风力发电塔架法兰与筒体焊接变形预防控制技术分析

完海涛

中国水电四局（福清）装备工程有限公司 福建福清 350300

风电机组在结构组成上由直形筒体、锥形筒体、基础环组成，与法兰进行安全连接组成风力发电塔架。因每段塔架由滚制筒体与连接法兰焊接形成，导致该塔架在运行应用过程会承受较多作用力影响而出现质量缺陷问题。举例而言，风力作用于叶轮上的推力、扭矩以及弯矩力等，再加上现场工作环境较为复杂，促使如何控制塔架两端连接法兰焊接质量以及平面度问题基本上可以视为塔架制作过程予以重点克服的难点问题[1]。结合当前应用实践情况来看，为加强对法兰变形问题的预防与控制，工作人员可在采购法兰时预留好内倾量问题。并在此基础上，在焊接阶段利用对把焊接方法，保证法兰间的夹垫片得以紧固化，减少法兰平面度以及内倾度变形问题出现。

1 风力发电塔架法兰设计原则及变形成因分析

1.1 法兰平面度、内倾度设计要求

对于风电塔筒上段顶部法兰总装设计而言，因其往往与风电机组机舱推力轴承相连接应用，促使其在装焊形位公差控制要求方面相对严格。结合现场设计经验来看，风电机组塔架焊接处理之后，法兰平面度要求需要控制在0.5mm左右。同时，基础环上法兰平面度要求为1.5mm，其余法兰平面度要求为2mm。除此之外，对于法兰焊后内倾度而言，顶法兰内倾度应该控制在0mm～0.5mm、其余内倾度应该控制在0mm～1.5mm。

1.2 法兰焊接变形成因

法兰与筒体进行环缝焊接操作时，法兰坡口均表现为内侧坡口。鉴于这一特点，现场操作人员在焊接顺序的确立上，应该为先焊完内侧再焊外侧。在焊接操作过程中，因焊缝与焊缝附近法兰在脖颈温度方面表现较高，且在无约束状态下，法兰容易受热且迅速膨胀。其中，当焊缝温度逐渐趋于冷却化发展时，连接法兰会受到自身厚度问题的影响，与焊缝冷却速度不一致[2]。

与此同时，法兰热影区温度冷却相对缓慢，可能会导致焊缝区域在冷却期间所产生的收缩应力难以得到有效抵消处理。也就是说，法兰会在热影响区的作用下而产生膨胀应力。除此之外，当法兰与筒体组对时，可能会出现间隙过大或者法兰放置不平的现象，在焊接操作过程中，法兰面容易出现波浪变形问题。当波浪变形问题表现过于明显时，可能会引发法兰面焊接后平面度以及椭圆度较差的问题。

2 风力发电塔架法兰与筒体焊接变形预防控制技术方法及相关研究

2.1 法兰采购期间做好内倾量的预留工作

风电机组在顶部法兰焊前平整度要求的控制上，应该设计为0.35mm。其中，焊后顶部法兰平面度需要控制为0.5mm、内倾度为0mm～0.5mm。其中，为全面提高塔筒法兰内倾量一次生产合格率，现场操作人员经反复试验最终确定成品法兰预留内倾量，分别为顶法兰1.50+0.2mm、其余法兰20+0.5mm。

针对于此，建议在采购法兰时应该事先对法兰进行内倾量预留处理，目的在于预留焊接反变形。结合现场反馈情况来看，通过利用上述工艺改进方法，现场法兰与筒体焊接后内倾度在一次合格率方面已经高达97%，有效提升了现场生产效率以及经济效益[3]。

2.2 合理运用对把固定法控制法兰角变形问题

为确保法兰焊接后可以满足塔架制造技术要求，现场操作人员需要在连接法兰时将用于把紧加厚的垫片进行焊接变形控制。一般来说，用于连接法兰把紧的垫片在加厚度控制方面，应该保证在2mm～3mm之间。其中，垫片数量应该不少于6个。在垫片处理方面，操作人员应该在2个垫片中间利用定位销进行连接处理。与此同时，顶法兰把紧加厚度应该控制在1.5mm～2.0mm之间，并利用相应厚度的垫片进行焊接变形控制。

