CN102371471B

CN102371471B - 一种风电管塔式塔架的制备方法

Info

Publication number: CN102371471B
Application number: CN 201010551508
Authority: CN
Inventors: 孙立群
Original assignee: Western Heavy Industry Co Ltd Of Gansu Jiuquan Iron & Steel Group
Current assignee: Western Heavy Industry Co Ltd Of Gansu Jiuquan Iron & Steel Group
Priority date: 2010-11-20
Filing date: 2010-11-20
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2030-11-20
Also published as: CN102371471A

Abstract

本发明涉及风力发电设备的制造技术领域，具体涉及一种风电管塔式塔架的制备方法。其塔架塔筒的钢板材料选用Q345，塔筒焊接采用的焊丝是H08A、H08MnA或H10Mn2，焊剂是HJ431或SJ101，并在焊剂中加入质量分数8～10%的SrCO₃、2～4%的KMnO₄、0.6～1.0%的Cu、0.08～0.12%的Ga、0.12～0.17%的Ti、0.015～0.022%的B、0.15～0.24%的Y、0.18～0.28%的Zr和0.12～0.20%的Ca。经数控切割设备下料，卷板机卷板成型后，点焊，定位，焊合、圆度检查和校圆，然后进行组对点焊，焊接内外环缝，经喷砂、喷漆处理，可完成风电塔筒的制备。采用该发明制备风电塔筒，焊缝强度高，低温韧性好，使用安全、可靠。

Description

一种风电管塔式塔架的制备方法

技术领域

本发明涉及风力发电设备的制造技术领域，具体涉及一种风电管塔式塔架的制备方法。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，风力发电是除水资源开发外，技术最成熟、最具大规模的发电方式。风力发电具有清洁、保护环境、经济效益好、可再生、永不枯竭、基建周期短、占地少、投资少、装机规模灵活、技术相对成熟、自动控制水平高、运行管理人员少等优点。

并网型风力发电机组的设计寿命一般为20年，塔架高度在40 m以上，位于塔架顶部的机舱重达几十吨。目前风力发电机组单台设计容量越来越大，塔架高度也越来越高。作为风力发电机组的重要组成部分－机组塔架，其同心度、失圆度及上下面平行度等制造尺寸公差要求很高，焊缝质量要求很严格，因此其制作难度较大。现有技术中，塔架类型主要有桁架式、管塔式等。桁架式塔架造价低廉，缺点是维护不方便。管塔式塔架用钢板卷制焊接而成，形成上小下大的圆锥管，内部装设扶梯直通机舱。管塔式塔架（亦称塔筒）结构紧凑，安全可靠，维护方便，且外形美观，虽然造价较桁架式塔架高，但仍被广泛采用。

风电塔筒是风电机组的关键配套设备，是风电机组重要的组成部分，是整机安全运行的前提和保证。因此，塔筒制造技术要求高，一台1.5MW风电机组，塔高70 m，同轴度要求≤50mm，法兰平行度≤2mm，法兰平面度≤2mm，直线度≤1/1000，筒节组对错边量≤3mm。目前，我国风电塔筒的生产工艺流程一般如下：数控切割机下料，厚板需要开坡口，卷板机卷板成型后，点焊，定位，确认后进行内外纵缝的焊接，圆度检查后，如有问题进行二次较圆，单节筒体焊接完成后，采用液压组对滚轮架进行组对点焊后，焊接内外环缝，直线度等公差检查后，焊接法兰后，进行焊缝无损探伤和平面度检查，喷砂，喷漆处理后，完成内件安装和成品检验后，运输至安装现场。其中传统筒体组对为立式组对，具体操作方法为：先将第一节筒节立式放在平整的地面上，行车采用竖板吊钳起吊，将第二节筒节置于第一节筒节上，纵缝相错180°。行车始终处于辅助状态。以纵缝为基准，沿圆周方向依次强力组对、焊固。组装完毕后，焊接修磨竖板吊钳留下的l mm左右的抓痕与原筒节母材一致，这种装配方式组装质量不稳定，工作效率低，工人劳动强度大，行车利用率低，造成极大的资源浪费。

