浅谈风力发电塔架制造技术
张景忠
中国二冶钢结构公司
摘 要
本文对风力发电塔架的制作技术做了简单的介绍，从钢板下料到塔架的组对焊接，提出了在生产过程中易出的问题，并给出了相应的建议方法和解决方案，同时着重介绍了一些制作技巧和新工艺装备的使用。
关键词：塔架 制作技术 工艺装备
1. 风力发电机组的组成
风力发电机组由：风轮、传动系统、
偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、
控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组
成（图1）基础为钢筋混凝土结构。
2. 风电塔架的制作
2.1原材料的选择
塔架原材料的选择主要考虑塔架的使用条
件、材料的焊接性、塔架的制造工艺以及
图 1
经济合理性。由于塔架一般设置在偏远的草原、荒漠、海边等昼夜温差较大且风力资源丰富的地方。在工作中长期承受动载，所以一般选用机械性能较好的热轧高强度低合金钢制作，如Q345C 、Q345D 、Q345E ，厚度从10～100㎜不等。
2.2原材料的进厂复验
2.2.1外部检查
钢板入厂后首先对钢板外观进行检查，钢板表面不允许有任何缺陷，如麻点、裂纹、褶皱、贴边等缺陷。
2.2.2内部检查
虽然大多数塔架制造技术协议中规定，原材料定制都要符合JB4730-2005中要求的不低于Ⅱ级探伤板，但钢板进厂还是要对不同炉批号、不同厚度的钢板按比例进行超声波复探。着重检测厚度大于30㎜以上的钢板。钢板的复验按照GB/T150-1998制取试样，做拉伸、弯曲、低温冲击试验，检验材料力学性能、化学性能。当对钢板的外部检查和内部检查合格后方可下料。
2.3筒体钢板的切割
2.3.1平板喷砂机的使用
在此我要提到的是在钢板切割前进行的一道工序，就是引进了一台平板喷砂机（图2.1），喷砂能力从6～100㎜。采用平板喷砂机的好处在于：
a. 对喷砂后钢板更容易检查外部缺陷；
b. 在筒体辊制、校园时不必担心钢板表面的氧化皮、杂质等，由于压力的
作用伤害到筒体本身；
c. 在筒体纵缝、环缝焊接前，
减少了不必要的打磨工作；
d. 喷砂后的钢板较干净，改
善了工人的工作环境。
2.3.2切割程序编写
图2.1
在板材大弧与小弧中心
位置编制一个2×2㎜的缺口（如图2.2），当切割完成后用冲子标记出板材中心线。它的目的在于对以后盘圆分心和组对带来方便，组对完的塔段焊缝相错角度会更加准确（一般要求相邻筒节纵缝相错180º）。2㎜的缺口也不会对环缝焊接有任何影响。
图2.2
2.3.3切割气体的选择
传统的氧—乙炔火焰切割已经不能满足现在生产效率和降低成本的要求，很多厂家研制了新气体如TD 气、V8气（在天然气中加入添加剂）。相同体积的新气体比乙炔气使用时间更长，而且价格较乙炔气低，达到了降低成本的目的。同时助燃气体也采用了液氧储罐（如图2.3），液氧的使用时间更长，避免了频繁更换氧气瓶，节省了人力物力。
图2.3
2.3.4筒体钢板的切割及尺寸误差
根据钢板的厚度，选择合适的割嘴、给出切割补偿量。采用预演模式在钢板上喷粉划线，确定切割程序无误后方可切割。切割完成后对板材尺寸检查，尺寸
偏差符合以下要求：
a. 大小口弦长偏差不大于±2㎜；b. 对角线长度偏差不大于±3㎜；c. 母线长允许偏差±1㎜。切割尺寸在允许偏差范围内，方可进入下一道工序。
2.3.5筒体钢板坡口的切割
由于各生产厂家焊接工艺的不同，坡口形式也不相同，比较常见的是“Y ”型坡口。我们采用改进的半自动切割机切割坡口（如图2.4），在切割机侧面安装了导向装置—可调靠紧轴承，切割机会随着板边外形行走，不需要摆放行走轨道。尤
其在切割筒体扇形板时效果更
好，从而提高了工作效率，保证
了切割质量。
2.4塔架筒体的辊圆和校圆
辊圆是塔架制造过程 中很
重要的一个环节，筒体辊制的
图2.4
好坏直接关系到后续工作。圆度不好的筒节不仅影响校圆的时间，且不容易控制错边量增加了塔段组对的难度，所以在辊圆过程中要严格执行辊制工艺。
我们采用由意大利生产的DA VI 风塔成套装置—四辊卷板机MCB-3060WT （如图2.5），只需要一个操作人员在20～30分钟内就能完成筒体的卷制，达到焊接状态。其许多人性化的设计减少了辅助设备的配合，提高了生产效率。
图
2.5
2.4.1筒体的辊制
在钢板置于滚轮架上后，仔细清扫钢板表面的氧化皮、铁屑等杂物。避免在辊制过程，硬物受到碾压伤害到筒体和辊子。
预弯，预弯前必须把钢板边缘严格的安放成与辊轴线平行，抬高边辊进行预弯。有送料滚轮架的配合操作时十分方便。
辊制，用卡样板检查预弯弧度，当预弯弧度与卡样板无间隙时开始送料辊制，辊制过程中随时用样板检查。有了四辊上液压提升器，省去了当辊制一半时天车的配合工作。
点焊，辊制完成后用卡样板检查辊制曲率，确认无误后调整对接接口的对口间隙及错边量、错口量，控制在允许的误差范围内，然后采用CO 2气体保护焊间距300～400㎜进行点焊。
封底焊，封底焊接同样采用CO 2气体保护焊，这里建议在封底焊接前，利用四辊的一侧边辊抬高，给焊接接口处做个2～3㎜反变形（如图2.6）。其目的是为了给纵缝
焊接提供方便，更好的控制筒体棱角
度。反变形做好后，进行封底焊接，焊缝