其中，垫片数量不少于6个，在处理方法上与上述相同。从客观角度上来讲，加定位销的主要目的在于便于后续拆卸方便。最重要的是，可加强对法兰间隙量以及波浪变形问题的控制。除此之外，现场操作人员应该严格恪守自身的操作行为，按照规范操作要求以及利用科学合理的方法措施解决法兰角变形问题[4]。

2.3 科学确定法兰环缝焊接顺序

因连接法兰面要求为内倾外平，导致其在安装操作时需要利用高强度螺栓加强预紧力。这样一来，法兰不允许外翻。但是结合实际情况来看，焊缝坡口为内侧坡口，很容易出现法兰外翻问题。为彻底解决法兰外翻问题带来的不良影响，现场操作人员应该结合焊接工艺顺序，利用分层交替施焊方法进行针对性操作。举例而言，在焊接操作时，操作人员应该针对次道焊缝一次完成。

其中，焊接操作期间不允许间断，并且保证其受热均匀。当焊道冷却时，操作人员应该利用紧固螺栓功能优势，加强对法兰变形问题的控制管理，以确保其平面度符合要求。除此之外，为加强施焊操作过程的科学性与合理性，现场操作人员应该根据塔架与顶法兰相连接的筒体钢板板厚情况，完成施焊操作过程，以确保法兰平面度与内倾度得以深化加强[5]。

需要注意的是，在法兰环缝焊接顺序的确定上，现场操作人员应该根据风电机组实际运行需求，对风力发电塔架法兰与筒体焊接变形影响因素进行精准识别并加强预防管理，以提高焊接变形预防控制效果。为避免出现施焊隐患问题，操作人员应该加强对施焊操作流程的控制管理，以避免对后续应用过程造成不良影响。

2.4 应用效果与效益分析

结合当前应用推广情况来看，部分风电厂通过利用上述变形预防控制技术及相关方法，可初步达成预期的效益目标。举例而言，目前已应该技术方法的工程有节能昌马第一风电场16套、华电黑崖子风电场二期工程15套、华电苦水第一风电场34套。经不完全的统计调查显示，累计完成3MW塔架149套。从经济效益上来看，上述技术方法可有效遏制法兰焊接变形问题，同时也可以规避法兰焊接期间存在的质量缺陷问题。

综合来看，上述技术方法的推广与应用，在一定程度上可以保障出厂产品合格率，同时也可以有效缩短工期，非常利于深化现场生产效益。且从数据结果上来看，经与市场部共同核算分析得知，该技术在工程实践中取得良好收益，如可高达近200万元。针对于此，建议风电厂管理人员应该高度重视该项技术内容。最好可以按照统筹规划与合理部署原则，确保该项技术内容得以精准贯彻与落实。

3 风力发电塔架法兰与筒体焊接变形预防控制管理措施及相关建议

3.1 掌握风机塔兰焊接指标要素，做好细节处理工作

对于风力发电塔架法兰焊接工作而言，现场操作人员需要重点针对法兰平面度、法兰角变形（内倾量）以及法兰椭圆度等关键指标要素进行重点把握。结合当前风电塔架法兰应情况来看，大多数风电塔架在法兰的选用上主要以高颈法兰为主。究其原因，主要是因为高颈法兰对法兰平面度以及法兰变形控制比较有利。因此在焊接施工过程中，现场操作人员应该准确掌握风机塔兰焊接指标要素，并做好细节处理工作。举例而言，现场操作人员应该对互相连接的一对法兰进行对把焊接处理。因对把后刚性增强，对于上述三项指标比较有利；因法兰要求内倾，促使对施焊顺序有严格要求。结合以往的经验来看，在施焊顺序的确立上，一般多以先焊内侧、后焊外侧为主。在焊接方法的选择上，可根据焊接方法进行合理确定；施焊过程需要不间断一次焊完，防止因法兰受热不均匀而对上述三项指标造成不利影响。在具体焊接处理过程中，现场操作人员可按照以下原则要求完成风电塔架法兰与筒体的高质量焊接过程。

