风力发电塔架法兰的制造工艺要求及质量控制.doc

风力发电塔架法兰的制造工艺要求及质量控制
摘 要 以金风750kW风力发电机组塔架的施工为例，浅谈法兰的制造工艺要求及质量控制
关键词 风力发电塔架 法兰 制造工艺 质量控制
风电是继热电、水电、核电等发电项目中产生的又一种新型发电工业体系。近年来世界风力发电如雨后春笋，逐年以二位数速度迅猛增长。我国风力发电起步于80年代末，集中在沿海和新疆、内蒙风能带。1986年～1994年试点，1994年新疆达坂城2号风场首次突破装机10MW。4年后，全国装机223MW，增长9倍，占全球风力发电装机的2.3﹪。　风力发电技术是把风能转变为电能的技术。通过风力发电机实现，利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电。 风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。一般风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。 风力发电机中调向器的功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。一般风力发电机几乎全部是利用尾翼来控制风轮的迎风方向的。尾翼的材料通常采用镀锌薄钢板。 限速安全机构是用来保证风力发电机运行安全的。限速安全机构的设置可以使风力发电机风轮的转速在一定的风速范围内保持基本不变。 塔架是风力发电机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。风力机的输出功率与风速的大小有关。由于自然界的风速是极不稳定的，风力发电机的输出功率也极不稳定。风力发电机发出的电能一般是不能直接用在电器上的，先要储存起来。目前风力发电机用的蓄电池多为铅酸蓄电池。　　
风力发电工业体系由以下子体系组成：机组、塔架、土地、勘测设计、风场配套、输电工程。随着风力发电塔架施工技术的日趋成熟、不断完善，施工的工艺编制难点、质量控制重点 — 法兰的组焊质量，成为整个塔架预制质量能否通过最终检验的关键环节，为此笔者在这里以金风750kW风力发电机组塔架的施工为例，浅谈法兰的制造工艺要求及质量控制。
风力发电塔架的法兰分4个种类：底座下法兰、塔架下法兰、塔架中法兰、塔架上法兰，其分布如图1所示。底座下法兰的材质是Q345C，δ=50；塔架下法兰的材质是Q345CⅢ，δ=80；塔架中法兰的材质是Q345CⅢ，δ=75；塔架上法兰的材质是Q345CⅢ，δ=50；执行标准见表1。法兰的质量主要从以下5个环节进行重点控制：平面度、角变形、端面平行度、同轴度、椭圆度。

表1 风力发电塔架法兰执行标准

标 准 编 号
标 准 名 称
备注
1
GB/T 1591-1994
低合金高强度结构钢
见参考文献1
2
GB/T 700-2006
碳素结构钢
见参考文献2
3
GB/T 1800.3-1998
极限与配合基础第3部分：标准公差和基本偏差数值表
见参考文献3
4
JB 4708-2000
钢制压力容器焊接工艺评定
见参考文献4
5
JB 4744-2000
钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验
见参考文献5
6
JB/T 4730.1～4730.6-2005
承压设备无损检测
见参考文献6
7
GB 150-1998
钢制压力容器
见参考文献7
8
GB/T 13306-1991
铭牌
见参考文献8
9
GB/T 1184-1996
形状和位置公差、未注公差值
见参考文献9
10
GB/T 8923-1988
涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级
见参考文献10
11
GB/T 9793-1997
热喷涂锌及锌合金涂层
见参考文献11
1 原材料的质量控制
1.1 法兰材料严格按图样要求选用，其各项性能指标应符合GB/T1591-1994(见参考文献1） 、GB/T700-2006(见参考文献2)以及相关标准要求。
1.2 法兰钢板必须具备质量证明书原件或加盖供材料单位检验公章的有效复印件（钢厂注明“复印件无效”时等同于无质量证明书）。
1.3 下列情况之一时，钢板必须按炉批号进行化学成分、力学性能复验，合格后方可使用：
a) 无质量证明书、质量证明书无效或质量证明书与钢板实物不对。
b) 质量证明书内 容项目不全的。
c) 制造单位对材料的化学成分和力学性能有怀疑的。
d) 用户或监造工程师要求复验的。
2 底座下法兰、塔架下法兰、塔架中法兰、塔架上法兰
2.1 底座下法兰
2.1.1 底座下法兰的预制
核对材料及标记，下料预留加工10mm余量，编程后进行数控切割，并进行材料标记移植。切割面斜度不大于2mm。塔架底座下法兰按排板要求进行拼接（见图2）。

4
塔架上法兰
1
Q345CⅢ
φ2162/φ1998
×50
塔架上段与塔架上法兰环缝C6
3
塔架中法兰
2
Q345CⅢ
φ2475/φ2162
×75
塔架上段与塔架中法兰环缝C5
塔架下段与塔架中法兰环缝C4
2
塔架下法兰
2
Q345CⅢ
φ3200/φ2910
×80
塔架下段与塔架下法兰环缝C3
底座环与塔架下法兰环缝C2
1
底座下法兰
1
Q345C
φ3493/φ2863
×50
底座环与底座下法兰环缝C1
件号
名 称
数量
材 质
规 格
焊 缝 编 号