为了提高焊缝的强度，日本专利JP2005-041092公开了用于高强度Cr-Mo钢且低温韧性和抗SR裂性优异的焊缝金属，包括0.02～0.10％C (质量％；下同)、0.05～0.4％Si、0.3～1.3％Mn、0.8～3.25％Cr、至多2％(包括0％)Mo、0.30～1.0％V、至多0.03％N，其中Al、Ti和Ni含量分别抑制到至多0.03％、至多0.03％和至多0.40％；Mn含量[Mn]和Ni含量[Ni]总和([Mn]+[Ni])至多为1.2％；其余是Fe和不可避免杂质，其中P、S、Sn、As和Sb含量每种都抑制到至多0.01％；O含量至多0.040％；由表达式定义的EV值满足EV≥0.00；具有至少0.2 μm等效圆周直径和在625℃下进行10小时应力消除退火之后存在于焊接区的非热影响区的碳化物数至多1.0个/μm²。很适合用于高强度Cr-Mo钢中的该焊缝金属在保持高温强度的同时，改善了韧性，尤其是低温韧性和抗SR裂性。但是这种焊缝金属含有较多的昂贵合金元素，生产成本高，且焊接区需在625℃下进行10小时的应力消除退火处理，能耗高，周期长。

中国发明专利CN1411939则公开了一种改善埋弧焊焊缝金属韧性的工艺，在埋弧焊焊接过程中采用氩气保护，通过降低焊缝金属总的N含量来改善焊缝金属的韧性；所述氩气保护为沿焊接方向、在电弧的前方或在电弧的四周施加氩气保护，其氩气流量为5～15ml/min。采用本发明能降低焊缝金属总的N含量达10～55 ppm，使接头的低温冲击韧性提高30～50％。中国发明专利CN101215625还公开了一种改变焊缝组织性能的形变热处理方法，采用中频感应加热方式将焊缝快速、均匀加热到相变温度以上，在此温度下迅速对焊缝进行碾压，在碾压力和温度的作用下，使对接焊缝晶粒细化，焊缝的性能得到改善，达到与母材基本一致的程度。该发明通过对焊缝按一定的工艺条件进行加热和碾压处理，细化焊缝晶粒，消除焊缝残余应力，提高焊缝塑性韧性，改善了焊缝的组织性能，使焊缝晶粒度由原来的0级左右提高到12级左右并与母材接近，使焊缝获得与母材基本一致的组织和力学性能。

中国发明专利CN101100013还公开了薄壁不锈钢复层与碳钢基层的复合管环焊缝焊接方法，应用于双金属复合钢管环焊缝的焊接。所采取的步骤特征是：(A)坡口加工，清洗坡口上的油污。(B)在坡口靠近复层的钝边表面堆焊封修磨坡口。(C)双金属复合管坡口组对。(D)根部打底焊：采用钨极氩弧焊方法，在管子内部充氩保护的状态下沿双金属复合管坡口焊接。(E)在根部打底焊的上部进行第二层焊接，将焊接的双金属复合管基层焊接在一起。(F)填充焊和盖面焊。焊接材料为不锈钢焊条。效果是：采用309或309Mo焊接材料保证焊缝的强度和良好韧性；消除坡口端部复层和基层之间可能存在的缝隙；在坡口根部增加不锈钢层的有效厚度，使焊接接头质量对错边不敏感，保证耐蚀性。

上述专利文件公开的技术方案，其采用的焊缝金属及其焊接工艺用于风电塔筒制备，仍存在焊缝低温韧性差，低温下焊缝易开裂等缺陷，影响了塔筒的安全使用。

发明内容

本发明的目的在于避免现有的风电管塔式塔架制备的不足之处而提供一种风电管塔式塔架的制备方法，本发明是采用Q345钢板作为风电管塔式塔架的主要原料，在钢板卷板焊接以及风电管塔式塔架对焊过程中，使用低温韧性好的焊缝金属，以提高焊缝的强度和韧性，确保风电管塔式塔架在严寒的北方地区安全使用。

