中国能源资讯网焊接是海上风电塔筒设备制造过程中的关键环节，焊接工艺是否科学、合理性直接关系到塔筒的质量与性能。海洋环境是一种复杂的腐蚀环境，海上风机塔筒腐蚀防护问题不容忽视，好的防腐蚀保护可以有效延长塔筒结构的使用寿命，降低运营维护成本。本文对海上风电塔筒设备的焊接与防腐蚀技术进行重点介绍。
焊接技术
风电塔筒系圆锥筒形焊接结构件，分段制造，每段高度在十几米至三十几米不等，相邻段节间采用连接法兰连接。风电塔筒制造难点在于解决各段连接法兰之间的平面度、平行度与焊接变形之间的矛盾；塔筒生产的最关键环节就是焊接，因此，塔筒焊接工艺的科学性直接影响到塔筒的质量与性能。
1传统塔筒焊接工艺
为了让法兰与筒体焊接完成后的角变形量符合设计要求，传统焊接工艺先将单个法兰与筒体的对接点固焊组成一体后，再进行焊接。焊接操作一般采用埋弧焊，可以选用型号为MZ9-1250自动弧焊机与ZD5-1250型弧焊整流器，直流反接；焊丝可以选用H10Mn2，直径为4mm；焊剂选择SJ101。
整个焊接过程共分为3个层次，第1层先进行筒体外侧焊接，内侧使用碳弧气刨清根，加工出一个U形坡口，完成清根操作后，用砂轮，也可以使用角磨机将坡口进行打磨，让坡口两侧20cm范围内的金属光泽裸露出来，将表面的氧化物或是碳化物等杂质清除掉，同时检查是否存在夹渣、裂纹之类的缺陷；第2层焊接与第3层焊接是从塔筒的内侧进行的。由于塔筒承受的载荷为动态载荷，因此，焊缝需具有较高的耐冲击性和韧性；在焊接完成后，需要马上进行消氢处理，此操作的适宜温度为200～350℃，时间至少要在2h 以上；焊接应力受焊接顺序、坡口大小和焊接热输入等因素影响，控制好焊接应力，就可以控制好焊接后的角变形。
图1 塔筒焊接
传统塔筒焊接工艺在的问题：（1）工人劳动强度增加。先进行法兰外侧焊接，再在内侧用碳弧气刨清根，使后面的清根操作以及清根操作完成后的坡口打磨操作很难实施，焊工、打磨工的劳动强度大大增加，使得工期延长。（2）产品质量可能受影响。由于背面坡口清根与坡口打磨操作不易进行，在清根操作时，经常会使坡口变形，坡口的打磨也会留有残渣，产生缺陷，焊接时容易在焊缝中出现气孔，最终影响塔筒的质量。（3）法兰角出现变形。在焊接过程中，法兰角的变形由焊接工艺参数决定，受背面焊缝应力影响，法兰角的变形容易出现不一致的情况，严重的甚至会影响到塔筒的质量与性能。
2传统塔筒焊接工艺改进
风电塔筒的生产制作是将法兰与筒节之间采用直角焊缝连接，由于风电塔筒法兰的直径至少都在40cm左右，并且厚度都达到40cm，因此，焊接容易出现变形，法兰的平面度、椭圆度等重要性能指标受到影响；传统的焊接方法多采用手工操作，难以实现焊角的尺寸相同，容易产生缺陷，因此，需要进行焊接工艺改进。具体改进措施如下。
1、双面埋弧焊焊接
双面埋弧焊技术成熟，具有很多应用优势，一是生产效率高，二是焊缝质量高，三是劳动条件好。
塔筒双面埋弧焊可以选择焊接材料为埋弧焊焊比+焊剂（H10Mn2+SJ101)，采用罗尼维尔十字臂焊接机和美国林肯埋弧焊焊机，进行热处理的设备选定智能电脑温控仪和自动温度记录仪，在进行焊接前，先要预热，温度控制在80～120℃。
2、纵焊缝与环焊缝焊接
