陆上大功率风电塔架嵌入式超厚加强板制作安装工法

陆上大功率风电塔架嵌入式超厚加强板制作安装工法

1.前言

2020年国家明确提出到2030年实现“碳达峰”，到2060年实现“碳中和”的目标。目前，全国风电、光伏累计装机5.3亿千瓦，还有近7亿千瓦的装机缺口，新能源市场前景广阔，我国风电机组技术实现日益突破，随着风电机组的大型化发展趋势及海上风机的应用，塔架的高度和截面尺寸随之增大，使得塔架在加工、运输及防腐方面的成本问题逐渐浮现出来，在保证塔架根基部位稳固的同时，需降低造价，加强板嵌入式风电塔架是国内风电行业针对低风速区推出的大功率产品，采用进人门位置嵌入超厚加强板结构分散门框部位应力方式降低成本。我公司攻克技术难点，通过对可旋转防变形紧固装置、一字型加固弧度装置、通用型支撑装置、薄厚板对接高效焊接技术等进行分析，攻克并掌握嵌入式超厚加强板制造所涉及的关键、核心技术，形成超厚加强板式风电塔架系统化、成熟高效的制作安装工法。

2.工法特点

2.1厚壁加强板排料采用4合1方式，非对接侧采用数控仿形切割R200mm圆弧，相邻圆弧间预留8mm补偿切割损耗以及避免厚板卷圆过程中开裂现象，从而控制分片加强板对接精度。

2.2采用可旋转防变形紧固装置通过紧固机构、支撑机构将筒形加强板固定，沿着解体线直接切开，不需要端头预留以及二次切割，有效避免超厚加强板分割时内应力引起的反弹，增加部件工艺精度。

2.3加强板对接后上、下两部分内弧横向采用一字型加固装置，纵向增加U型连接板，控制进人门洞位置厚板热切割引起对接位置开裂以及内陷变形。

2.4进人门框、嵌入式加强板与下段塔筒整体装配后按照先内后外顺序焊接，采用60°通用型支撑装置，控制厚板对接、薄厚板对接位置局部大量焊接引起的积聚性变形。

2.5塔架“1+1”内嵌式孔洞采用180°对称焊接工艺，控制近距离平行多道焊接引起法兰平面度变形。

3.适用范围

适用于风电塔架嵌入式超厚加强板装配及焊接，尤其对大直径风电塔架厚壁加强板装焊更有优势。

4.工艺原理

陆上大功率风电塔架相比常规机型塔架，塔筒直径变大，目前直径4450mm～4950mm，进人孔采用加强板补强，加强板占据筒节圆周60°，高度4200mm，板厚增加到90mm。加强板采用一分为二非对称方式对接，排料采用4合1方式，上、下两部分加强板下料时非对接侧采用数控仿形预切割R200mm弧形豁口，相邻圆弧间预留8mm用以补偿切割损耗以及避免厚板卷圆过程中开裂，控制分片加强板对接精度；厚壁加强板卷圆后内应力大，研制出一种可旋转防变形紧固装置进行分片切割，通过两个紧固机构将筒形加强板固定，可直接将筒形加强板沿着解体线切开，不需要端头预留以及二次切割，采用支撑机构支撑，有效避免解体后筒形加强板反弹变形；上、下两部分加强板对接后未进行焊接，内弧横向采用一字型加固装置，纵向对接位置增加U型连接板，控制进人门洞热切割引起内陷变形；加强板下边缘距离T型法兰750mm，加强板孔洞大小为4200*2592mm矩形，门洞大小为3370*970mm椭圆形状，距离法兰端面1165mm，塔架“1+1”内嵌式孔洞位置整体装配后按照先内后外顺序焊接，采用圆周60°通用型支撑装置、180°对称焊接工艺，控制局部大量焊接以及近距离平行多道焊接引起的积聚性变形，尤其近距离平行焊接引起变形，保证整段底塔法兰焊接平面度，尤其接近内嵌式孔洞端法兰焊后法兰平面度≤2mm，内倾度≤1.5mm。

5.施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程

数控切割下料→“4合1”卷制成型→加强板分片切割→加强板对接、坡口开设→进人门安装洞切割、装配→加强板安装洞切割、装配→“1+1”内嵌式装配件焊接→焊后消应力及无损检测→防腐涂装。

5.2操作要点

5.2.1数控切割下料

图5.2.1-1超厚加强板上、下部分下料示意图

下段塔架为直筒型结构，为避免筒体环缝与加强板对接缝出现十字焊缝，加强板采用一分为二非对称方式对接，排料采用4合1方式，如图5.2.1-1所示，由4个单片组成，展开下料尺寸均为矩形，加强板最大厚度达到90mm，上、下两部分加强板下料时非对接侧采用数控仿形预切割R200mm弧形豁口，相邻圆弧间预留8mm用以补偿分片切割损耗以及避免厚板卷圆过程中开裂，控制分片加强板对接精度。

