CN117680933A - 一种海上风力发电塔架用锥形塔筒及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海上风力发电塔架用锥形塔筒及加工方法，包括采用数控切割的方法对锥形筒节进行切割下料，并控制切割下料的精度；对锥形筒节开设焊接坡口：在锥形筒节的两侧同时制作焊接坡口；锥形筒节卷制固定，首先将锥形筒节进行卷制，随后在卷制后形成的筒节纵缝上采用点焊接进行固定；组对：锥形筒节纵缝点焊后与上下法兰组对；与上下法兰组对后，各环纵缝点固牢固，随后放置在滚轮架上整体焊接，焊接各纵环缝，得到海上风电塔筒，本方法提高了加工的精度、并且降低了了后续火焰调修的工作量；同时降低了塔筒整体结构内部组织焊接应力，提高了使用寿命和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及海上风力发电产品技术领域，具体为一种海上风电塔筒及加工方法。
背景技术
海上风力发电塔架是支撑风力涡轮机（风力发电机组）的结构，安装在海洋中以利用海上风能进行电力发电。这种结构通常被称为风电塔架或风力发电平台，其主要目的是提供稳定的支撑，并将风力涡轮机置于足够高的位置，以捕捉更强的风能。
海上风力发电塔架中，塔筒是支撑风机的主要结构，通常是一个垂直的圆筒形结构，负责承受风荷载，并提供高度以使风机叶片能够在高海上风速中运转。塔筒通常是中空的，可以由钢材或混凝土等高强度材料制成。它连接到风机轮（Nacelle）的顶部，并通过基础固定在海底。
常规的风电钢结构塔筒制造技术，主要包括如下步骤：1）数控火焰切割下料，单头切割切枪制作焊接坡口；2）卷板机卷制锥形筒节并焊接点固成型；3）在纵缝台位完成纵缝焊接；4）将锥形筒节与上下两端法兰组对；5）焊接锥形筒节与上下两端法兰的环缝。
如CN108867623A公开了一种海上风电产品的制作工艺，由多节管节拼接而成，上部管节呈圆锥筒体，下部管节呈直圆筒体，首先进行管节坡口加工，随后直圆筒体卷制和圆锥筒体卷制，将矩形钢板或等腰梯形的钢板首先卷制，再进行拼装纵缝焊接，随后进行桩体顶部法兰装配，随后进行管节拼接，组对并进行管节环缝的定位焊。
但上述加工方式往往具有如下问题：1）火焰切割下料精度不够，单头切割枪制作坡口变形量大；2）锥形筒节纵缝焊接后变形量大，超出了图纸尺寸要求；3）锥型筒体与法兰组对非常困难，甚至无法完成组对；4）强行组对后对法兰平面度和椭圆度影响很大，大大超出了图纸尺寸要求。以上问题大大增加了后续火焰调修的工作量；同时导致塔筒整体结构内部组织焊接应力加大，不利于结构稳定运行。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种海上风电塔筒及加工方法。应用于风力发电钢混塔架中混泥土塔段和钢结构塔段之间的过渡转接段生产制造，也可应用于类似转接段的产品结构，如筒节锥度大，筒节钢板厚，高度小的且两端连接法兰的圆台结构。
本发明完整的技术方案包括：
一种海上风力发电塔架用锥形塔筒加工方法，包括如下步骤：
（1）采用数控切割的方法对锥形筒节进行切割下料，并控制切割下料的精度；
（2）对锥形筒节开设焊接坡口：在锥形筒节的两侧同时制作焊接坡口；
（3）锥形筒节卷制固定，首先将锥形筒节进行卷制，随后在卷制后形成的筒节纵缝上采用点焊接进行固定；
（4）组对：锥形筒节纵缝点焊后与上下法兰组对；
（5）与上下法兰组对后，各环纵缝点固牢固，随后放置在滚轮架上整体焊接，焊接各纵环缝，得到海上风电塔筒。
进一步的，步骤（1）中切割下料的精度要求为：切割出的下料边长及母线尺寸、公差控制在1.5mm以内；对角线尺寸，公差控制在2mm以内。
进一步的，步骤（2）中采用双火焰切割枪，在锥形筒节的两侧同时切割制作焊接坡口。
进一步的，双火焰切割枪切割后变形量小于1.5mm。
进一步的，步骤（3）中，点焊的焊点距离端头距离大于100mm。
进一步的，步骤（5）中，锥形筒节与上下法兰组对前不焊接纵缝。