本发明的目的可以通过采用以下技术方案来实现：所述的一种风电管塔式塔架的制备方法，其特点在于包括如下步骤：

第一步：下料，采用数控切割设备对管塔式塔架所需的钢板进行切割，对于厚度大于或等于16mm钢板边缘采用磁力切割机切割出焊接坡口，对距坡口边缘20mm范围内泥土、油污和底漆进行去除和清洗处理；对于厚度小于16mm的钢板不需要加工坡口；

第二步：塔架单节筒体焊接，对切割下料并清洗处理的钢板采用卷板机卷板成型，首先采用点焊的方法进行定位点式焊接，然后进行内外纵缝的焊接，并进行圆度检查和校圆；保证同一断面内其最大内径与最小内径之差不大于3 mm，同一节锥段最长与最短母线差不大于1 mm，每一段端口处的外圆周长偏差为不大于5 mm；

第三步：塔架筒体组对焊接，单节筒体焊接完成后，进行筒体间组对焊接，首先，把进行组对焊接的工卡具应焊接在塔体的内表面，先采用点焊的方法进行定位点式焊接，保证沿4条向心线测量其母线的长度，最长与最短母线差不大于2 mm，塔筒最长与最短对角线长度差不超过5 mm；焊接后采用碳弧气刨方法切割去除工卡具，不损伤筒体表面，留2～3mm的焊肉厚度，切割后用砂轮将切割部位的焊疤打磨与周围母材平齐，并将母材上的飞溅彻底清理干净；然后进行内外环缝的焊接，并进行直线度公差检测，直线度误差范围为任意3000mm长圆筒段偏差不大于3mm，塔架各段的总偏差小于20mm，最后进行法兰焊接，并进行焊缝无损探伤和平面度检查，平面度误差不大于5mm；

第四步：对焊接好的塔架筒体进行喷砂、喷漆处理，并完成内件安装和成品检验，即完成所述的管塔式塔架的制造。

所述的管塔式塔架所需的钢板的材料为Q345。

所述的管塔式塔架所需的钢板，当塔架高度小于50m时，其钢板材料选用Q345A或Q345B；当塔架高度大于或等于50m，同时小于或等于80m时，其钢板材料选用Q345C或Q345D；当塔架高度大于80m时，其钢板材料选用Q345E。

常用塔架筒体钢板的成分见表1，常用塔架筒体钢板的力学性能见表2；

表1 常用塔架筒体钢板的成分（质量分数，％）

表2 常用塔架筒体钢板的力学性能

焊缝金属一般是在焊接过程中由填充金属和熔化母材在熔池中混合而形成的，因此母材金属的化学成分和填充金属直接影响到焊缝金属的化学成分、显微组织及其力学性能，尤其是低温韧性。其中填充金属中的焊丝中各元素对焊缝有以下影响：

(1) 碳：碳是钢中的主要元素，当含碳量增加时，钢的强度、硬度明显提高，而塑性和韧性降低。在焊接过程中，碳起到一定的脱氧作用，在电弧高温作用下与氧发生化合作用，生成一氧化碳和二氧化碳气体，将电弧区和熔池周围空气排除，防止空气中的氧、氮有害气体对熔池产生的不良影响，减少焊缝金属中氧和氮的含量。若含碳量过高，还原作用剧烈，会引起较大的飞溅和气孔。考虑到碳对钢的强韧性及其对裂纹敏感性增加的影响，低碳钢焊丝的含碳量一般在0.12%以下；

(2) 锰：锰在钢中是一种较好的合金剂，随着锰含量的增加，其强度和韧性会有所提高。在焊接过程中，锰也是一种较好的脱氧剂，能减少焊缝中氧的含量。锰与硫化合形成硫化锰浮于熔渣中，从而减少焊缝热裂纹倾向。因此一般碳素结构钢焊丝的含锰量为0.30％～0.55％，焊接某些特殊用途的钢丝，其含锰量更高一些，可达到1.50％～1.90％；

