风力发电塔架法兰平面度控制

摘　要：本文介绍了风力发电塔架法兰平面度的影响因素及控制方法，有效地保证了风电工程施工质量及施工进度。

关键词：下料精度；错边；圆度；无间隙组对；焊接
1．引言：
　　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10~30mm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。
2．法兰平面度
　　法兰为环状结构，截面宽度80～150㎜，厚度50～170㎜，直径2～5m，一般由整体锻造后机加工而成，有平板形(图1)、外高颈(图2)、内高颈(图3)三种。与筒节对接焊后平面度要求见表1:
　　
　　　　　　图1　　　　　　　　　　图2　　　　　　　　　　　　图3
　　表1　　法兰平面度要求

　　有些设计对上法兰的平面度要求更为严格，焊后平面度也须保持在0.35以内。法兰要达到这样的标准必须严格控制好每道工序对平面度的影响，特别是焊接工序，由焊接引起的应力和形变对焊接结构的精度有重要的影响。
3．法兰平面度影响因素及控制方法
3.1　法兰自身的平面度
　　法兰一般整体锻造机加而成，其自身的平面度基本都能得到保证。由于法兰截面相对于其直径相差很大，所以法兰整体刚度差，复测平面度时必须有一定数量的支撑点支撑法兰，并且各支撑点亦必须满足一定的平面度才能作为复测法兰时的基准面。
3.2　筒节下料尺寸控制
　　筒节展开后呈扇形，其两条弧形边分别形成筒节的两个端口，理想的筒节端口一定在一个平面上，因此弧形边的下料精度决定着筒节端口的平面度。若下料精度不足则筒节端口的平面度超差，与法兰组对后不能保证法兰的平面度，即使调整后道工序也很难达到法兰焊后平面度的要求。所以下料精度是保证法兰焊后平面度最基本的前提，因此下料时采用数控机床精密切割，将其对角线控制在2mm以内。
3.3　筒节卷制错边控制
　　在筒节下料精度满足要求的情况下，卷板合口时要防止纵缝在筒节轴向方向上的错边，错边后会造成筒节端口平面度超差。卷制时用直尺靠边检查，防止筒节错边，以保证筒节端口的平面度。
3.4　筒节圆度控制
　　筒节的圆度对法兰的平面度有直接影响，而且一但筒节圆度超差，与法兰的组对亦费工费时。下面是法兰与筒节焊接后测得的两组平面度数据：第一组是筒节圆度超差时测量的，不符合设计≤1.50的要求；第二组是修整到规定圆度时测量的，符合要求。
　　Pos      Ref            Value        Pos        Ref          Value
　　1                        0.97        1                        0.56
　　2                        1.74        2                        0.19
　　3                        2.02        3          Ref          0.00
　　4                        2.52        4                        0.18
　　5                        2.88        5                        0.59
　　6                        3.10        6                        1.05
　　7                        2.43        7                        0.89
　　8                        1.22        8                        0.30
　　9                        0.26        9          Ref          0.00
　　10        Ref          0.00        10                      0.22
　　11        Ref          0.00        11                      0.28
　　12                      0.57        12                      0.40
　　13                      1.64        13                      0.68
　　14                      2.52        14                      0.83
　　15                      2.93        15                      0.72
　　16                      3.06        16                      0.78
　　17                      2.71        17                      0.62
　　18                      2.15        18                      0.54
　　19                      1.04        19                      0.04
　　20                      0.43        20                      0.04
　　21        Ref          0.00        21          Ref          0.00
　　22                      0.39        22                      0.31
　　Max                      3.10        Max                      1.05
　　            第一组　　　　　　　　　　　　　　　　第二组
从第一组数据可看出有以下几个特点：
1)10、11点与21点为法兰低点。
2)数据呈阶梯形即从0.00点开始由小变大再由大变小。
3)数据基本上是对称的。
第一组数据激光测平仪显示的法兰平面度图像，如下图4：