高度为坡口深度的1/3。
图2.6
2.4.2筒体的校圆
校圆的重点部分是纵缝两侧的弧度，这是在四辊辊制时最不容易上弧的部
位，纵缝焊接后易出现焊接变形造成环向棱角（如图2.7）
。
图2.7
就我们采用W11S-120×3200D 水平下调式三辊卷板机校圆，利用不同形状的垫铁校正纵缝及两侧出现的棱角，用外卡样板和内卡样板配合检查筒体曲率，其允许误差范围如下表（表2.1）
表2.1
对校正好的筒节要检查其大小口的周长且在环口处做好标记，并分出筒节中心线（在下料时已经标记好）。这是为了方便在塔段组对时，铆工根据两对接筒节周长相差值来调节错边量。通过组对经验来看，一般相连筒节周长差值小于6㎜不会影响组对。如周长差值过大需采取措施修理，必要时采用火焰矫正。
2.5塔段组对
塔段的组对包括筒体与法兰组对和筒体与筒体组对。
2.5.1筒体与法兰组对
在塔架测量验收时，很重要的一个参数就是法兰的平面度、内倾度，筒体和法兰的组对过程是控制法兰平面度的第一步。我们采用的是倒装法进行组对，这样就需要一个经过测平的组对平台。如果是在平板上组对，会因为面积过大不易调平。我们把法兰组对胎设计成“米”字型结构（如图2.8），将八块表面经过机加工的平板置于H 型钢上并点焊牢固。用水准仪将组对胎平面度调整到1㎜以内，在此基础上才可以进行组对。
将法兰倒置于组对胎上，观察法兰与平台接触面间隙不得大于1㎜（如图
2.8）。吊装与其连接的筒节进行组对（如图2.9），此时注意筒节纵缝应位于法兰两孔之间。用盘圆分心标记的筒节实际周长与法兰周长比较，计算直径偏差。组对时保证法兰与筒节没有间隙考虑在1/4圆周内调整错边量，避免误差集中。组对完成后，用CO 2气体保护焊在筒体外侧进行封底焊接。
图2.8 图2.9
对于法兰组对完成的筒节建议采用激光测评仪抽检法兰平面度，发现超出允许偏差的应及时处理。
2.5.2筒体与筒体组对
筒体的组对采用卧装法，利用无锡罗尼威尔生产的HGKZ30型可调式组对转胎和行走转胎，严格按照塔筒排版图进行组对，每节组对时都要从焊缝位置开始，保证相邻筒节纵缝相错角度准确。
将第一段筒节放在行走转胎上，第二节筒节放在可调式组对转胎上，
利用调
节滚轮架两滚之间的间距，来调整与第一节筒节的对口错边，控制行走转胎调节筒节对口间隙。筒体组对也采用无间隙组对，依据盘圆周长提前做好调整准备避免误差集中，以此类推。
允许错边量（如表2.2）所示：
表2.2
对于成型塔段的主控项目就是母线长，因此在组对最后一节筒节前，必须测量塔段的母线长，最少测量八点数据来比较，允许误差≤3㎜。如有超差现象可用最后一节筒节来调整塔段母线。检查合格后，采用CO 2气体保护焊在筒体外侧对环口封底焊接。
2.6塔架的焊接
制作塔架所用材料如Q345A ～E 均为低合金高强度结构钢，我们首先要对材料本身的化学成分有所了解（如表2.3）
表2.3
从材料的化学成分不难看出Q345板材的焊接性，其热裂纹倾向较小；薄板的冷裂倾向小、对于厚板来说冷裂倾向较大；热影响区存在脆化现象。总体来说Q345板材的焊接性还是很好的，只要在制定焊接工艺时充分考虑以上几点：正确的选择焊材、采用合理的焊接参数严格控制线能量输出，避免温度过高使热影响区脆化；对于厚度在30㎜以上的板材在焊接前都要预热150℃左右，以免出现冷裂纹。因此为保证塔架的焊接质量，必须完全按照焊接工艺卡提供参数施焊。
2.6.1筒体的纵缝焊接
塔架主焊缝均采用埋弧焊接，焊丝牌号H10Mn2, Φ4.0㎜，焊剂SJ101。筒体纵缝的焊接是在辊制成型经CO 2气体保护焊封底完后进行的。首先是内纵缝的焊接，为减少焊接变形对筒体棱角度的影响，我们采制作了纵焊胎（如图2.10）。纵焊胎是依据塔架整体锥度设计的，但是由大到小胎具弧度都小于筒体弧度；当筒节放上后，由于重力作用筒体的受力点在胎具两侧的弧板上，筒体下面焊缝部
位处于悬空状态，不受外力的影响，
在自由状态下进行焊接，同时在辊
制时做了反变形，所以焊后变形得
到了更好的控制。
内纵缝焊接完成后，在外侧用碳弧
气刨清根直到露出焊缝部分，用砂
轮打磨焊缝及两侧，之后转入外纵
图2.10
缝焊接。纵缝焊接采用埋弧自动焊操作机完成，将纵缝旋转到筒体上方水平位置焊接，要求焊缝成型形美观。
2.6.2筒体的环缝焊接
对于筒体的环缝焊接着重介绍下法兰与筒体的环缝焊接。法兰与筒体的焊接
不仅要求焊缝质量和外观成形，最重要的是采用合理的焊接顺序来控制法兰的焊后平面度及内倾度。
我们采用的工艺是将两个法兰组对好的筒节对把，在两法兰接触面内侧间隔3～4个孔垫1mm 的铁皮，然后用高强螺栓紧固（如图2.11）置于转胎上进行内环焊接。用高强螺栓将两带法兰筒节把紧的目的是在焊接时给法兰一个拘束力阻止焊接变形，两个平整的法兰面相接触很均匀的承受了焊接应力；垫1㎜的铁皮显而易见是在焊接前做的反变形。
图2.11
使用埋弧自动焊小车在筒体内部焊接时，要采用爬坡焊这样有利于焊缝成形，但不允许一次将一侧焊缝焊满，在两法兰之间要对称焊接，随时观察法兰变形情况调整焊接顺序。内环焊接完毕后外碳弧气刨清根，打磨后用操作机焊接外环。虽然工艺选择的是内侧“Y ”型坡口外侧焊量较小，但还要注意控制焊接线能量来减小变形。