排料、下料过程中控制要点如下：

1.单片预留8mm补偿切割损耗以及坡口热切割收缩变形量，厚板切割余量通常为3mm，经验证，厚板坡口热切割收缩变形量1.5~3mm不等，偏差对加强板嵌入安装精度的影响可忽略不计。

2.首张钢板气割后的坯料应按规定进行相关尺寸的检验，弦长实测值与理论值相对差≤2mm，母线各实测值相对差≤1mm，对角线各实测值相对差≤2mm，合格后方可进行批量下料，每张钢板下料时及时进行信息移植。

5.2.2“4合1”卷制成型

排料采用4合1方式，单张钢板两侧增加200mm用来卷制预弯以及尺寸补偿，钢板端头预弯完成后进行滚圆，用长度750mm样板对钢板弧度进行检查，样板与筒体间隙≤1.5mm。

5.2.3加强板分片切割

常规的加强板切割方法为采用弧形底座、内部拉筋及起重设备辅助进行固定切割，两侧端头必须预留≥100mm长度避免由于切割解体释放巨大内应力，整体切割完后需要二次切割，弧形底座采用固定结构，不能满足不同机型、不同直径加强板使用，造成资源浪费。

图5.2.3-1可旋转防变形紧固装置

研制出一种可旋转防变形紧固装置进行分片切割，通过两个紧固机构将筒形加强板固定，采用半自动火焰切割机沿着解体线进行解体切割，不需要两侧端头有预留以及二次切割，直接从筒形加强板的一端切向另一端，支撑机构将筒形加强板支撑住，避免其反弹变形，可实现加强板与筒体自由、平稳装配，较好的控制嵌入间隙≤1mm，组对错台≤1mm，有效增加了部件工艺精度，攻克了大功率风电塔筒内嵌式加强板高精度组对“卡脖子”问题。

5.2.4加强板对接、坡口开设

上、下两部分加强板对接后点焊打底，未进行全部焊接，纵向对接位置增加U型连接板，控制坡口切割引起变形开裂。

图5.2.4-1超厚加强板对接

加强板对接、筒节和加强板安装均采用中径对齐方式，薄厚钢板对接需按照1:4的斜度平滑开设过渡坡口，厚壁加强板双面坡口削薄宽度达到70～80mm，采用双割嘴半自动设备，调节割嘴前后距离及坡口成型角度，双面切割一次成型，打磨坡口表面氧化铁。

开设X型坡口时，采用内侧2/3深度坡口角度50°，钝边3mm，外侧坡口角度60°，成形效果和内部质量都是最好的。

5.2.5进人门安装洞切割、装配

进人门框安装洞切割面积较大，采用对称切割方式先直边段再圆弧段，由于热切割对工件不均匀的加热和冷却，材料内部应力的作用使被切割的工件发生不同程度的弯曲或移位，通过调整切割顺序以及加强板上、下两部分内弧横向增加一字型加固装置，纵向对接位置增加U型连接板，避免进人门洞位置厚板热切割引起对接位置开裂以及内陷变形。

5.2.6加强板安装洞切割、装配

采用事先制作的轻型模具进行实配、划线，切割面积较大，采用对称切割方式先直边段再圆弧段，通过调整切割顺序，控制X1、X2筒节切割热变形，保证整段底塔法兰焊接平面度尤其接近“1+1”孔洞端法兰焊后平面度≤2。

5.2.7“1+1”内嵌式装配件焊接

加强板下边缘距离T型法兰750mm，加强板孔洞大小为4200*2592mm矩形，门洞大小为3370*970mm椭圆形状，距离法兰端面1165mm，塔架“1+1”内嵌式孔洞位置整体装配后按照先内后外顺序焊接，采用60°通用型支撑装置、180°对称焊接工艺控制局部大量焊接以及近距离平行多道焊接引起的积聚性变形，尤其近距离平行焊接引起变形，保证整段底塔法兰焊接平面度尤其接近内嵌式孔洞端法兰焊后法兰平面度≤2mm，内倾度≤1.5mm。

1．“1+1”内嵌式装配件焊接

采用CO2气体保护焊进行定位焊接，焊丝采用药芯焊丝T554T8-U，埋弧焊焊接采用H10Mn2和SJ101，焊接应遵循“先内侧焊缝，后外侧焊缝，双侧交替焊接，先筒体一侧环缝后法兰一侧环缝”的原则施焊，在焊接过程中注意随时调整电流、电压，焊接层数以及焊接道数必须严格按照焊接工艺规程执行。