(3) 硅：硅也是一种较好的合金剂，在钢中加入适量的硅能提高钢的屈服强度和弹性；若含量过高，则降低塑性和韧性。在焊接过程中，硅也具有较好的脱氧能力，与氧形成二氧化硅，但它会提高渣的粘度，易促进非金属夹杂物生成；

(4) 铬：铬能够提高钢的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。铬的主要冶金特征是易于急剧氧化，形成难熔的三氧化二铬氧化物，从而增加了焊缝金属夹杂物的可能性。三氧化二铬过渡到熔渣后，能使熔渣粘度提高，流动性降低；

(5) 镍：镍对钢的韧性有比较显著的效果，一般低温冲击值要求较高时，适当加入一些镍。但是镍价格昂贵，焊丝中加镍会增加生产成本。

因此，本发明焊接风电管塔式塔架采用的焊丝是H08A、H08MnA或H10Mn2等焊丝，而焊剂选用HJ431或SJ101。其中H08A、H08MnA和H10Mn2焊丝的成分见表3；焊剂HJ431的成分（质量分数，％）是：74～82（MnO+SiO₂）、8～14（CaF₂+CaO）、9～12（Al₂O₃＋MgO）、S≤0.06、P≤0.08。焊剂SJ101的化学成分见表4；

表3 焊丝化学成分（质量分数，％）

Figure 2010105515082100002DEST_PATH_IMAGE006

表4 焊剂SJ101化学成分（质量分数，％）

Figure 2010105515082100002DEST_PATH_IMAGE008

所述的风电管塔式塔架焊接采用的焊剂中还加入了SrCO₃、KMnO₄、铜、镓、钛、硼、钇、钙和锆，其含量质量分数分别为：8～10%的SrCO₃，2～4%的KMnO₄，0.6～1.0%的Cu，0.08～0.12%的Ga，0.12～0.17%的Ti，0.015～0.022%的B，0.15～0.24%的Y，0.18～0.28%的Zr，0.12～0.20%的Ca。具体加入理由如下：

SrCO₃：在焊剂中加入SrCO₃，在电弧高温下可分解成氧化锶和二氧化碳气体。氧化锶随熔滴过渡到熔池中，起钢水孕育和变质的作用。锶的活性很强，极易与氧化硫形成高熔点的氧、硫化物。锶还与碳形成离子键型的碳化物（SrC），且SrC不溶于Fe-C熔体，对δ-Fe和γ-Fe的形核起有效的异质形核核心作用。由于锶在高温钢水中可形成高熔点的氧化物、硫化物、碳化物质点，这些难熔质点均可以作为δ-Fe和γ-Fe异质形核的核心，因而强烈促进焊缝组织的细化，导致焊缝强度和韧性明显提高，特别是低温韧性明显提高，合适的SrCO₃加入量是8～10%。

KMnO₄：在焊剂中加入KMnO₄，在电弧高温下可分解成Mn₂O₃、K₂O和氧气，而K₂O在高温作用下，又会发生以下反应：

Figure 2010105515082100002DEST_PATH_IMAGE010

式（1）

钾具有增加铁素体、减少珠光体倾向的能力，有利于提高焊缝的低温韧性；钾还具有良好的脱氧、脱硫能力，提高熔池金属熔体过冷度，细化焊缝组织，提高焊缝强度和韧性，消除焊缝裂纹，改善焊缝质量。KMnO₄加入量过多，焊缝中夹杂物增多，反而损害焊缝强度和韧性，KMnO₄在焊剂中的合适加入量是2～4%。

铜：焊缝金属中加入适量的铜，既能强化金属，提高焊缝强度和韧性，还能提高焊接接头的腐蚀抗力，当焊缝金属中铜含量过高时，其韧性反而有不同程度的下降，因此，焊剂中铜的合适加入量为0.6～1.0%。