筒体与筒体的环缝焊接相对来说容易些，不需要考虑法兰的焊接变形，与法兰和筒节焊接情况类似，在此不多做介绍。
2.6.3门框的焊接
门口在整个塔架中是一个较特殊的部位，开门口破坏了塔架下端的稳定性，门框的焊接就是对塔架的补强，经过屈曲安全分析计算得出门框一般要采用较厚的板材从50～130㎜不等，板材性能要和母材性能一样且要求Z 向强度。
门框与筒体相交形成“T ”型接头（如图2.12）。此处无法采用埋弧焊接，因此选用效率较高的CO 2体保护焊焊接。焊接前要将筒体坡口及门框焊接部分仔细打磨，清理坡口内杂物，然后用氧—乙炔火焰均匀进行预热。使用测温仪检测度预热温度。达到预热温度后开始焊接，每层焊接完要认真清理焊缝表面的氧
化皮，控制层间温度且不得低于预热温度；内部焊
接完外侧碳弧气刨清根，进行外部焊接。焊接完成
后打磨焊缝表面，使焊缝与门框筒体间圆滑过渡。
2.6.4焊接检验
图2.12
所有焊缝都要进行100%UT检验，符合JB/T4730-2005，Ⅰ级合格；所有“T ”型接头进行100%RT检验，符合JB/T2730-2005，Ⅱ级合格；筒体与法兰连接的环向焊缝进行100%MT检验，符合JB/T4730-2005，Ⅰ级合格；当焊缝需要返修时，其返修工艺要符合焊接工艺要求，同一部位返修次数不得超过两次。
2.7塔架的检查及修理交工
在所有焊接工作完成后，进入检查及修理交工阶段包括以下几个部分：法兰的平面度、内倾度测量、筒体椭圆度测量、塔段形位公差检测等。
2.7.1法兰的平面度、内倾度测量
什么是法兰的内倾与外翻呢？（如图
2.13）很直观的看出左侧为法兰为内倾、
右侧法兰为外翻；由于塔段之间的连接都
是靠法兰与法兰的螺栓紧固，内倾的法兰
会给螺栓有一个胀紧力，降低了塔架在承
内倾
外翻图2.13
受动载时螺栓松动的几率；外翻的法兰则不会有这样的效果，
而且外翻法兰对塔
架的外观影响很大，如塔架在潮湿的环境下工作，水汽更容易侵入对法兰面形成腐蚀。因此的法兰连接只允许内倾不允许外翻且平面度在0～2㎜之间，（如表
2.4）所示：
表2.4 从允许偏差值可以看出由于上法兰与机头连接，所以对法兰的平面度和内倾度要求更高。
测量仪器使用的是瑞典Damalini AB公司制造的Easy-Laser TM D 系列激光测平仪，测平仪由激光发射器、激光探测器和主机组成。
测量前将激光发射器置于筒体纵缝的法兰面上，在法兰的三个点上用激光
探测器接收激光束，也就是采用三点法
调平仪器。（如图2.14）仪器调平后确定
和是的测量密度也是很关键的。测量密
度过高，增加无谓的工作量；密度过低
不能反应平面度的变化量及变化趋势，
甚至会将尖峰点漏掉，所以一般我们选
择间隔四个法兰孔测量一点。顺时针测
量先测法兰内沿，再测法兰外沿并对每，
图2.14
个测量点做好标记。以此类推将数据存储到主机中。
将数据传输到电脑上，使用Easy-Linke2.2P4软件运算。从数据上可以看出每个点的高度，得出法兰的平面度和内倾度。（如图2.15）
图2.15
这是一个塔架上法兰的测量结果，它的平面度和内倾度都控制在了允许偏差范围内。
2.7.2法兰平面度、内倾度的矫正
在生产中往往最令各大塔架生产厂家头疼的问题还是焊后法兰平面度超差和外翻现象。尽管在前面我们从法兰组对、法兰与筒体焊接中采取了许多工艺来控制法兰焊后角变形，但还是保证不了焊后一次合格率，所以对法兰平面度超差、外翻的矫正不可缺少的。火焰矫正是修理法兰平面度、外翻的最有效的方法。一般采用氧—乙炔火焰加热，它是利用火焰在法兰颈部与筒体连接处局部加热产生压缩塑性变形，在金属冷却后收缩，达到矫正变形的目的。矫正法兰关键的两点是正确的选择加热部位；控制火焰温度及加热时间。
由于在测量法兰时是以筒节纵缝为起始位置，顺时针测量且对每个测量点都有标记，在得出的计算结果中可以准确的找到法兰平面度超差和外翻位置。火焰加热
的温度和时间取决于板厚和变形量，矫正采用中
性焰（氧乙炔比例为1：1.2）此时火焰温度在500～
600℃。对于矫正14㎜左右的薄板且变形
量较小的法兰，在法兰内测颈部与筒节连接处均
匀加热（如图2.16）时间不能太长只对钢板表面
进行加热，根据钢板颜色随时调整加热部位。法兰会由于内测受热收缩达到矫正外翻的目的。随着板厚、法兰变形量的增加，火焰的温度、加热时间也随之增加。
在修理法兰平面度时，可采用轻微氧化焰这时火焰的温度在600～700℃。同样对于14㎜左右的薄板及平面度略微超差的法兰，加热部位与修理外翻时相同，但加热时间要稍长将板材烤透，看到钢板颜色变为深红色时（温度在650～700℃），随后均匀移动烤枪继续加热。其原理是当筒体与法兰连接处的钢板受到
高温作用时整体收缩，达到矫正法兰平面度的目
的。（如图2.17）同样随着板厚、平面度超差量的
增大，加热时间也要随之增加。在矫正过程中需
要注意的是避免在同一位置反复多次地加热，否
则不仅会对钢材组织产生变化，且矫正交过也会
显著下降。加热完后要使法兰自然冷却不得采用
图2.17 水冷，尤其对于Q345类低合金钢当温度达到临界温度时，如迅速冷却很容易使钢材内部产生淬硬组织引起金属脆变、影响冲击韧性。只要确定了加热位置、控制好加热温度和时间，火焰矫正的效果是非常明显的，因此在塔架生产中得到了广泛的应用。
2.7.3筒体椭圆度的测量及修理