2．焊接控制要点

厚板焊接时填充焊材熔敷金属量大，焊接时间长，热输入量高，构件施焊时焊缝拘束度高、焊接残余应力大，施焊过程中，易产生热裂纹与冷裂纹。

针对厚板焊接，制定以下焊接要点：

（1）焊前清理坡口两侧50mm范周内的毛刺、油污、水锈及氧化皮等，打磨后应尽快合装并焊接完毕，预热范围为板厚的5倍，且≥100mm。

（2）预热：焊接前对被焊工件用火焰预热，预热温度为100-200℃，层间温度的控制范围为125～200℃，预热速度为2℃／min。

（3）后热：厚板对接焊后，应立即将焊缝及其两侧各100～150mm范围内的局部母材进行加热。加热温度到250～350℃后用石棉铺盖进行保温，保温2h后空冷，防止焊缝及热影响区内出现裂纹。

5.2.8焊后消应力及无损检测

1.下段整体振动时效消应力

塔架“1+1”内嵌式孔洞位置由于受热不均匀以及局部大量焊接内部产生不均匀塑性变形，焊接完毕后，存在大量的焊接残余应力，极大地影响塔筒的疲劳强度和抗拉强度。

选用型号为VSR-70型振动时效，电机通过C形卡兰夹持固定在构件上，塔筒在振动应力和残余应力共同作用下，产生局部的塑性变形降低或均化构件内的残余应力，从而提高构件的使用强度，减小变形及稳定尺寸的精度。

2.“1+1”内嵌式装配件焊缝无损检测

3.整体焊接完成关键参数测量

焊接完成后，经焊后消应力处理，再次测量关键尺寸技术指标，见下表5.2.8-2，从表中可以看出，焊接方法选用得当，焊接顺序及防变形工装合理，焊后消应力处理得当，加强板内嵌式塔筒焊接后形体尺寸基本未发生变化。

5.2.9防腐涂装

塔筒防腐过程中产生的有毒有害化学物和漆雾处理是环保机构检查的重点，也是塔筒制作厂家的关注焦点，以往塔筒防腐在固定支架或滚轮台车上作业，会造成油漆表面损伤，修复难度较大，且修复后油漆表面会与原表面形成色差，对此采用一种法兰端部辅助防腐装置进行室内防腐，解决了防腐过程中的筒体窜动、二次污染、大面积返修、漆膜厚度不均等问题，同缩短了防腐工序的时间，为防腐的质量提供了前期保障。

5.3劳动力组织

需用的劳动力及现场管理人员。专职安全员22施工人员焊工20持专业特种作业证上岗冷作20起重工3持专业特种作业证上岗合计506.材料与设备本工法无需特别说明的材料，采用的机具设备见表6.1-1。表6.1-1主要机械设备表序号设备名称规格及型号单位数量备注1数控切割机BODA-5000S台1加工范围5-250mm2数控卷板机W11S-120*4000台1最大卷板厚度120mm3半自动切割机G2-100A台34埋弧焊机MZ-1250台85CO2气保焊机A120-500台26CO2气保焊机NB500+FEED150B台17时效振动仪睿智VSR-70台18残余应力测试仪HK218台19智能温度控制箱ZWK-360-12-12台110TOFD超声波探伤仪汉威HS810