一方面，对于风电塔架法兰与筒体的焊接工作而言，现场操作人员必须确保单节筒节端面必须保持一定的平面度，确保筒体始终与法兰组始终处于无间隙组对关系。如果组对完有间隙问题，现场操作人员需要采取加强措施进行针对性处理。需要注意的是，在焊接处理时，现场操作人员应该按照先焊接内侧再焊接外侧的顺序进行针对性处理。其中，焊接顺序并不是固定不变的，可根据实际情况对焊接顺序进行适当调节。需要注意的是，为防止焊后法兰出现外倾或者内倾不超标问题，建议现场操作人员应该一次焊接完毕，且中途不要存在停焊问题。

另一方面，如果焊接工作结束之后存在内倾超标问题，建议现场操作人员可利用火焰在外侧进行校正处理。举例而言，操作人员可利用碳弧气刨方式对外侧焊缝进行针对性处理。与此同时，如果产生明显外倾现象，现场操作人员可根据外清程度表现，采用碳弧气刨方式去除焊缝。需要注意的是，在操作处理过程中，操作人员应该根据现场焊接规范要求，选择合适的方法进行针对性处理。因某些公司在规范上不允许火焰校正，建议现场操作人员可根据公司规定情况，选择合适的方法进行应用处理。

除此之外，某些塔架制作厂家组对时存在间隙不均匀问题，针对这一问题，现场操作人员应该在塔架安装过程中对现场材料质量问题进行严格检测。确保材料质量无误之后，按照科学合理的方式进行焊接操作处理。焊接工作结束之后，现场操作人员需要测量法兰平面度是否符合规范要求。可以说，风力发电塔架法兰与筒体焊接过程中所涉及到的控制要点较多，建议现场操作人员可结合实际情况规范个人的操作行为，避免出现操作失误问题。

3.2 按照质量安全管控原则，加强对现场焊接作业的集中化管理

风力发电塔架法兰与筒体焊接变形控制施工所涉及到的流程内容较多，在施工操作期间，现场操作人员应该严格规范个人的操作行为。并按照质量安全管控原则，加强对现场焊接作业的集中化管理。一方面，现场操作人员应该深刻意识到自身岗位职责的重要性。对于当前风力发电塔架法兰与筒体焊接期间存在的变形问题进行精准识别与科学预防。主要可以根据变形问题具体表现及成因，采取针对性措施加以处理。与此同时，现场操作人员应该主动结合风力发电塔架法兰与筒体焊接施工期间所涉及到的要点内容进行统筹规划与合理部署，制定控制变形问题的方案措施。除此之外，现场操作人员在焊接处理过程中应该深刻意识到质量管理以及安全管理的重要性。因此在焊接处理期间，建议现场操作人员应该深化个人的质量管理意识以及安全管理意识，对焊接施工期间所涉及到的风险问题进行提前预防与管理，以避免出现焊接失误问题。

另一方面，在正式开工之前，相关负责人员应该对参与施工的各方责任主体所涉及到的资质能力情况以及从业素质情况进行审查。根据审查结果，明确当前焊接队伍建设情况以及专业素质情况。在开工之后，相关负责人员应该对施工单监理单位所制定的方案内容进行反复审查。一旦发现某些细节要给存在不符合规范要求的情况，建议相关负责人员应该对其进行针对性整改。除此之外，对于风力发电塔架法兰以及筒体焊接施工期间所涉及到的关键工序内容，建议相关负责人员应该加强验收监督管理力度。需要注意的是，在现场焊接施工过程中，现场参建人员应该主动承担起自身的岗位职责，按照质量优先与综合治理的理念原则，对施工现场所涉及到的焊接要点以及注意事项进行合理把握。一旦发现现场焊接施工期间存在质量缺陷问题，操作人员必须结合缺陷问题具体表现及成因，采取针对性措施加以消除。这样一来，基本上可以为风力发电塔架法兰及筒体焊接施工提供良好的质量保障。

4 结语

总而言之，为加强对风力发电塔架法兰与筒体焊接变形问题的预防与控制，建议工作人员应该适当改进风力发电塔筒法兰以及筒体焊接工艺。最好可以主动从成因识别以及预防管理等层面入手，严格按照控制变形方法，有效提高法兰平面度以及内倾度一次性合格率。这样一来，不仅可以全面提高现场生产效率，同时也可以有效降低成本。最重要的是，与其他方法相较而言，这种操作方法具有较强的可操作性，并且可以很好地对法兰焊接质量进行有效控制，保证工程工期可以在规定时间内完成。