无论是纵焊缝和环焊缝都应先进行内侧焊接，完成内侧焊接后，再进行外侧碳弧气刨清根，完成清根工作后，再采用相同的焊接进行外侧焊接，但是前几层的焊缝厚度相对薄一些。在进行环焊缝焊接时，一定要完成内侧3～4层，而内侧2层的焊接与外侧碳弧气刨清根打磨同时进行，焊缝成形系数必须控制在2.0以内。完成焊接后，需测量一下法兰的外翻，根据法兰的外翻情况来确定内侧与外侧的焊接工作。
图2 环焊缝焊接
3、塔筒焊接过程稳定性控制
焊接前，计算法兰与筒节连接后的总体长度，计算结果作为全型焊接工装的整体长度确定依据，制作合适的工装保证筒节在焊接过程中的稳定性。与此同时，需要得出工装倾斜角度的精确数值，也是影响塔筒质量的重要因素。计算数时，需要注意以下两点：角度的大小应适中，尤其不能过大，如果角度偏大，筒节在焊接过程中，容易不稳定，埋下安全隐患，使接下来的后续工作难度增加，最终对焊缝的成型产生影响；角度也不宜过小，过小的角度容易使焊枪的前倾角度受到影响，还会影响到焊丝伸出的长度，这样法兰与筒节之间进行焊固就没有意义了；最科学合理的角度是25°，此角度可以保证工装中焊接过程的可靠稳定。
4、塔筒法兰焊接
首先，选择内侧位置作为管节和法兰的坡口区域，科学选择接头参数，合理安排焊接顺序，保证顺利将管节和法兰进行焊接。结束作业之后，视具体情况开展火焰整形，促进塔架生产速度提高，保证塔筒法兰焊接的角变形情况与设计规范相符，提升焊接质量。其次，焊接过程中，优先找出外侧组对时存在间隙的位置开展封焊操作，而针对不存在间隙的部位则无需进行焊接。改进之后的焊接工艺不需要再另外实施手工焊打底，可在间隙封焊完成之后开展内侧焊接，并针对外侧实施清根处理，之后根据规定要求实施打磨处理，认真清理焊接缝隙中的残留物，清理完毕后开展外侧焊缝焊接，完成外侧焊接工作后再进行内侧焊接，通过这种交替式的焊接工艺，提高焊接工作的效率，保障焊接质量。
5、组装焊接
经过选材、装配、焊接等工序后，最后进行法兰与筒节的工装设计与制作。在进行工装设计时，需要考虑的主要因素为焊接工艺参数，这是影响工装效果的最重要因素。焊接的质量容易受到法兰与筒节装配缝隙的影响，如果缝隙过大，容易使工装的辅助意义丧失，如果遇到这种情况，可以通过调解焊角的角度将工装的辅助效果发挥到极限；如果法兰的厚度、筒节的厚度不一样，需要科学的选择焊接参数，焊接电流、焊接电压以及焊接速度、焊丝长度都要相互配合，注意科学的处理，如果处理不当，就会增加焊接操作的难度，还容易产生飞溅或是电弧燃烧不稳定的情况；为了保证焊缝的质量，需要在焊接前将焊缝处的铁锈、油渍等彻底的清除，如果清理的不彻底容易产生气孔、夹渣等缺陷；焊接过程中需要预防焊机设备与工装之间的摩擦阻力。焊丝盘不应与法兰接触，因为二者接触容易造成焊丝变曲或是扭弯，致使焊接进行过程中焊丝旋转或是出丝不顺畅，焊缝的成型质量受到影响；焊接过程中，二氧化碳、一氧化碳气体的纯度至少要在99.5%以上。与此同时，相关技术人员可以在正式焊接操作之前对焊缝进行严格仔细的检查，及时清除焊缝行的锈迹和污染物，并充分做好清洁层间工作，以保证法兰焊接操作的顺利开展，从而对风电塔筒法兰焊接质量进行有效的控制。
6、塔筒焊接法兰角变形控制
