风电机组塔架焊接质量控制

文|周意普，徐帆，夏赢，谭杨

风电机组的风轮及机舱通过塔架支撑离地一定高度，以捕获更多的能量。作为风电机组的主要承重构件，塔架的质量可靠性至关重要。圆锥钢管塔架是目前我国生产的主流塔架形式，由钢板焊接而成，焊接工艺对塔架质量起决定性的作用。确保焊接通过最为有效的方式实施，对焊前准备、焊接过程、焊后缺欠处理等各方面进行控制，才能有效保证塔架的焊接质量。

焊前准备

当前国内塔架制造厂家的水平参差不齐，专业的焊接技术人员比较缺乏，从事焊接工艺工作的技术人员大多非焊接专业出身，塔架焊接质量控制存在一定的风险。因此焊接准备工作在很大的程度上影响到塔架的焊接质量。焊前应仔细分析人员、设备、环境等各方面的影响因素，为焊接工作的开展做好充分准备。

一、人员要求

焊接技术人员和操作人员的质量意识、专业水平和责任心都会对塔架的焊接质量产生直接影响。要求操作人员具备相应焊接操作资格，技术人员也应具备焊接工程师及无损检测资质。焊工在实际焊接过程中起关键的作用，焊前对焊工身体状态、情绪等进行有效管理是十分必要的。对具备资质的焊工，也要采取措施，进行继续培训，不断提升其焊接水平。对于发现的焊接质量问题，工程师要组织技术、质量、操作员工进行认真的分析，找出问题的根源，避免问题重复出现。对于典型的问题，要形成质量案例，供单位内部学习，不断提升焊接团队的整体水平。

二、设备和材料要求

塔架筒体的任意局部表面凸凹度、直线度等都有明确的要求，必须使用保证尺寸精度的设备，如数控切割机、卷板机、自动埋弧焊机、可调式焊接滚轮架等。对焊机等设备要进行日常的点检保养工作，确保设备处于正常状态。

塔架主体材料一般采用Q345 钢板，内部附件一般选用Q235 钢材。根据焊接方法不同参考表1 选用相应的焊材。焊材必须严格按照材料说明书的要求进行保管和烘干，确保焊料质量的可靠性。

三、焊缝工艺评定

焊接工艺评定是最重要的焊接资料，是保证施工质量必不可少的环节。国内的塔架制造商也陆续将塔架出口海外，因此焊接评定标准涉及中国标准、欧洲标准、ISO15614 及美国ASME 标准。国内塔架一般要求按照标准NB/T47014-2011 进行焊接工艺评定，根据风电机组塔架的焊接特点，进行埋弧焊的焊接工艺评定；必要时需要进行CO2气体保护焊的工艺评定。

过程质量控制

一、焊接工艺制定

（1）焊接接头设计

圆锥钢管塔架各段钢板厚度规格不一，为了不干扰焊缝应力分布，应尽可能避免焊接截面上有突变的接头。针对塔架非等厚截面的对接焊缝，一般采用两钢板外侧对直的方式。如图1 所示，为减缓应力集中，当两板厚度差大于最小钢板厚度的30%时（S2－S1＞30%S1），厚板一侧进行削薄处理，加工成斜率＜1：4 的过渡段。实际作业过程中，为了保证焊缝的成型质量和美观，当两钢板厚度差＞3mm 时，即进行厚板削薄过渡处理。同时，塔架外壁平整也适应美观和防腐的要求。

表1 焊接材料选用表

图1 焊接接头示意图

（2）焊接工艺参数

塔架焊缝非常关键，针对具体类型的焊缝都要编制《焊接工艺卡》，对焊接方法、焊材、规范参数、焊接顺序等提出具体明确的要求，为焊工操作提供依据。表2 是针对图1类型的焊接接头类型制定的焊接参数，在此参数下制造的产品无损检测合格率高，证明工艺规范是合适的。

二、过程控制

为了保证焊接质量，焊接检验人员必须对焊接过程进行严格地检查。主要包括以下方面内容：

（1）预热温度。过低的预热温度可能导致焊接裂纹的产生。根据《焊接工艺卡》的规定，在焊前进行预热。用热电偶测温表或红外线测温表对预热温度进行测量，确保合适的预热温度。

