淺談反向平衡法蘭塔架的應用

肖 健（大保建設管理有限公司， 遼寧 大連 116600）

1 概 述

近年來，風電項目在我國很多能源企業(yè)投資建設的清潔能源項目中占比最大，2019年之后，海上風電更是大有興起之勢。隨著風電機組技術(shù)的不斷成熟，風力發(fā)電將向著大型化和海洋化發(fā)展，為了突破占地區(qū)域使用限制、單臺機組獲得最大利益化，更大的葉輪直徑和更高的塔架已成為風電發(fā)展的主要趨勢。這就要不斷加厚塔筒受力薄弱處的法蘭面以滿足承載需要。國內(nèi)發(fā)展風電已有 30 多年，近年來時有風電塔筒折損、撕裂情形發(fā)生。安全問題在生產(chǎn)管理中被認為是首要問題，尤其在風力發(fā)電領(lǐng)域，風力發(fā)電塔結(jié)構(gòu)的破壞，按部位主要分為基礎(chǔ)、葉片和塔身的破壞。本文所指的塔身破壞表現(xiàn)為風機塔筒的撕裂與折斷。這種破壞形式在沿海區(qū)域的發(fā)生概率高于風速較低的內(nèi)陸風場，而反向平衡法蘭可以滿足風電機組的質(zhì)量和安全需要。以調(diào)兵山風場試驗為例：極限承載力試驗證明了反向平衡法蘭節(jié)點強度足夠，具備了相當?shù)陌踩珒?；塔筒發(fā)電階段實測證明了反向平衡法蘭螺栓拉應力變動與計算結(jié)果基本相符；反向平衡法蘭構(gòu)造簡單、受力合理，有效地改善了法蘭與塔筒焊縫的受力狀況和焊接變形。

2 反向平衡法蘭塔架比傳統(tǒng)平面法蘭具有的優(yōu)勢

塔筒從地面算起 40m左右處，是受風機機倉內(nèi)25t左右部件和風葉片轉(zhuǎn)動產(chǎn)生振動力最大部位處，斷裂位置多位于此，連接法蘭的成本、技術(shù)、誤差控制等顯得尤為重要。

2.1 反向平衡法蘭的特點

2.2.1 更低的制造成本

（1）傳統(tǒng)的平面法蘭是先由鋼坯煅制成環(huán)形，用捻環(huán)機扎制到所需的尺寸，再經(jīng)退火機加工成形并熱處理后成品；反向平衡法蘭則將購入的成品鋼板切割成拼接法蘭和法蘭板，以焊接的方式進行加工，再用大型設備精加工打孔成形。相比之下，后者的制造成本更低。

（2）隨著風機組件加高、加重，傳統(tǒng)平面法蘭的厚度也隨之增加；反向平衡法蘭則無需增厚法蘭板，只需增高加勁板即可增加法蘭剛度。相比傳統(tǒng)平面法蘭，反向平衡法蘭的成本更低。

（3）相對于傳統(tǒng)平面法蘭，反向平衡法蘭不僅具有良好的抗彎剛度和極限承載力，而且生產(chǎn)周期短，對吊裝器具的要求低。

2.2 更合理的抗剪方式

從受力方式上看，傳統(tǒng)的平面法蘭用高強度螺栓進行連接、緊固，法蘭面摩擦力起到抗剪作用；反向平衡法蘭連接時，在預應力螺栓的緊固法蘭板端面的上下定位殼起到抗剪作用，機械抗剪。

2.3 更易實施的質(zhì)量控制

（1）所有法蘭面（沿直徑方向）允許 0～1.5mm 內(nèi)傾偏差，但不允許外翻。與傳統(tǒng)平面法蘭相比，反向平衡法蘭塔架在塔架制造中容易控制，不存在外翻問題。

（2）相比傳統(tǒng)平面法蘭，反向平衡法蘭加勁板在前法蘭板在后，因此不需要加厚法蘭即可增加螺栓長度，從而方便螺栓施加預拉力，方便控制預拉力大小。

（3）反向平衡法蘭在加勁板的鋼管向心側(cè)增加一段平衡面，使法蘭連接時不但鋼管壁受壓而且加勁板的平衡面也受壓，而且還大大減少了加勁板與鋼管壁連接焊縫的彎曲作用，繼而減小了焊縫的環(huán)向拉力，使加勁板與鋼管壁焊縫以受剪為主，以提高焊縫的抗疲勞強度。