镓：控制钢中夹杂物数量、形态、分布以及阻止磷等有害元素原子在晶界的偏聚是提高钢的韧性的重要措施。钢中含磷量为常量时，脆性转变温度随含镓量增加而下降。钢中含微量镓时，与不含镓的钢相比，钢的脆性转变温度下降约20℃。钢中含微量镓时，对于含常量磷的钢未观察到磷的偏聚，且Fe₃P在铁素体内较均匀的析出，镓的微量加入，促进了焊缝金属低温韧性的明显提高，焊剂中镓的合适加入量为0.08～0.12%。

钛和硼：在不含钛、硼的焊缝中，在原奥氏体晶界附近主要是粗大的先共析铁素体，晶内则是含碳化物的粗大侧板条状铁素体。由于先共析铁素体比针状铁素体软，位错密度小，因而塑性变形首先在晶界处发生，位错在非金属夹杂物处塞积，使裂纹萌生，并且在晶界铁素体中裂纹易于扩展，对焊缝的冲击韧性产生较大的不利影响。单独加入钛后，显著增加了TiO、TiO₂和TiN的数量，导致与α-Fe错配度小的夹杂物增加，相应地为铁素体在晶内相变提供了更多的有利空间。在原奥氏体晶内侧板条铁素体的粗大组织减少，针状铁素体的细晶组织增多。同时加入钛和硼后，抑制了侧板条铁素体的形成，晶内形成了大量细小的针状铁素体。晶界先共析铁素体由连续的粗大的杆状变形成了细小的等轴状。小晶粒边界交角大，裂纹扩展需要能量大，因而使韧性提高。但是，钛、硼加入量过多，反而使焊缝韧性降低，焊剂中钛的合适加入量为0.12～0.17%，硼的合适加入量为0.015～0.022%。

钇、钙和锆：在焊剂中加入适量的钇、钙和锆，能使焊缝针状树枝状组织长度、宽度减小30～50％，并使等轴树枝状晶体增多，促进焊缝强度和低温韧性的明显提高，钇、锆和钙的合适加入量分别为0.15～0.24%、0.18～0.28%和0.12～0.20%。

所述的一种风电管塔式塔架的制备方法，其通过采用上述工艺方法，其具有的有益效果是：

1）本发明制造的风电管塔式塔架，其工艺简便、生产效率高；

2）本发明制造的风电管塔式塔架的焊缝强度高、韧性好，特别是低温韧性好，其中室温抗拉强度大于550 MPa，室温屈服强度大于400 MPa，室温伸长率大于30％，室温冲击韧性A _kv大于130 J，－60℃低温冲击韧性A _kv大于70 J；

3）本发明制造的风电管塔式塔架的钢板、焊丝、焊剂来源方便，制造成本低廉；

4）本发明制造的风电管塔式塔架的焊缝性能高，在温度不低于-60℃的环境下使用，安全、可靠。

具体实施方式

以下结合最佳实施例作进一步详述：

实施例1

一台1.5MW风力发电机组，其风电管塔式塔架外径底部为φ4300mm，顶端为φ2560 mm，其塔架筒体的钢板厚度由最底部26 mm向顶端12 mm变化，整个塔架共分4节，节与节之间由法兰连接。塔架总高度76.95 m。

其塔架筒体的钢板材料采用Q345D，塔架筒体焊接采用的焊丝是H08A，焊剂是HJ431，并在焊剂中加入质量分数8%的SrCO₃，4%的KMnO₄，0.6%的Cu，0.12%的Ga，0.12%的Ti，0.022%的B，0.15%的Y，0.28%的Zr和0.12%的Ca。

其风电管塔式塔架的制备方法包括如下步骤：

管塔式塔架本体的力学性能见表5，管塔式塔架焊缝力学性能见表6。

实施例2

一台1.5MW风力发电机组，其风电管塔式塔架外径底部为φ4300 mm，顶端为φ2560 mm，其塔架塔筒的钢板厚度由最底部26 mm向顶端12 mm变化，整个塔架共分4节，节与节之间由法兰连接。塔架总高度76.95 m。