（2）坡口清洁度。不清洁的坡口易使焊缝中产生气孔。塔体筒节环缝坡口应按焊接工艺所定坡口角度，利用刨边机进行加工。如果采用等离子或火焰切割，应将坡口打磨光滑，清除切割留下的氧化残渣，清理坡口周边的泥土、油污及预处理底漆等。

（3）错边量和坡口间隙。塔体筒节按图纸和技术要求进行滚圆，然后仔细地进行坡口组对。为了保证塔体的尺寸公差，对错边量和焊接间隙须进行严格的控制。

（4）焊接工艺。正确的焊接参数可以从根本上保证焊缝强度。在焊接过程中，要对焊接工艺参数进行检查，确保焊工是按照正确的焊接工艺规范操作。

三、焊后检验

质量检测人员要对焊缝质量进行严格地检查和把关。焊后检验包括焊缝外观、塔架筒节尺寸检验和焊接无损检验。按照ISO5817标准，对焊缝进行外观检查。塔节的直线度、塔体同轴度、法兰椭圆度等，均应符合设计方技术规范要求。Q345 板焊接时有冷裂倾向，应在24 小时以后进行焊缝无损检测。

四、档案管理

焊接档案是问题追溯、原因分析的重要依据。塔架设计方和制造方往往不是同一单位，因此双方要明确统一图纸和技术规范的版本号；设计方要澄清所有技术交底、技术更改，并得到书面确认。焊接过程记录资料、检验资料及试块等，均要进行存档、保存。

常见焊接缺欠分析及处理

一、常见缺欠分析

塔架焊接前必须进行焊接工艺评定试验，其结果显示，拉伸试件断裂部位处于母材，弯曲和冲击试验均合格，说明焊接工艺规范是合适的。但塔架焊接受各种因素的影响，如果焊接准备不充分，焊接过程控制出现疏漏，焊缝也常产生缺欠。

（1）裂纹。环境温度对塔筒焊缝裂纹的产生作用明显。事实证明，在冬天焊接时(特别是温度在0℃以下)容易出现裂纹。当环境温度低于0℃时，只有采用超低氢焊条才能避免产生冷裂纹，如图2 所示。出于成本和效率考虑，采用超低氢焊条作业是不现实的。因此塔筒焊接时，务必要符合NB/T47015-2011 的规定，在始焊处100mm 范围内预热到15℃以上才能进行焊接。

图2 环境温度对Q345焊接接头裂纹率的影响

表2 埋焊焊接工艺规范

（2）夹渣和气孔。气孔产生的原因，主要是筒节焊接坡口和焊丝表面的氧化膜、油污、铁锈等没有进行仔细的清理；或者是因为焊剂没有按照规定进行烘干。夹渣产生的主要原因是焊接规范不合理，或者在焊缝引弧时产生。为了防止夹渣和气孔的产生，必须对坡口和焊丝进行严格的清理，焊剂按规定的温度和时间进行烘干。对筒节纵缝都采用引弧板进行引弧，尽可能的减少引弧导致的缺欠。如果夹渣较严重，要考虑采用较大的焊接规范，确保焊渣充分熔化。

（3）其它缺欠。此外，由于参数不当或设备等原因，塔架焊接还可能出现未熔合、烧穿、咬边等缺欠。

二、焊缝返修

对焊接接头进行探伤，对照标准要求，如果缺欠超标，应对缺欠清除后进行补焊；焊接完成后对补焊处采用同样的探伤方法和标准重新检验直至合格。补焊采用的焊接方法、焊接工艺及焊材要求均需满足焊接工艺卡规定的要求。焊接接头的重复加热会影响到焊缝性能，焊缝需要返修时，焊缝同一部位的返修次数一般不超过两次。因此应根据返修的具体条件，制定针对性的焊缝返修方案，以满足返修的要求。

结论

风电机组塔架母材采用Q345 钢材，具有良好的焊接性能。但焊工水平、环境设备设施、焊接规范等诸多因素都会影响到焊缝的性能，可能导致缺欠产生。精心的焊前准备、严格的焊接过程控制及规范的焊后缺陷处理，是保证塔架焊接质量的三个密不可分的环节。只有这三个环节都制定了针对性的实施方案，才能有效地减少塔架焊缝质量问题的产生，降低质量成本，确保焊接质量。

图3 塔架焊接时出现的烧穿

图4 塔架焊接时出现的咬边

摄影：戴建军