要想确保法兰焊接完毕后能够符合塔架制造的技术要求和条件，在对法兰把紧进行连接处理时，应增加2毫米至3毫米厚的垫片，用于控制焊接过程中发生的变形，选择超过6个以上厚度的垫片，使用定位销将6个垫片进行两两连接，根据法兰内圆圆周进行平均分布；尽量确保法兰把紧处于对称状态，保证施力平均，并力求法兰外缘能够实现紧密结合。
7、焊接层间清理
层间清理会对焊接的质量产生影响，清理完成后，要马上使用手弧焊进行修补，然后再进行焊接。同样，清根质量也会对焊接质量产生影响，因此，清根区域的清理一定要做到干净彻底，可以看到金属光泽；与此同时，焊接剂需要在250～350℃的高温下烘焙2h以上。
8、作业人员管理
焊工是焊接施工的关键环节，优秀的焊接人员和相关技术人员是风电塔筒法兰焊接质量的重要保证。焊接工艺文件应科学合理，焊工必须有专业资格证书，应该让经验丰富的优秀焊接工程师来带新焊工、实践技术教学，还应该定期为焊接和相关技术人员进行技术培训、更新，对焊工进行理论和实践技能培训，不断提高第一线焊接操作者的技能水平，确保焊接质量。
防腐蚀技术
风电塔筒在使用过程中，不仅受到来自风轮、机舱以及自身的重力作用，同时还受到各种风况作用，长期经受紫外线、雨雪、昼夜温差、盐雾等各种恶劣的自然环境腐蚀，致使涂层损伤；另外，设计防腐配套系统失败造成涂层过早失效，或是原始施工时没有对塔筒表面进行处理，或是表面处理不彻底就进行油漆施工，由此造成其涂层松动、脱落，致使塔筒腐蚀；涂装施工过程质量控制不严，使防腐效果弱化；涂层使用寿命超限而导致旧涂层粉化、脱落、起泡、松动等，也容易造成的塔筒锈蚀。
风电塔筒一旦遭受腐锈，容易造成塔筒的损坏，弱化风力发电的利用率，减少发电量，增加运营成本，甚至造成灾难性后果。海洋环境是一种比陆上更加复杂的腐蚀环境，海上风电塔筒腐蚀防护是海上风电运维的重要工作内容。
1、选用性能优良的防腐蚀涂料
通常在高盐度的海域，盐雾的浓度均值可达12.4mg/m3 到60mg/m3 ，高出陆上均值的数十倍。一旦金属层暴露在海洋环境中，在电化学的作用下，空气中氯化钠等盐分对金属的腐蚀速度将大幅提高（约为大气环境的4-5倍）。在阳光、风雨、冷热等外界因素作用下，机组涂层还易发生开裂、粉化、变色、起泡、脱落、污浊等。表面的腐蚀可能对风电机组的运行带来安全隐患，例如高强度螺栓剪切、断裂，甚至引发倒塔事故。此外，不同于海上钻井平台受到腐蚀时可以随时修补，海上风电机组由于其特殊的地理环境和技术要求，维修费用极高，这也是海上风电塔筒装置防腐措施非常重要的原因。
因此，在选用防腐蚀涂料时，应充分考虑到自然环境的影响，选用综合性能优异防腐蚀涂料产品，以此进行风电塔筒的防腐蚀保护，确保其在海洋环境下不被腐蚀，延长风力发电设施的使用寿命，降低其维护的费用。
目前我国大部分风电塔筒沿用的是欧美标准的聚氨酯涂料，这类涂料技术比较成熟，相对耐侯性也较好，但是寿命有限，需要经常进行维护甚至重涂。重涂的装卸、运输以及停机维修费用极为高昂，远高于初次涂装的涂料本身的成本费用，其设备维护成本和安全隐患也居高不下。近来有涂料厂家针对这个问题，推出高性能长效防护的氟碳体系涂料，具有超强的耐候性和耐沾污性、耐粉化、保光保色性极强，还具有优异的物理机械性能，能对底材起到屏蔽的作用，只需20微米的膜厚就达到满足40年的防腐要求，其漆膜年损耗量低，在风机正常使用寿命期内，不需要进行维护或只需一次维护，延长涂装保护层的有效使用寿命，可大幅提升风电塔筒的使用寿命、减少维护成本。