塔段在整体焊接后，因受到自重及焊接应力的作用会使筒体圆度
下降。椭圆度超差是影响塔段连接的根本原因，因此在塔架技术协议中对椭圆度
的要求也是很严格的（如图2.18）任意切断
面圆度公差：(dmax -d min )/dmon
放置在转台上自身重力会对影响筒体椭圆
度，因此在测量椭圆度时要在水平位置进行，
通过转胎的旋转变换测量位置。通常测（图
2.18）量四点后计算出椭圆度，最大径与最
小径差值在2㎜以内为合格。
对于椭圆度超差的筒节，我们采用机械
矫正，通过外界加力使筒体得到塑性变形，
达到修理椭圆度的目的。
最常见的方法是在水平位置用千斤顶撑起直径最小的点
（如图2.19），在不断加力的同时测量该点的直
径，当该点直径超出椭圆度4～5倍的
时候卸去千斤顶。此时筒体会因弹
性变形回弹一定数值，不过根据经验的总结顶起
椭圆度4～5倍的数值已包含了弹性变形的回弹
量。
图2.19
2.7.4塔段形位公差的测量及外观检查
塔段形位公差包括塔段同轴度和两端面平行度。筒体两端面平行度为2㎜。
按（图2.20）做中心支架在O1（O2）
位置分别固定找出中心孔，在孔上拴
钢卷尺；在另一端用弹簧秤拴在钢卷
尺上，用相同拉力（约5～10公斤）
测量并记录A,B,C,D 四个象
图2.20
限斜边长，其相对差值在2㎜以内为
合格。
筒体外观的检查主要包括焊缝
成形、筒体表面缺陷检查等。
3. 塔架的防腐及工艺装备
3.1防腐要求及质量控制
根据风力发电机组的工作环境，塔架设计方会按照国家标准制定防腐方案。风力发电塔架暴露于腐蚀环境的实际情况，根据ISO 12944-2的要求，塔架的外表面属于腐蚀性类别C5-M （不含海上区域）和C5-I ，内表面属于腐蚀性类别C4
。
根据ISO 12944-1要求塔架的防腐保护等级为“长期”，有效寿命在15年以上，20年内腐蚀深度不超过0.5㎜。由于塔架的工作环境恶劣，要求保持防腐时间长，所以对塔架的喷砂除锈、涂装、成品包装及拉运都要严格按照技术文件和国家标准来执行，在此不多做介绍。
3.2防腐过程中假法兰的使用
在这里主要想提到的是一种工装的应用对塔架的防腐带来了巨大的收益，那就是假法兰的使用。
何谓假法兰？就是根据塔架各段法兰的大小，设计出来直径大于相应法兰外径且开孔数量满足连接强度的法兰片。假法兰和塔架锻造法兰一样分为上假法兰、中假法兰、中下假法兰和下假法兰。在涂装前将对应的假法兰安装在筒体两端用高强螺栓紧固，然后将与筒体连接好的假法兰放置在两端钢制转胎的沟槽中（如图3.1）。由于假法兰的外径大于塔筒的法兰外径，多出的部分将整个塔段支撑起来，在钢制转胎的配合下便可以自由的旋转。
图3.1
在没使用假法兰以前，支撑塔段喷漆的还是橡胶转胎。它必须放置在两侧筒身处， 筒体与橡胶转胎接触的部位不能够一次喷涂完成。需要等塔段整体油漆干透后移动转胎或是旋转筒身，在对与转胎接触部位进行二次喷漆。前后两次喷漆的效果必然不会一致，且转胎的旋转会对已经喷好漆的筒体造成碾压。这不仅影响了筒体外侧的喷漆效果，而且两次喷漆的时间较长，降低了工作效率。
假法兰的使用完全解决了上诉问题，整个筒体只有两端的假法兰与转胎接触，塔段处于自由状态，在喷涂过程中可根据需要控制转胎旋转一次完成喷漆。这使得塔段的油漆效果一致、漆膜厚度均匀，而且相对于老的喷漆办法，节省了一半的时间提高了工作效率。
假法兰不仅在喷漆时使用方便，在涂装完毕后塔架内件的安装时也体现出优势。可将塔架内任意位置的内件旋转到水平位置安装，使内件的安装更加方便快速。
3.3假法兰的改进
目前塔架的生产已经达到了流水作业，显然在具有多条生产线的大型制造厂中，一套假法兰是不能满足生产需要的。每个工程都有对应的假法兰，但如果同时制作三个甚至更多工程的塔架，那么假法兰的制作数量也是很可观的。虽然我们采用δ=25～40㎜的地板料或边角料制作，但在此方面的成本核算也是不小的一块。从而我们看出假法兰的不可互换性是它的致命缺点。
综合各项工程的法兰孔径和外径考虑后，将原有假法兰连接面加宽，原本只能开一组孔到现在开多组孔，孔径和孔间距依据法兰而定。这一改进成功解决了假法兰的不可互换性，使一套假法兰就可应用于多个工程中，大大降低了制作成本。
4. 结束语
塔架做为风力发电的重要设备之一，在生产该设备前往往被认为是较为简单的金属焊接结构，但特有的工作状态及恶劣的工作环境对塔架制作提出了很高的要求。
以上通过对塔架制作每道工序的介绍，提出了制作过程中的重点和难点，并在实践中总结了解决问题的办法。最终目的是想把一些实用的制作技巧和工艺装备与其他塔架生产厂家做些交流、相互学习，为保证优质的产品质量而共同努力。
参考文献
1.GB/T19072-2003风力发电机组 塔架
2.GB/T150-1998 钢制压力容器
3.JB/T4730.2-5-2005 承压设备无损检测
4. 杜则裕，工程焊接冶金学，机械工业出版社2000
5. 贾安东，焊接结构，机械工业出版社，1998
6. 周浩森，焊接结构生产及装备，机械工业出版社，1997
7. 燕来生，工程材料，内蒙古人民出版社，2000
8. 能源与环境，ISSN1672-9064
9. 金属铸锻焊接技术，2008年-第11期
浅谈风力发电塔架制造技术
张景忠
中国二冶钢结构公司