图 1 风 力 发 电 塔 架 法 兰 焊 缝 布 置

图 2 底 座 下 法 兰
在平台上放样，并焊接定位挡板作为法兰组对胎具，将法兰各段在胎具上组对为一个整圆，各段之间必须焊接防变形板，使法兰平面度不大于0.5mm，采用Easy-Lasea激光检测仪进行焊前平面度测量，质量控制要求见表2。
表 2 塔 架 法 兰 平 面 度 焊 接 前 后 质 量 控 制 要 求
检 验 项 目
质量标准(mm)
检验工具
检验方法
质量控制
见 证
焊

前
底座下法兰
≤0.5
激
光 检 测 仪
每
个
法
兰
各
设
16
组
检
验
点
塔
架
法 兰 安 装 质 量 检 验 报 告
塔架下法兰
≤1.0
塔架中法兰
≤0.5
塔架上法兰
≤0.35
焊

后
底座下法兰
≤1.5
塔架下法兰
≤1.5
塔架中法兰
≤1.0
塔架上法兰
≤0.5
焊接时，先进行上面坡口焊接，焊接3遍后，翻个焊下面坡口，上、下面坡口交替焊接，每焊3层进行翻个，以免产生过大的焊接变形，法兰拼缝焊接完毕，及时进行焊缝的焊后保温缓冷处理。焊接方法及规范见表3。

表 3 法 兰 焊 接 方 法 及 规 范
焊缝编号
方 法
层 数
焊材
尺寸
(mm)
电 流
(A)
电 压
(V)
速 度
(cm/min)
工艺评
定编号
FLA1～8
GMAW
1
ER50－6
φ1.2
100～150
18～22

302BVGMAW－1
GMAW
2～12
ER50－6
φ1.2
150～200
22～25

预热温度80～120℃
C1～C6
GMAW
1
ER50－6
φ1.2
100～150
18～22

302BVGMAW－1
GMAW
2～10
ER50－6
φ1.2
150～200
22～25

SAW
11
H10Mn2
φ4
520～650
32～34
35～42
预热温度80～120℃
法兰拼接焊缝要求全熔透，焊缝100%UT检测，达到JB/T4730.3-2005(见参考文献6) I级合格。消除防变形板，打磨处理表面，采用油压机矫形，采用Easy-Lasea激光检测仪进行焊后平面度测量。质量控制要求见表2。对底座下法兰进行去除余量的机加工。
2.1.2 底座下法兰与筒节单节的组焊
2.1.2.1 法兰与筒节单节组对
为了有效的控制法兰角变形（法兰与单节筒节焊接后在法兰端面轴向形成的变形量，示意见图3），我们采用以下方法进行组焊：法兰与筒节单节组对，与法兰相连接的筒体在塔架筒体环缝组对前先与法兰组焊。筒体与法兰组对前必须先校核筒体端部椭圆度，调整至合格。彻底清理塔体的坡口内及两侧各20mm范围内的铁锈、油污等杂质。组对时在平台上倒拨筒体无间隙组对，法兰与筒体组对时的方位严格按法兰及筒体排板要求。为有效控制法兰焊接后的变形量，确保变形量不超差，焊接前必须将两段带法兰筒体用螺栓连接在一起，将法兰紧固好，然后焊接，如图3所示。
2.1.2.2 法兰与筒节单节焊接
法兰与筒节单节的焊接方法及规范见表3，法兰与筒体的焊接坡口形式按图样、焊接工艺要求，焊接采取先里后外、对称焊接的顺序，焊接时要求全焊透，对于局部地方未焊透的，可采用磨光机打磨的方式清根，尽量不采用碳弧气刨进行清根。焊接外口前要对整个坡口用磨光机打磨光滑，以去除焊接内口时留下的药皮、飞溅等杂物。在焊接过程中，要随时检查螺栓的紧固情况，如发现有松动现象，应将螺栓把紧后再施焊。底座下法兰焊后角变形的质量控制要求见表4。