3 研究展望

本文對管塔式風電塔架控制點和反向平衡法蘭的優(yōu)勢進行了分析，從中可以看到，管塔式塔架技術(shù)已日趨成熟，質(zhì)量控制要點也正在細節(jié)化，但也存在一些問題，期待后續(xù)的研究工作能對這些問題進行細致探究。

（1）反向平衡法蘭由眾多板件焊接而成，塔筒廠商認為組件過多，且難以實現(xiàn)縮尺建模進行全面分析研究，目前僅有金鳳科技、大金重工等塔筒生產(chǎn)企業(yè)在使用此項技術(shù)。因此，詳細研究反向平衡法蘭受力機理并加以推廣運用，是一項頗具研究意義和富有挑戰(zhàn)性的工作。

（2）理論結(jié)合實踐，反復優(yōu)化設計方案，使反向平衡法蘭塔筒在受力性能和經(jīng)濟性能方面達到最優(yōu)，這是該項技術(shù)得到推廣應用的關(guān)鍵。

（3）反向平衡法蘭塔筒與傳統(tǒng)平面法蘭在生產(chǎn)、運輸、吊裝過程中存在較大差異，結(jié)合反向平衡法蘭塔筒的特點和工程實際需求，衍生出更多、更優(yōu)的方法。

4 研究方向

反向平衡法蘭塔筒已在工程實踐中得到了運用，并逐漸顯示出它的優(yōu)勢，但從安全角度上看，塔筒撕裂和折損的初始原因是疲勞荷載作用使得連接法蘭高強螺栓松動所致，因此，螺栓的松動是導致風塔破壞的起因。單個螺栓的松動引發(fā)周邊螺栓的應力增大，導致該區(qū)域內(nèi)多個螺栓發(fā)生疲勞斷裂，塔筒壁因應力集中而撕裂。

4.1 螺栓松動

（1）導致螺栓松動的原因如下。

① 現(xiàn)場施工過程存在隱患，螺紋表面有油污、防銹油脂等沾染物，使其表面摩擦系數(shù)下降，從而降低防松能力。

② 用扭矩法對高強螺栓施加預應力，螺桿內(nèi)存在反彈扭矩，存在反彈趨勢。

③ 在風荷載等變幅荷載作用下，螺栓預應力放松；當反彈扭矩大于預壓力產(chǎn)生的摩擦力矩時，螺栓產(chǎn)生松動。

（2）解決螺栓松動的措施如下。

① 現(xiàn)行的檢測方式是人工抽查，每隔一定時期對螺栓松動情況進行抽檢，記錄檢查頻率和不合格率，推算整個風電場螺栓松動概率。但是，人工檢查頻率低，無法做到全面停機檢查。若要全面檢查，則要投入一定的人力及資金。

② 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、設備遠程監(jiān)控和預警系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用日趨成熟，可用設備通過物理手段檢測反向平衡法蘭上的螺栓松動情況，借助 WiFi、以太網(wǎng)、3G 及 GPRS等多種通信方式向終端系統(tǒng)傳輸松動數(shù)據(jù)，以監(jiān)視控制螺栓可能因風荷載等因素而導致的螺栓松動、螺帽移位等，并且在后臺形成松動情況大數(shù)據(jù)?；诼菟ǖ霓D(zhuǎn)角松動情況，實時監(jiān)測判斷法蘭螺栓的健康狀況，這對風電塔筒的抗疲勞安全性有著重要的意義。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)檢測的優(yōu)勢

相比于人工抽查，物聯(lián)網(wǎng)檢測具有以下優(yōu)勢（見表 1）。

表1 人工抽查與物聯(lián)網(wǎng)檢測的性能對比

5 結(jié) 語

隨著國家大力推廣風力發(fā)電，如何在風力發(fā)電結(jié)構(gòu)和監(jiān)測方面展開技術(shù)革新和改造，并使兩者有效地結(jié)合在一起，是未來研究的一個方向。