摘 要
本文对风力发电塔架的制作技术做了简单的介绍，从钢板下料到塔架的组对焊接，提出了在生产过程中易出的问题，并给出了相应的建议方法和解决方案，同时着重介绍了一些制作技巧和新工艺装备的使用。
关键词：塔架 制作技术 工艺装备
1. 风力发电机组的组成
风力发电机组由：风轮、传动系统、
偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、
控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组
成（图1）基础为钢筋混凝土结构。
2. 风电塔架的制作
2.1原材料的选择
塔架原材料的选择主要考虑塔架的使用条
件、材料的焊接性、塔架的制造工艺以及
图 1
经济合理性。由于塔架一般设置在偏远的草原、荒漠、海边等昼夜温差较大且风力资源丰富的地方。在工作中长期承受动载，所以一般选用机械性能较好的热轧高强度低合金钢制作，如Q345C 、Q345D 、Q345E ，厚度从10～100㎜不等。
2.2原材料的进厂复验
2.2.1外部检查
钢板入厂后首先对钢板外观进行检查，钢板表面不允许有任何缺陷，如麻点、裂纹、褶皱、贴边等缺陷。
2.2.2内部检查
虽然大多数塔架制造技术协议中规定，原材料定制都要符合JB4730-2005中要求的不低于Ⅱ级探伤板，但钢板进厂还是要对不同炉批号、不同厚度的钢板按比例进行超声波复探。着重检测厚度大于30㎜以上的钢板。钢板的复验按照GB/T150-1998制取试样，做拉伸、弯曲、低温冲击试验，检验材料力学性能、化学性能。当对钢板的外部检查和内部检查合格后方可下料。
2.3筒体钢板的切割
2.3.1平板喷砂机的使用
在此我要提到的是在钢板切割前进行的一道工序，就是引进了一台平板喷砂机（图2.1），喷砂能力从6～100㎜。采用平板喷砂机的好处在于：
a. 对喷砂后钢板更容易检查外部缺陷；
b. 在筒体辊制、校园时不必担心钢板表面的氧化皮、杂质等，由于压力的
作用伤害到筒体本身；
c. 在筒体纵缝、环缝焊接前，
减少了不必要的打磨工作；
d. 喷砂后的钢板较干净，改
善了工人的工作环境。
2.3.2切割程序编写
图2.1
在板材大弧与小弧中心
位置编制一个2×2㎜的缺口（如图2.2），当切割完成后用冲子标记出板材中心线。它的目的在于对以后盘圆分心和组对带来方便，组对完的塔段焊缝相错角度会更加准确（一般要求相邻筒节纵缝相错180º）。2㎜的缺口也不会对环缝焊接有任何影响。
图2.2
2.3.3切割气体的选择
传统的氧—乙炔火焰切割已经不能满足现在生产效率和降低成本的要求，很多厂家研制了新气体如TD 气、V8气（在天然气中加入添加剂）。相同体积的新气体比乙炔气使用时间更长，而且价格较乙炔气低，达到了降低成本的目的。同时助燃气体也采用了液氧储罐（如图2.3），液氧的使用时间更长，避免了频繁更换氧气瓶，节省了人力物力。
图2.3
2.3.4筒体钢板的切割及尺寸误差
根据钢板的厚度，选择合适的割嘴、给出切割补偿量。采用预演模式在钢板上喷粉划线，确定切割程序无误后方可切割。切割完成后对板材尺寸检查，尺寸
偏差符合以下要求：
a. 大小口弦长偏差不大于±2㎜；b. 对角线长度偏差不大于±3㎜；c. 母线长允许偏差±1㎜。切割尺寸在允许偏差范围内，方可进入下一道工序。
2.3.5筒体钢板坡口的切割
由于各生产厂家焊接工艺的不同，坡口形式也不相同，比较常见的是“Y ”型坡口。我们采用改进的半自动切割机切割坡口（如图2.4），在切割机侧面安装了导向装置—可调靠紧轴承，切割机会随着板边外形行走，不需要摆放行走轨道。尤
其在切割筒体扇形板时效果更
好，从而提高了工作效率，保证
了切割质量。
2.4塔架筒体的辊圆和校圆
辊圆是塔架制造过程 中很
重要的一个环节，筒体辊制的
图2.4
好坏直接关系到后续工作。圆度不好的筒节不仅影响校圆的时间，且不容易控制错边量增加了塔段组对的难度，所以在辊圆过程中要严格执行辊制工艺。
我们采用由意大利生产的DA VI 风塔成套装置—四辊卷板机MCB-3060WT （如图2.5），只需要一个操作人员在20～30分钟内就能完成筒体的卷制，达到焊接状态。其许多人性化的设计减少了辅助设备的配合，提高了生产效率。
图
2.5
2.4.1筒体的辊制
在钢板置于滚轮架上后，仔细清扫钢板表面的氧化皮、铁屑等杂物。避免在辊制过程，硬物受到碾压伤害到筒体和辊子。
预弯，预弯前必须把钢板边缘严格的安放成与辊轴线平行，抬高边辊进行预弯。有送料滚轮架的配合操作时十分方便。
辊制，用卡样板检查预弯弧度，当预弯弧度与卡样板无间隙时开始送料辊制，辊制过程中随时用样板检查。有了四辊上液压提升器，省去了当辊制一半时天车的配合工作。
点焊，辊制完成后用卡样板检查辊制曲率，确认无误后调整对接接口的对口间隙及错边量、错口量，控制在允许的误差范围内，然后采用CO 2气体保护焊间距300～400㎜进行点焊。
封底焊，封底焊接同样采用CO 2气体保护焊，这里建议在封底焊接前，利用四辊的一侧边辊抬高，给焊接接口处做个2～3㎜反变形（如图2.6）。其目的是为了给纵缝
焊接提供方便，更好的控制筒体棱角
度。反变形做好后，进行封底焊接，焊缝
高度为坡口深度的1/3。
图2.6