其塔架筒体的钢板材料是Q345C，塔架筒体焊接采用的焊丝是H08MnA，焊剂是SJ101，并在焊剂中加入质量分数10%的SrCO₃，2%的KMnO₄，1.0%的Cu，0.08%的Ga，0.17%的Ti，0.015%的B，0.24%的Y，0.18%的Zr和0.20%的Ca。

其风电管塔式塔架的制备方法如实施例1。

实施例3

一台0.6MW风力发电机组，其风电管塔式塔架本体是用钢板卷制焊接的圆锥型塔。塔架高度45m，塔架由基础段、底段、中段和顶段组成，塔底直径3016mm，塔顶直径2032mm。钢板厚度共有8mm、10mm、12mm、16mm 和22mm 等几档规格。每节塔架塔筒约高1.80m，塔架每段由多节塔架筒体拼接而成。

其塔架筒体的钢板材料是Q345A，塔架筒体焊接采用的焊丝是H10Mn2，焊剂是HJ431，并在焊剂中加入质量分数9%的SrCO₃，3%的KMnO₄，0.8%的Cu，0.10%的Ga，0.15%的Ti，0.018%的B，0.19%的Y，0.23%的Zr和0.16%的Ca。

其风电管塔式塔架的制备方法如实施例1。

实施例4

一台2.0MW风力发电机组，其风电管塔式塔架塔筒外径底部为φ4600 mm，顶端为φ2610 mm，塔架塔筒的钢板厚由最底部28 mm向顶端12 mm变化。整个塔架共分5节，节与节之间由法兰连接。塔架总高度87.30 m

其塔架筒体的钢板材料是Q345E，塔架筒体焊接采用的焊丝是H10Mn2，焊剂是SJ101，并在焊剂中加入质量分数9.3%的SrCO₃，2.5%的KMnO₄，0.9%的Cu，0.09%的Ga，0.16%的Ti，0.020%的B，0.18%的Y，0.25%的Zr和0.14%的Ca。

其风电管塔式塔架的制备方法如实施例1。

表5 管塔式塔架本体的力学性能

表6 管塔式塔架焊缝力学性能

本发明风电管塔式塔架制造工艺简便，生产效率高，塔架的焊缝强度高，达到甚至超过了塔架本体的强度。本发明管塔式塔架的焊缝韧性好，特别是低温韧性好，在-60℃的冲击值A _kv达到70 J以上。在温度不低于-60℃的环境下使用，安全、可靠。本发明成果已在500多套风力发电机组上成功使用，已为企业带来了显著的经济效益。

Claims

1.一种风电管塔式塔架的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

第四步：对焊接好的塔架筒体进行喷砂、喷漆处理，并完成内件安装和成品检验，即完成所述的管塔式塔架的制造；

所述的塔架筒体焊接采用的焊丝为H08A、H08MnA或H10Mn2，焊剂为HJ431或SJ101；

所述的塔架筒体焊接采用的焊剂中还加入了SrCO₃、KMnO₄、铜、镓、钛、硼、钇、钙和锆，其含量质量分数分别为：8～10%的SrCO₃，2～4%的KMnO₄，0.6～1.0%的Cu，0.08～0.12%的Ga，0.12～0.17%的Ti，0.015～0.022%的B，0.15～0.24%的Y，0.18～0.28%的Zr，0.12～0.20%的Ca。

2.如权利要求1所述的一种风电管塔式塔架的制备方法，其特征是还包括有：所述的管塔式塔架所需的钢板的材料为Q345。

3.如权利要求1所述的一种风电管塔式塔架的制备方法，其特征是还包括有：所述的管塔式塔架所需的钢板，当塔架高度小于50m时，其钢板材料选用Q345A或Q345B；当塔架高度大于或等于50m，同时小于或等于80m时，其钢板材料选用Q345C或Q345D；当塔架高度大于80m时，其钢板材料选用Q345E。