图3 焊圈锈蚀
2、提升防腐涂装过程工艺条件
由于风电塔筒的体积比较大，在进行防腐操作过程中，难免存在各种问题，例如，在喷丸时将塔筒放在转胎上，进行的打砂易造成打砂后表面与转胎再次接触，灰尘、砂粒挤压筒体表面等状况易造成筒体表面污染，甚至有掉落的危险；在进行油漆喷涂时转动塔筒会造成油漆表面损伤，加大修复面积及修复难度，而风电塔筒的筒体位于固定位置不旋转，又容易造成油漆喷涂厚度不均匀，形成塔筒表面流挂、桔皮等各种缺陷；因此，在防腐操作过程中，对塔筒进行支撑及转动，为防腐提供理想的操作环境，是确保防腐有好效果的关键。操作过程中，可根据实际情况，设计并制作恰当的风电塔筒旋转工装，并将其运用于防腐操作当中，将筒体两端与工装通过螺栓连接，使筒体表面与支撑点不直接接触，避免筒体喷砂及油漆时会有二次污染造成的返修，筒体连续转动喷涂，可使涂层更加均匀，工人操作起来更加方便，也更容易形成稳定的喷涂工艺，保证喷涂质量的稳定，使用工装能为风电塔筒的防腐提供理想的操作环境，防止由于施工环境因素导致最终产品不符合要求，缩短防腐工序的时间，提高效率，保证防腐的质量。
图4 喷涂环节
3、维修及喷涂工艺
风电塔筒的防腐是一项巨大的工程，只有沿用恰当的工艺加以维修，才能达到事半功倍的效果。在进行塔筒外表面的维修时，首先应处理其局部锈蚀部位的表面，可采用喷射的方法去除风电塔筒被氧化的锈蚀层和旧涂层等锈蚀部位，与传统的手工打磨方法相比，喷射的方法更能彻底地去除被氧化甚至产生坑蚀钢板深层的锈蚀和旧涂层，其被处理部位边缘采用动力砂轮打磨形成有梯度的过渡层以便进行油漆施工后有一个平滑光顺的表面。
其次，按照原始配套方案进行手刷或者滚涂底漆，在不污染边缘原始涂层，有效地控制底漆的消耗的情况下，使其达到规定的漆膜厚度。
再次，为保证涂层能达到原始配套的施工漆膜厚度，可采用刷涂或喷涂的方法进行中涂漆施工，此时应注意对边缘区域进行保护遮挡，有效的控制消耗，保证外观效果。
最后，根据防腐施工的不同方案，采用不同的面漆喷涂方法，如局部修补可沿用前面几个步骤后进行喷涂或刷涂面漆，以达到原始的设计厚度要求；若是全部面漆修补的话，应在中间漆施工达到厚度标准后对整个塔筒外边面进行彻底的清洁，使得被涂表面彻底得以清洁后再进行整体的面漆喷涂，确保风电塔筒的外观颜色能长久靓丽光泽，并对塔筒表面起到一定的封闭作用。
目前，海上风电机组已经应用无人机拍照来检查涂层是否存在粉化、剥落和漏油污染，确定涂层损坏程度、损坏面积、损坏位置，塔筒本体、焊缝是否存在锈蚀，密封胶是否老化失效；使用脉冲电磁等无损探伤技术检测涂层早期微裂纹，安排相关人员进行涂层修补。
图5 进行塔筒表面清洗作业
结语
风机塔筒是海上风电机组的关键支撑结构，随着海上风电机组日趋大型化，塔筒结构的长度、直径越来越大，其建造质量要求也越来越高，制造难度不断加大。与此同时，海上风电逐步向深远海推进，风电场的环境条件更加恶劣，对塔筒的安全提出了更高要求。焊接、防腐涂装等海上风电关键基础技术需与时俱进，不断在实践中得到发展、完善，支撑海上风电开发行稳致远。