2.4.2筒体的校圆
校圆的重点部分是纵缝两侧的弧度，这是在四辊辊制时最不容易上弧的部
位，纵缝焊接后易出现焊接变形造成环向棱角（如图2.7）
。
图2.7
就我们采用W11S-120×3200D 水平下调式三辊卷板机校圆，利用不同形状的垫铁校正纵缝及两侧出现的棱角，用外卡样板和内卡样板配合检查筒体曲率，其允许误差范围如下表（表2.1）
表2.1
对校正好的筒节要检查其大小口的周长且在环口处做好标记，并分出筒节中心线（在下料时已经标记好）。这是为了方便在塔段组对时，铆工根据两对接筒节周长相差值来调节错边量。通过组对经验来看，一般相连筒节周长差值小于6㎜不会影响组对。如周长差值过大需采取措施修理，必要时采用火焰矫正。
2.5塔段组对
塔段的组对包括筒体与法兰组对和筒体与筒体组对。
2.5.1筒体与法兰组对
在塔架测量验收时，很重要的一个参数就是法兰的平面度、内倾度，筒体和法兰的组对过程是控制法兰平面度的第一步。我们采用的是倒装法进行组对，这样就需要一个经过测平的组对平台。如果是在平板上组对，会因为面积过大不易调平。我们把法兰组对胎设计成“米”字型结构（如图2.8），将八块表面经过机加工的平板置于H 型钢上并点焊牢固。用水准仪将组对胎平面度调整到1㎜以内，在此基础上才可以进行组对。
将法兰倒置于组对胎上，观察法兰与平台接触面间隙不得大于1㎜（如图
2.8）。吊装与其连接的筒节进行组对（如图2.9），此时注意筒节纵缝应位于法兰两孔之间。用盘圆分心标记的筒节实际周长与法兰周长比较，计算直径偏差。组对时保证法兰与筒节没有间隙考虑在1/4圆周内调整错边量，避免误差集中。组对完成后，用CO 2气体保护焊在筒体外侧进行封底焊接。
图2.8 图2.9
对于法兰组对完成的筒节建议采用激光测评仪抽检法兰平面度，发现超出允许偏差的应及时处理。
2.5.2筒体与筒体组对
筒体的组对采用卧装法，利用无锡罗尼威尔生产的HGKZ30型可调式组对转胎和行走转胎，严格按照塔筒排版图进行组对，每节组对时都要从焊缝位置开始，保证相邻筒节纵缝相错角度准确。
将第一段筒节放在行走转胎上，第二节筒节放在可调式组对转胎上，
利用调
节滚轮架两滚之间的间距，来调整与第一节筒节的对口错边，控制行走转胎调节筒节对口间隙。筒体组对也采用无间隙组对，依据盘圆周长提前做好调整准备避免误差集中，以此类推。
允许错边量（如表2.2）所示：
表2.2
对于成型塔段的主控项目就是母线长，因此在组对最后一节筒节前，必须测量塔段的母线长，最少测量八点数据来比较，允许误差≤3㎜。如有超差现象可用最后一节筒节来调整塔段母线。检查合格后，采用CO 2气体保护焊在筒体外侧对环口封底焊接。
2.6塔架的焊接
制作塔架所用材料如Q345A ～E 均为低合金高强度结构钢，我们首先要对材料本身的化学成分有所了解（如表2.3）
表2.3
从材料的化学成分不难看出Q345板材的焊接性，其热裂纹倾向较小；薄板的冷裂倾向小、对于厚板来说冷裂倾向较大；热影响区存在脆化现象。总体来说Q345板材的焊接性还是很好的，只要在制定焊接工艺时充分考虑以上几点：正确的选择焊材、采用合理的焊接参数严格控制线能量输出，避免温度过高使热影响区脆化；对于厚度在30㎜以上的板材在焊接前都要预热150℃左右，以免出现冷裂纹。因此为保证塔架的焊接质量，必须完全按照焊接工艺卡提供参数施焊。
2.6.1筒体的纵缝焊接
塔架主焊缝均采用埋弧焊接，焊丝牌号H10Mn2, Φ4.0㎜，焊剂SJ101。筒体纵缝的焊接是在辊制成型经CO 2气体保护焊封底完后进行的。首先是内纵缝的焊接，为减少焊接变形对筒体棱角度的影响，我们采制作了纵焊胎（如图2.10）。纵焊胎是依据塔架整体锥度设计的，但是由大到小胎具弧度都小于筒体弧度；当筒节放上后，由于重力作用筒体的受力点在胎具两侧的弧板上，筒体下面焊缝部
位处于悬空状态，不受外力的影响，
在自由状态下进行焊接，同时在辊
制时做了反变形，所以焊后变形得
到了更好的控制。
内纵缝焊接完成后，在外侧用碳弧
气刨清根直到露出焊缝部分，用砂
轮打磨焊缝及两侧，之后转入外纵
图2.10
缝焊接。纵缝焊接采用埋弧自动焊操作机完成，将纵缝旋转到筒体上方水平位置焊接，要求焊缝成型形美观。
2.6.2筒体的环缝焊接
对于筒体的环缝焊接着重介绍下法兰与筒体的环缝焊接。法兰与筒体的焊接
不仅要求焊缝质量和外观成形，最重要的是采用合理的焊接顺序来控制法兰的焊后平面度及内倾度。
我们采用的工艺是将两个法兰组对好的筒节对把，在两法兰接触面内侧间隔3～4个孔垫1mm 的铁皮，然后用高强螺栓紧固（如图2.11）置于转胎上进行内环焊接。用高强螺栓将两带法兰筒节把紧的目的是在焊接时给法兰一个拘束力阻止焊接变形，两个平整的法兰面相接触很均匀的承受了焊接应力；垫1㎜的铁皮显而易见是在焊接前做的反变形。
图2.11
使用埋弧自动焊小车在筒体内部焊接时，要采用爬坡焊这样有利于焊缝成形，但不允许一次将一侧焊缝焊满，在两法兰之间要对称焊接，随时观察法兰变形情况调整焊接顺序。内环焊接完毕后外碳弧气刨清根，打磨后用操作机焊接外环。虽然工艺选择的是内侧“Y ”型坡口外侧焊量较小，但还要注意控制焊接线能量来减小变形。
筒体与筒体的环缝焊接相对来说容易些，不需要考虑法兰的焊接变形，与法兰和筒节焊接情况类似，在此不多做介绍。