进一步的，采用所述的方法得到的海上风力发电塔架用锥形塔筒。
进一步的，一种所述塔筒的支撑工装，所述支撑工装根据大型塔筒的特点，进行了结构优化。
利用所述的装置对塔筒运输的方法。
相比于传统运输工装，本发明的优点在于：
针对现有常规做法中，锥形筒节与法兰组对时非常困难，甚至无法组对的情况，经过研究分析，现有常规做法是因为坡口工序及纵缝焊接工序造成了很大变形。为了解决克服组对困难问题，关键的点就是解决这两个工序的制作误差。坡口切割采用双割炬同时切割，避免了单割炬切割变形；并且锥形筒节纵缝先不焊接，与法兰组对后再进行整体焊接。提高了加工的精度、并且降低了了后续火焰调修的工作量；同时降低了塔筒整体结构内部组织焊接应力，提高了使用寿命和安全性。
附图说明
图1为本发明数控切割的示意图纸。
图2为锥形筒节的两侧制作焊接坡口的现场图。
图3为锥形筒节点焊固定示意图。
图4为塔筒支撑工装结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行进一步的详细说明，显然，所描述的实施例仅作为例示，并非用于限制本次申请。
如图1-3所示，本发明提出一种海上风电塔筒加工方法，包括如下步骤：
（1）采用数控切割的方法对锥形筒节进行切割下料：图1为本发明数控切割的示意图纸，如其所示，设定下料精度要求：切割出的下料边长及母线尺寸、公差控制在1.5mm以内；对角线尺寸，公差控制在2mm以内；采用上述精度控制的方式，控制下料尺寸精度，以减少后续工序累计偏差。
（2）对锥形筒节开设焊接坡口：采用双火焰切割枪，在锥形筒节的两侧同时制作焊接坡口，其现场示意图如图2所示，区别于现有技术中采用单头切割切枪制作焊接坡口的方法，本发明在两侧制作焊接坡口的方式大大减少了切割坡口时板材变形量，切割后变形量小于1.5mm。
（3）锥形筒节卷制固定，首先将锥形筒节进行卷制，随后在卷制后形成的筒节纵缝上采用点焊接进行固定，为了保证引起的变形量符合要求，焊点选择距离端头100mm以上点固焊，示意如图3所示。
（4）组对：锥形筒节纵缝点固焊后（不焊接纵缝）与上下法兰组对，因前工序公差控制精度较高，关键是未进行纵缝焊接，锥筒变形小，组对时刚度也不大，组对过程很容易完成且不构成大的变形。
（5）与上下法兰组对后，各环纵缝点固牢固，随后放置在滚轮架上整体焊接，焊接各纵环缝，得到海上风电塔筒。
本发明同时公开了一种利用所述的方法得到的海上风力发电塔架用锥形塔筒，以及塔筒的运输支撑工装，其结构如图4所示，包括支撑梁1、所述支撑梁为立方体结构，且支撑梁上方左右两侧各设有一个支撑架2，支撑梁下方左右两侧设有脚架3，支撑梁和脚架之间，以及支撑梁和支撑架之间均通过高强度螺栓4连接，支撑架2包括外侧边和内侧边，外侧边位于外侧且高度大于内侧边，内侧边一侧设有接触塔筒的弧形接触面6，弧形接触面6的另一侧通过上斜边与外侧边连接。
第一、内侧边、上斜边和弧形接触面构成的内部空间内，填充有通过方格结构5，方格结构5的基本单元为矩形，且在与各边接触的部分随形设计。脚架3截面为梯形状，包括上边、下边和两斜边，上边尺寸与支撑梁底部相适应。脚架内侧还设有两条辅助支撑，将在模块车撤离后加载。
为满足该运输工装的机构强度、运输稳定性以及成本考虑，首先根据大型塔筒的结构特点，分析塔筒的重心情况，对大型塔筒的支撑结构进行优化，以在车辆运输过程中最小化振动、最小化变形、提高运输安全性，并在成本方面进行优化。包括：
（1）对塔筒及运输工装进行三维结构建模，随后选择运输工装的钢板壁厚、支撑梁长度、宽度、高度、两支撑架之间的间距，支撑架弧的圆心角弧度、格栅边长、脚架宽高比（下边长/高）作为设计变量，分别以xj表示。随后选择运输过程振动幅度、工装变形幅度以及工装成本作为优化目标，即F1(x)：加载后工装变形量；F2(x)：运输过程塔筒振动幅度；F3(x)：运输工装成本作为优化目标，建立多目标优化模型：
；
xj为第j个设计变量，xjl为第j个设计变量的下限，xjh为第j个设计变量的上限。
（2）建立优化目标模型