图 3

表 4 塔 架 法 兰 焊 后 角 变 形 质 量 控 制 要 求

2.2 塔架下法兰、塔架中法兰、塔架上法兰
2.2.1 塔架下法兰、塔架中法兰、塔架上法兰全部采用成品外购。
2.2.2 法兰与筒节单节组对工艺方法及质量控制
法兰与筒节单节组对工艺方法同2.1.2.1，法兰平面度焊接前质量控制要求见表2。
2.2.3 法兰与筒节单节焊接工艺方法及质量控制
法兰与筒节单节焊接工艺方法同2.1.2.2，法兰平面度焊接后质量控制要求见表2，法兰焊后角变形质量控制要求见表4。
3 端面平行度、同轴度、椭圆度的质量控制
3.1 将塔架单元放置于托辊上进行无间隙组对，组对时要先将塔架中心线用水平管或水平仪调水平，使塔架中心线在同一水平线上，然后用线坠调整两端法兰0°、90°、180°、270°方位线，使两头法兰方位线对齐，调整合格后方可合拢组对。同样要求筒体环缝组对时在筒体内侧进行，在焊接托辊上进行环缝焊接，先焊内口，反面清根后焊外口。
3.2 整段筒节两端面平行度和同轴度检测与修正：

图 4

按图4所示做中心支架，在01(02)位置分别固定找出中心孔，要求孔◎φ1，测量并记录A、B、C、D四个象限斜边长，其相对差值3mm以内为合格，多余应磨削修正到合格。筒节平行度和同轴度检测利用激光检测仪和DISTDTMclassic5/classic5a激光测距仪进行测量符合图样要求。端面平行度、同轴度检测记录表见表5。

表 5 端 面 平 行 度、 同 轴 度 检 测 记 录 表
象 限
O1A1
O1B1
O1C1
O1D1
O1面斜边长

象 限
O2A2
O2B2
O2C2
O2D2
O2面斜边长

3.3 塔架下段和上段主体验收合格后应进行总体组对，按3.2的方法利用激光检测仪和激光测距仪检测上、下法兰的端面平行度、同轴度，四个斜边长度差值在8mm以内为合格，质量控制要求见表6。
表 6 塔 架 法 兰 焊 后 端 面 平 行 度 、 同 轴 度 质 量 控 制 要 求
检验项目
质量标准
（mm）
检验工具
检验方法
质量控制
见 证
塔架上段
、
塔架下段

≤3
激
光
检
测
仪
、
激
光
测
距
仪
塔架上段、塔架下
段象限斜边测量

风
力
发
电
塔
架
验
收
记
录
整体塔架
≤8
整段筒体象
限斜边测量
简 图:

3.4 塔架法兰焊后椭圆度质量控制要求见表7。为防止塔架法兰在运输过程中变形，法兰平面必须采用10#槽钢米字支撑固定(M20及M30螺栓连接)，如图5所示。
表 7 塔 架 法 兰 焊 后 椭 圆 度 质 量 控 制 要 求
检验项目
质量标准
(mm)
检验工具
检验方法
质量控制见证

塔架法兰

±1
样板、直尺
沿法兰端面径向测量
风力发电塔架验收记录

图 5

结束语：采用以上施工工艺可有效的控制风力发电塔架法兰的制造质量。在金风750kW风力发电机组塔架法兰施工中得到了很好的验证，塔架法兰质量经驻厂监理工程师和业主监检一次合格，并且得到了监理工程师和业主的高度评价。此方法应用于吉林白城（06J-BCFT-1-40)、国电兴城（07J-XCFT-1-33）、富汇风能（07J-FHFT-1-33)、河北建投（07J-JTFT-1-17)、国电兴城二期（07J-LHFT-1-33）、南车一(07J-NCFT-1-2) 、南车二 (07J-NCFT-1) 、河北崇礼（07J-CLFT-1-29）、上海瑞仁（07J-RRFT-1-5）、内蒙赤峰08J-NMFT1-(1-30)、内蒙古富汇风能(07J-FHFT-1-33)等15项工程，制造了398台的风力发电塔架，都收到了很好的效果，值得推广。

参 考 文 献
1
GB/T 1591-1994
低合金高强度结构钢 国家质量技术监督局 中国标准出版社
2
GB/T 700-2006
碳素结构钢 中华人们共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会 中国标准出版社
3
GB/T 1800.3-1998
极限与配合基础第3部分：标准公差和基本偏差数值表
国家质量技术监督局 中国标准出版社
4
JB 4708-2000
钢制压力容器焊接工艺评定 国家机械工业局
国家石油和化学工业局 全国压力容器标准化技术委员会
5
JB 4744-2000
钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验 国家机械工局
国家石油和化学工业局 全国压力容器标准化技术委员会
6
JB/T 4730.1～4730.6-2005
承压设备无损检测 国家发展和改革委员会 新华出版社
7
GB 150-1998
钢制压力容器 国家技术监督局 中国标准出版社
8
GB/T 13306-1991
铭牌 全国压力容器标准化技术委员会 中国标准出版社
9
GB/T 1184-1996
形状和位置公差、未注公差值 国家技术监督局 中国标准出版社
10
GB/T 8923-1988
涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级 国家技术监督局
中国船舶工业总公司六0三所
11
GB/T 9793-1997
热喷涂锌及锌合金涂层 国家技术监督局 中国标准出版社

8