2.6.3门框的焊接
门口在整个塔架中是一个较特殊的部位，开门口破坏了塔架下端的稳定性，门框的焊接就是对塔架的补强，经过屈曲安全分析计算得出门框一般要采用较厚的板材从50～130㎜不等，板材性能要和母材性能一样且要求Z 向强度。
门框与筒体相交形成“T ”型接头（如图2.12）。此处无法采用埋弧焊接，因此选用效率较高的CO 2体保护焊焊接。焊接前要将筒体坡口及门框焊接部分仔细打磨，清理坡口内杂物，然后用氧—乙炔火焰均匀进行预热。使用测温仪检测度预热温度。达到预热温度后开始焊接，每层焊接完要认真清理焊缝表面的氧
化皮，控制层间温度且不得低于预热温度；内部焊
接完外侧碳弧气刨清根，进行外部焊接。焊接完成
后打磨焊缝表面，使焊缝与门框筒体间圆滑过渡。
2.6.4焊接检验
图2.12
所有焊缝都要进行100%UT检验，符合JB/T4730-2005，Ⅰ级合格；所有“T ”型接头进行100%RT检验，符合JB/T2730-2005，Ⅱ级合格；筒体与法兰连接的环向焊缝进行100%MT检验，符合JB/T4730-2005，Ⅰ级合格；当焊缝需要返修时，其返修工艺要符合焊接工艺要求，同一部位返修次数不得超过两次。
2.7塔架的检查及修理交工
在所有焊接工作完成后，进入检查及修理交工阶段包括以下几个部分：法兰的平面度、内倾度测量、筒体椭圆度测量、塔段形位公差检测等。
2.7.1法兰的平面度、内倾度测量
什么是法兰的内倾与外翻呢？（如图
2.13）很直观的看出左侧为法兰为内倾、
右侧法兰为外翻；由于塔段之间的连接都
是靠法兰与法兰的螺栓紧固，内倾的法兰
会给螺栓有一个胀紧力，降低了塔架在承
内倾
外翻图2.13
受动载时螺栓松动的几率；外翻的法兰则不会有这样的效果，
而且外翻法兰对塔
架的外观影响很大，如塔架在潮湿的环境下工作，水汽更容易侵入对法兰面形成腐蚀。因此的法兰连接只允许内倾不允许外翻且平面度在0～2㎜之间，（如表
2.4）所示：
表2.4 从允许偏差值可以看出由于上法兰与机头连接，所以对法兰的平面度和内倾度要求更高。
测量仪器使用的是瑞典Damalini AB公司制造的Easy-Laser TM D 系列激光测平仪，测平仪由激光发射器、激光探测器和主机组成。
测量前将激光发射器置于筒体纵缝的法兰面上，在法兰的三个点上用激光
探测器接收激光束，也就是采用三点法
调平仪器。（如图2.14）仪器调平后确定
和是的测量密度也是很关键的。测量密
度过高，增加无谓的工作量；密度过低
不能反应平面度的变化量及变化趋势，
甚至会将尖峰点漏掉，所以一般我们选
择间隔四个法兰孔测量一点。顺时针测
量先测法兰内沿，再测法兰外沿并对每，
图2.14
个测量点做好标记。以此类推将数据存储到主机中。
将数据传输到电脑上，使用Easy-Linke2.2P4软件运算。从数据上可以看出每个点的高度，得出法兰的平面度和内倾度。（如图2.15）
图2.15
这是一个塔架上法兰的测量结果，它的平面度和内倾度都控制在了允许偏差范围内。
2.7.2法兰平面度、内倾度的矫正
在生产中往往最令各大塔架生产厂家头疼的问题还是焊后法兰平面度超差和外翻现象。尽管在前面我们从法兰组对、法兰与筒体焊接中采取了许多工艺来控制法兰焊后角变形，但还是保证不了焊后一次合格率，所以对法兰平面度超差、外翻的矫正不可缺少的。火焰矫正是修理法兰平面度、外翻的最有效的方法。一般采用氧—乙炔火焰加热，它是利用火焰在法兰颈部与筒体连接处局部加热产生压缩塑性变形，在金属冷却后收缩，达到矫正变形的目的。矫正法兰关键的两点是正确的选择加热部位；控制火焰温度及加热时间。
由于在测量法兰时是以筒节纵缝为起始位置，顺时针测量且对每个测量点都有标记，在得出的计算结果中可以准确的找到法兰平面度超差和外翻位置。火焰加热
的温度和时间取决于板厚和变形量，矫正采用中
性焰（氧乙炔比例为1：1.2）此时火焰温度在500～
600℃。对于矫正14㎜左右的薄板且变形
量较小的法兰，在法兰内测颈部与筒节连接处均
匀加热（如图2.16）时间不能太长只对钢板表面
进行加热，根据钢板颜色随时调整加热部位。法兰会由于内测受热收缩达到矫正外翻的目的。随着板厚、法兰变形量的增加，火焰的温度、加热时间也随之增加。
在修理法兰平面度时，可采用轻微氧化焰这时火焰的温度在600～700℃。同样对于14㎜左右的薄板及平面度略微超差的法兰，加热部位与修理外翻时相同，但加热时间要稍长将板材烤透，看到钢板颜色变为深红色时（温度在650～700℃），随后均匀移动烤枪继续加热。其原理是当筒体与法兰连接处的钢板受到
高温作用时整体收缩，达到矫正法兰平面度的目
的。（如图2.17）同样随着板厚、平面度超差量的
增大，加热时间也要随之增加。在矫正过程中需
要注意的是避免在同一位置反复多次地加热，否
则不仅会对钢材组织产生变化，且矫正交过也会
显著下降。加热完后要使法兰自然冷却不得采用
图2.17 水冷，尤其对于Q345类低合金钢当温度达到临界温度时，如迅速冷却很容易使钢材内部产生淬硬组织引起金属脆变、影响冲击韧性。只要确定了加热位置、控制好加热温度和时间，火焰矫正的效果是非常明显的，因此在塔架生产中得到了广泛的应用。
2.7.3筒体椭圆度的测量及修理
塔段在整体焊接后，因受到自重及焊接应力的作用会使筒体圆度