1）运输过程振动幅度考虑车辆转弯时由于颠簸导致的工装位移，采用如下模型：
；
式中，θ是运动过程中由于振动导致的工件位移；k是考虑路面颠簸的比例系数；w是转弯时车辆的角速度；L是工件的长度；m是工件质量。
2）工装变形幅度采用如下模型：
；
为变形量，Fi为施加在运输工装第i个部件上的载荷，Ki为运输工装第i个部件的弹性系数。
3）工装成本以工装总质量来表征。
（3）采用多目标遗传算法（MOGA）进行优化，执行优化算法，选择最终的设计方案。并通过仿真对最终设计进行验证，确保其在实际运输过程中的可行性。
（4）最终确定的各参数，针对模块车的尺寸进行适应性微调，得到的最终尺寸为：钢板壁厚为12mm、支撑梁长度9000mm、宽度为380mm、高度为500mm、两支撑架之间的间距为2400mm，支撑架弧的圆心角弧度为0.576rad、格栅边长为370mm、脚架宽高比为1.95。
采用本工装进行塔筒运输的方法：
（1）首先将支撑梁置于模块车承载面，支撑梁下表面与模块车承载面要求接触良好，将支撑梁与任一侧支撑架装配好，圆弧面增设好棉垫等填充物，避免划伤塔筒母材。
（2）待所有工装均按上述要求，装好一侧支撑架后（必须为同一侧），所有模块车及支撑，整体平移至塔筒正下方，此时，模块车及支撑高度低于塔筒圆弧的最低点。
（3）安装所有支撑工装支撑梁上另一侧支撑架并加载棉垫等，紧固好连接的高强螺栓，确保连接牢固、支撑系统安全。
（4）模块车液压系统整体加载，使支撑工装随模块车整体起升，待塔筒最低点接触到支撑体支撑架时，停止加载，并检查所有支撑体高度是否符合要求（如塔筒为锥体结构，必须要求高度不一致），确保受力均匀。
（5）继续升高塔筒支撑的高度，使塔所有重量均承载于支撑工装上后，原滚轮架与塔分离，至此，则可以通过模块车整体平移的方式，实现塔筒的运输、转运。
以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种海上风力发电塔架用锥形塔筒加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）采用数控切割的方法对锥形筒节进行切割下料，并控制切割下料的精度；
（2）对锥形筒节开设焊接坡口：在锥形筒节的两侧同时制作焊接坡口；
（3）锥形筒节卷制固定，首先将锥形筒节进行卷制，随后在卷制后形成的筒节纵缝上采用点焊接进行固定；
（4）组对：锥形筒节纵缝点焊后与上下法兰组对；
（5）与上下法兰组对后，各环纵缝点固牢固，随后放置在滚轮架上整体焊接，焊接各纵环缝，得到海上风电单桩基础。
2.根据权利要求1所述的一种海上风力发电塔架用锥形塔筒加工方法，其特征在于，步骤（1）中切割下料的精度要求为：切割出的下料边长及母线尺寸、公差控制在1.5mm以内；对角线尺寸，公差控制在2mm以内。
3.根据权利要求1所述的一种海上风力发电塔架用锥形塔筒加工方法，其特征在于，步骤（2）中采用双火焰切割枪，在锥形筒节的两侧同时切割制作焊接坡口。
4.根据权利要求3所述的一种海上风力发电塔架用锥形塔筒加工方法，其特征在于，双火焰切割枪切割后变形量小于1.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种海上风力发电塔架用锥形塔筒加工方法，其特征在于，步骤（3）中，点焊的焊点距离端头距离大于100mm。
6.根据权利要求1所述的一种海上风力发电塔架用锥形塔筒加工方法，其特征在于，步骤（5）中，锥形筒节与上下法兰组对前不焊接纵缝。
7.采用权利要求1-6任一项所述的方法得到的海上风力发电塔架用锥形塔筒。
8.一种权利要求7所述塔筒的运输工装，其特征在于，所述支撑工装包括基座体、所述基座体为立方体结构，且所述基座体上方左右两侧各设有一个托架，所述基座体下方左右两侧设有支撑腿。
9.利用权利要求8所述工装对所述塔筒进行运输支撑的方法。
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