台1探伤范围0～120mm11焊缝检测尺HJC60

把2焊缝高度：0～1512激光测平仪EasyW402

台2测量距离：40m7.质量控制7.1大功率超厚加强板嵌入式风电塔架验收质量标准表7.1-1大功率超厚加强板嵌入式风电塔架验收质量标准表序号名称设计要求值1塔筒圆度偏差最大值(dmax-dmin)/dnom<0.0052纵向焊缝处的凸、凹棱角度最大值≤3mm3焊缝组对错变量≤2mm4相邻筒节纵缝布置应相互错开180°5筒节纵缝与法兰定位方式在法兰两螺栓孔之间定位焊6内倾度顶法兰≤0.8mm中间法兰≤1.0mm底法兰≤1.5mm7筒体两端法兰的平面度顶法兰偏差≤0.8mm，其余≤2mm8筒体两端法兰的平行度偏差≤4mm9筒体两端法兰的锥度偏差0～1mm10筒体两端法兰的同轴度偏差≤1mm7.2质量控制措施7.2.1采用“4合1方式”，上、下两部分加强板下料时非对接侧采用数控仿形预切割R200mm弧形豁口，相邻圆弧间预留8mm用以补偿切割损耗以及避免厚板卷圆过程中开裂。7.2.2样板与超厚加强板间隙≤1.5mm，控制筒体对接间隙0～1mm，错边量0～1mm，错口量为1/4t，且不大于1.5mm。7.2.3加强板对接后上、下两部分内弧横向采用一字型加固装置，纵向对接位置增加U型连接板，避免进人门洞位置厚板热切割引起对接位置开裂。7.2.4薄厚钢板对接需按照1:4的斜度平滑开设过渡坡口，厚壁加强板双面坡口削薄宽度达到70～80mm，采用双割嘴半自动设备，调节割嘴前后距离及坡口成型角度，双面切割一次成型，打磨坡口、钝边，坡口周边30mm范围至露出金属光泽。7.2.5“1+1”内嵌式孔洞开设采用热切割方式，开孔位置100%检查是否有裂纹，不允许有裂纹产生。7.2.6埋弧焊连续进行，所有焊缝均为全熔透焊缝，清根后再进行反面焊接，焊缝区域充分预热，预热温度为120-200℃，厚度大于38mm的钢板作后热消氢处理。7.2.7焊接工作不允许伤害筒体，不允许在筒体任何部位进行引弧。8.安全措施贯彻落实本公司安全管理规章制度，全面执行“安全生产、预防为主、全员参与”方针政策，制定以下安全技术措施：8.1现场吊运防护措施8.1.1加强板板切割后画出吊点，在后面的工序中应尽量吊吊点，防止对筒体多处造成吊装卡印。针对特大型设备及关键特殊设备翻身作业，制定《专项吊装方案》。大件吊装时，应进行试吊，试验过程检查各部位受力情况及吊装设备的稳定情况有无异常。8.1.2吊装要有固定起重指挥人员，作业时任何人不得干涉指挥。地面吊装作业可采用手势、哨声进行指挥，视线遮挡采用对讲机联系方式，作业人员指挥应随时保持联系，使总指挥根据运筹中发生出现的情况，果断指挥，并发出正确的指令。8.2焊接操作安全措施8.2.1焊接时，焊接人员必须穿绝缘鞋、配戴绝缘手套等防护用品，当焊件表面潮湿、覆盖有冰雪，或在下雨、下雪刮风期间，焊工及焊件无保护措施时，不应进行焊接。8.2.2高处作业中的手动工具、焊条、切割块等必须放在完好的工具袋内，并将工具袋系好固定，不得随意放置，以免物件发生坠落打击伤害。8.3其他相关安全措施8.3.1施工前对工人进行详细的安全技术交底，且有文字记录。8.3.2乙炔、氧气瓶应设专门支架稳定放置并保持5米间距，严禁爆晒及烘烤，搬运时应轻搬轻放严禁磕碰及在地上滚动。9.环保措施我们将据依据GB/T24001-2016idtISO14001:2015《环境管理体系规范及使用指南》，建立环境管理体系，制定环境方针、环境目标和环境指标，配备相应的资源，实现施工与环境的和谐，达到环境管理标准的要求，确保施工对环境的影响最小，并最大限度的达到施工环境的美化。9.1施工过程做到工完、料尽、场地清，随时清理现场，完成一处，清理一处，不留垃圾，不留剩余施工材料和施工机具。9.2建立健全卫生保洁制度并落实到人，定期进行卫生大扫除，清理卫生死角。9.3对进入现场的工作人员尽量实行着装统一化，胸前佩带上岗证；对专业管理人员，如专职安全工程师、安全员、质检人员等，服饰要求清楚醒目，标识清楚。10.效益分析10.0.1本工法通过对陆上大功率风电塔架嵌入式超厚加强板制作各工序质量严格控制外，设计了一整套辅助制造工装，尤其“1+1”孔洞切割及安装工序，安装精度得到有效保证，大大提高了生产效率，部分工装采用边角料制作，按目前市场价钢材6000元/吨，工装制作使用各类边角料68吨左右，可节省68*6000元/吨=40.8万元，该工装已成功在我公司生产的各风机厂家的塔筒制造项目中稳定运用，产量提升27158t，创造经济效益27321.38万元。10.0.2采用整体装配后焊接，减少了进人门洞位置焊接作业量，在保证施工安全和施工质量的前提下，投入的人力和资源较常规施工投入的人力和资源少，施工周期更短，劳动生产率和施工进度明显提升，经济效益良好。10.0.3采用一种法兰端部辅助防腐装置进行室内防腐，解决了防腐过程中的筒体窜动，二次污染，大面积返修，漆膜厚度不均等问题，为防腐的质量提供了前期保障。11.应用实例瓜州县北大桥第六风