下降。椭圆度超差是影响塔段连接的根本原因，因此在塔架技术协议中对椭圆度
的要求也是很严格的（如图2.18）任意切断
面圆度公差：(dmax -d min )/dmon
放置在转台上自身重力会对影响筒体椭圆
度，因此在测量椭圆度时要在水平位置进行，
通过转胎的旋转变换测量位置。通常测（图
2.18）量四点后计算出椭圆度，最大径与最
小径差值在2㎜以内为合格。
对于椭圆度超差的筒节，我们采用机械
矫正，通过外界加力使筒体得到塑性变形，
达到修理椭圆度的目的。
最常见的方法是在水平位置用千斤顶撑起直径最小的点
（如图2.19），在不断加力的同时测量该点的直
径，当该点直径超出椭圆度4～5倍的
时候卸去千斤顶。此时筒体会因弹
性变形回弹一定数值，不过根据经验的总结顶起
椭圆度4～5倍的数值已包含了弹性变形的回弹
量。
图2.19
2.7.4塔段形位公差的测量及外观检查
塔段形位公差包括塔段同轴度和两端面平行度。筒体两端面平行度为2㎜。
按（图2.20）做中心支架在O1（O2）
位置分别固定找出中心孔，在孔上拴
钢卷尺；在另一端用弹簧秤拴在钢卷
尺上，用相同拉力（约5～10公斤）
测量并记录A,B,C,D 四个象
图2.20
限斜边长，其相对差值在2㎜以内为
合格。
筒体外观的检查主要包括焊缝
成形、筒体表面缺陷检查等。
3. 塔架的防腐及工艺装备
3.1防腐要求及质量控制
根据风力发电机组的工作环境，塔架设计方会按照国家标准制定防腐方案。风力发电塔架暴露于腐蚀环境的实际情况，根据ISO 12944-2的要求，塔架的外表面属于腐蚀性类别C5-M （不含海上区域）和C5-I ，内表面属于腐蚀性类别C4
。
根据ISO 12944-1要求塔架的防腐保护等级为“长期”，有效寿命在15年以上，20年内腐蚀深度不超过0.5㎜。由于塔架的工作环境恶劣，要求保持防腐时间长，所以对塔架的喷砂除锈、涂装、成品包装及拉运都要严格按照技术文件和国家标准来执行，在此不多做介绍。
3.2防腐过程中假法兰的使用
在这里主要想提到的是一种工装的应用对塔架的防腐带来了巨大的收益，那就是假法兰的使用。
何谓假法兰？就是根据塔架各段法兰的大小，设计出来直径大于相应法兰外径且开孔数量满足连接强度的法兰片。假法兰和塔架锻造法兰一样分为上假法兰、中假法兰、中下假法兰和下假法兰。在涂装前将对应的假法兰安装在筒体两端用高强螺栓紧固，然后将与筒体连接好的假法兰放置在两端钢制转胎的沟槽中（如图3.1）。由于假法兰的外径大于塔筒的法兰外径，多出的部分将整个塔段支撑起来，在钢制转胎的配合下便可以自由的旋转。
图3.1
在没使用假法兰以前，支撑塔段喷漆的还是橡胶转胎。它必须放置在两侧筒身处， 筒体与橡胶转胎接触的部位不能够一次喷涂完成。需要等塔段整体油漆干透后移动转胎或是旋转筒身，在对与转胎接触部位进行二次喷漆。前后两次喷漆的效果必然不会一致，且转胎的旋转会对已经喷好漆的筒体造成碾压。这不仅影响了筒体外侧的喷漆效果，而且两次喷漆的时间较长，降低了工作效率。
假法兰的使用完全解决了上诉问题，整个筒体只有两端的假法兰与转胎接触，塔段处于自由状态，在喷涂过程中可根据需要控制转胎旋转一次完成喷漆。这使得塔段的油漆效果一致、漆膜厚度均匀，而且相对于老的喷漆办法，节省了一半的时间提高了工作效率。
假法兰不仅在喷漆时使用方便，在涂装完毕后塔架内件的安装时也体现出优势。可将塔架内任意位置的内件旋转到水平位置安装，使内件的安装更加方便快速。
3.3假法兰的改进
目前塔架的生产已经达到了流水作业，显然在具有多条生产线的大型制造厂中，一套假法兰是不能满足生产需要的。每个工程都有对应的假法兰，但如果同时制作三个甚至更多工程的塔架，那么假法兰的制作数量也是很可观的。虽然我们采用δ=25～40㎜的地板料或边角料制作，但在此方面的成本核算也是不小的一块。从而我们看出假法兰的不可互换性是它的致命缺点。
综合各项工程的法兰孔径和外径考虑后，将原有假法兰连接面加宽，原本只能开一组孔到现在开多组孔，孔径和孔间距依据法兰而定。这一改进成功解决了假法兰的不可互换性，使一套假法兰就可应用于多个工程中，大大降低了制作成本。
4. 结束语
塔架做为风力发电的重要设备之一，在生产该设备前往往被认为是较为简单的金属焊接结构，但特有的工作状态及恶劣的工作环境对塔架制作提出了很高的要求。
以上通过对塔架制作每道工序的介绍，提出了制作过程中的重点和难点，并在实践中总结了解决问题的办法。最终目的是想把一些实用的制作技巧和工艺装备与其他塔架生产厂家做些交流、相互学习，为保证优质的产品质量而共同努力。
参考文献
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2.GB/T150-1998 钢制压力容器
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5. 贾安东，焊接结构，机械工业出版社，1998
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7. 燕来生，工程材料，内蒙古人民出版社，2000
8. 能源与环境，ISSN1672-9064
9. 金属铸锻焊接技术，2008年-第11期