　　通过测量筒节下端口的圆度，发现对应于法兰10、11、21三点的直径数值小于其它各点，在此处加以支撑使之达到规定圆度，再测法兰的平面度，测量数据发生变化并达到了设计要求(第二组数据)。对此做如下分析：
　　理想的情况如图5所示。筒节圆度差的情况下，法兰端由于法兰的支撑作用其圆度与理论值接近，而下端实际直径大于设计直径处的筒节壁斜率减小而壁长不变，引起此处的法兰微变向上隆起(图6)，相反实际直径小于设计直径处的法兰微变降低(图7)。
　　
　　　　　　　　图5　　　　　　　　　　图6　　　　　　　　　　　图7
　　测量数据、处理措施与理论分析一致，证明筒节圆度对于法兰平面度的重要性。平面度超差后加支撑的方法不可取，因为当支撑撤消后筒节又恢复成原状，致使法兰平面度仍不能符合设计要求。所以筒节卷制、矫圆应达到(Dmax－Dmin)/D≤0.005，且应保证筒节与法兰组对时亦应保持这一圆度。
3.5　法兰与筒节应无间隙组对
　　在下料精度满足，卷制无错边，圆度符合要求的情况下，筒节端口的平面度满足法兰的要求。法兰与筒节组对应不留间隙，紧密贴合。
3.6　焊接[1]-[2]
　　法兰与筒节焊缝等级要求一级而且焊后要求法兰角变形内倾(图9)。焊接作为一道最重要的工序对法兰的平面度影响也最大。焊缝的纵向收缩使焊缝区存在径向压应力，发生径向变形，直径微变缩小，法兰面有向上形变的趋势以释放应力(图8)。焊缝的横向收缩引起的角变形与纵向收缩引起的变形相反且其应力大于纵向收缩引起的应力时，法兰内倾。两者综合作用的结果使法兰的内倾斜率不一致，从而对法兰的平面度产生影响；焊缝的横向收缩 也使法兰相对于焊前下沉，如果收缩不均匀造成下沉不均也会对法兰的平面度产生影响。
　　为能有效的控制焊接变形对法兰平面度产生的影响采必须采用良好的焊接工艺，焊接时应尽可能减小线能量，减小焊接形变。经过多次试验最终采用如下焊接工艺：
坡口形式(图10)
      　　　
                图8 　　　　　　　 图9　              图10
焊接方法　
板较薄时，里侧先焊满，然后外侧清根焊接；板较厚时，里侧留一遍外侧清根焊满后再将里侧焊满。
工艺参数(以薄板为例)
　　表2 焊接工艺参数         

　　采取这样的焊接工艺有以下优点：
　　留有钝边，无间隙组对，焊接横向收缩引起的下沉均匀。
　　能满足法兰的内倾要求。
　　不用打底焊，纯自动焊，焊接质量容易保证。
　　外侧清根容易，清根量小，便于施工。
4．法兰平面度超差矫正
　　在施工过程中，由于上述影响因素造成法兰焊后平面度超差时有发生，此时可根据激光测平仪测得的数据，用火焰加热法进行局部矫正，使法兰各处的形变均匀，达到设计对法兰平面度的要求。加热时应严禁在法兰上进行，应在母材侧，而且不同的板厚加热的温度方法应有所不同，否则很容易造成法兰外翻。
5．小结
塔架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，致使塔架制作厂家进入风电市场不久便退出风电行业。本文主要阐述法兰平面度的过程控制，为塔架制作保证质量和工期创造了条件,为进入此行业的提供技术参考。
参考文献：
[1] 大型圆柱形壳体上圆形焊缝焊接变形的研究. 田锡唐, 顾福明, 高进强. 《焊接学报》 1997(1)：31～36.
[2] 相贯线焊缝纵向收缩对法兰平面影响的的数值分析.《焊接学报》1999年 第02期.
[3] 田锡唐.焊接结构.北京.机械工业出版社，1982.