之间时，需3小时的校正时间，如果超过3小时，将无法对其进行校正，只能打开焊缝，对法兰进行校正后，重新进行装配、焊接。

这样不但浪费
物力、人力，而且延缓了生产进度。

在生产过程中，对焊接后的法兰外翻变形数
据进行统计分析，然后通过合理科学的组焊工艺，大约95%的法兰外翻变形量2.5毫米以内。

所以，应预先对成品法兰加工预留内倾量2毫米以内，然后再进行后续的装配、焊接工艺。

3.对法兰与筒节进行组装时，控制筒节管口平面度。

一是对法兰与筒节进行组装时，应按要求在标准平台上实施组装，平台混凝土结构应稳固结实，在上层铺设大于100毫米厚度的钢板，对钢板表面进行一定加工，平面度控制在1.0毫米范围；在平台上依照法兰直径的大小，对装焊法兰固定胎具进行合理布置，胎具使用机加工制作完成，法兰和胎具接触平面应保证平面度为0.5毫米。

因为塔筒存在一定的锥度，所以各段塔筒连接法兰的直径不相同，进行加工制作法兰固定胎具时，需充分考虑到这一问题，在固定胎具时要对全部法兰组装的所需要求同时兼顾到。

将法兰固定于平台胎具内，通过工艺螺栓加强法兰和胎具的紧密性与牢固性，同时检查法兰颈的平面度。

吊入筒节和法兰颈进行对接。

在对接前，对筒节的圆度、管口的周长和平面度进行严格检查，保证筒节和法兰周长的差小于3.0毫米；对接时在筒内钢平台上焊接挡块，利用楔子对其不圆度及少量错台进行微调，同时保证对接间隙的均匀性，并小于2.0毫米。

组对完成后，实施打底焊，打底焊采取等距分段打底法。

根据塔筒制造相关要求，连接法兰不允许外翻。

在筒节与法兰焊接前，首先对相邻的法兰进行组合，使用工艺螺栓把紧，从而控制焊接变形。

为使法兰焊接完成后能够达到塔架制造技术条件的相关要求，因而连接法兰把紧时，需填加3.0-3.5毫米厚度的垫片进行焊接变形控制，垫片数量最少是12个，按法兰内圆圆周均布；顶法兰把紧时加厚度2.0mm垫片进行焊接变形控制，垫片数量至少为8个，按法兰内圆圆周均布；法兰把紧应对称、均匀施力，同时法兰外缘结合严密。

4.法兰焊接。

一是法兰焊接变形原因。

由于法兰与筒体环缝焊接时,坡口形式为内坡口，按常规的焊接顺序为焊完内侧，然后外侧清根焊接外侧。

由于焊接时焊缝区和法兰脖处温度很高，在无约束状态下法兰受热迅速膨胀。

当焊缝区温度逐渐冷却时，连接法兰因厚度较厚(厚度120～170mm)，刚度较大，与焊接区焊缝的冷却速度不一致；法兰热影响区温度冷却较缓慢，导致焊缝区域在冷却时产生的收缩应力无法抵消；法兰因热影响区受热而产生膨胀应力，从而使远离焊缝区的法兰面里侧形成“外翻”的“角变形”。

若筒体端口不平行且法兰放置不平就会造成焊缝组对间隙不均匀，在焊接过程中法兰面容易出现“波浪变形”，造成法兰面焊接后平面度极差。

5.法兰焊接时应注意的问题。

一是焊后冷裂纹。

由于法兰是锻件，如果焊接工艺参数选择不当且强力组对，很容易造成环缝焊接完毕后一段时间，在靠近焊缝、沿法兰脖颈方向出现纵向贯通的冷裂纹．并且此种裂纹有沿刚度大的地方继续扩展的趋势。

这种延迟裂纹对塔架的质量是致命性的，必须引起高度重视。

因为，法兰裂纹一般无法修补，裂纹可导致法兰整体报废。

二是针对法兰焊接热影响区出现裂纹应注意的问题。

（1）加强法兰组对前的无损检测工作，主要运用MT检测(磁粉检测)对法兰脖颈处进行表面裂纹探伤。

（2）改进组对工艺，避免强力组对。

（3）防止焊缝热影响区出现冷裂纹。

采取的技术措施为：尽可能降低焊缝中扩散氢含量；降低焊接应力和冷却速度；焊前预热，控制层间温度和焊接线能量。

焊后48h后用MT检测焊缝表面有无裂纹出现。

通过长期的实践，提高与优化风电塔筒法兰和筒体的组焊工艺，尤其是通过使用法兰加工预留内倾量的策略，使法兰平面度得到了有效控制，使得一次性合格率得到了大幅提升，不但提升了生产效率，减少了生产成本，还消除了因频繁
刨焊所导致的焊缝外观质量差、焊缝成形不佳的问题，有效提升了产品外观质量以及内在品质，得到了用户良好的评价。

参考文献：
[1]陈祝年．焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2015
[2]粱博，许芳，王国粱．H型钢组装焊接产生裂纹的原因分析[J].钢结构，2016，23(4):61-64．
[3]吴崇志，李庆光，李辉．全焊接电站锅炉钢架的变形控制[J].钢结构2016,23(3):29-32。