風(fēng)電機(jī)組塔架筒節(jié)凹陷評估與處理

□ 曹廣啟

上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司 上海 200233

1 風(fēng)電機(jī)組塔架概述

塔架是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵支撐結(jié)構(gòu)。為了便于運(yùn)輸,塔架一般分為三至五段。每段塔架均由若干筒節(jié)和法蘭焊接而成[1]。風(fēng)力發(fā)電在我國進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營已經(jīng)有二十幾年的時間,伴隨著風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的蓬勃發(fā)展,某些風(fēng)電機(jī)組暴露出安全事故,引起整個行業(yè)的關(guān)注。風(fēng)電機(jī)組倒塔所造成的經(jīng)濟(jì)損失及社會負(fù)面影響均較大,事故發(fā)生的原因通常較為復(fù)雜[2]。因此,必須重視風(fēng)電機(jī)組塔架的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、安裝,以及后期運(yùn)維等,避免風(fēng)電機(jī)組發(fā)生重大安全事故。

目前國內(nèi)大部分風(fēng)電場使用的仍然是鋼制管狀塔架[3],這一風(fēng)電機(jī)組塔架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是橫截面為圓形。風(fēng)電機(jī)組塔架筒節(jié)直徑一般不大于5 m,塔架高度一般為90～140 m。風(fēng)電機(jī)組塔架是一種典型細(xì)長桿件,極易發(fā)生屈曲失穩(wěn)破壞,導(dǎo)致倒塔等重大事故[4],如圖1所示。影響風(fēng)電機(jī)組塔架屈曲穩(wěn)定性的因素較多,筆者主要對筒節(jié)的凹陷程度進(jìn)行分析,基于某項(xiàng)目實(shí)測數(shù)據(jù)開展具體評估工作,對于無法接受的超標(biāo)缺陷給出相應(yīng)的處理措施,對問題筒節(jié)進(jìn)行修復(fù),并確保修復(fù)后的筒節(jié)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖1 風(fēng)電機(jī)組倒塔事故

2 筒節(jié)凹陷超標(biāo)情況

風(fēng)電機(jī)組塔架制造規(guī)范要求筒節(jié)任意部位的表面凹陷度dx應(yīng)不大于0.1t,t為壁厚,且最大不超過3 mm,檢測長度dl不小于600 mm;筒節(jié)對接環(huán)縫、縱縫處表面凹陷度dx應(yīng)不大于1+0.1tmm,且最大不超過3 mm,當(dāng)壁厚不超過30 mm時,檢測長度dl不小于500 mm,當(dāng)壁厚超過30 mm時,檢測長度dl不小于800 mm。筒節(jié)表面凹陷如圖2所示,其中D為筒節(jié)外徑。

圖2 筒節(jié)表面凹陷

某風(fēng)電機(jī)組塔架制作完畢出廠時,發(fā)現(xiàn)有三處肉眼可見的凹陷,如圖3所示。目測凹陷基本處于同一角度,屬于軸向凹陷。凹陷發(fā)生在筒節(jié)鋼板上,已經(jīng)超出風(fēng)電機(jī)組塔架制造規(guī)范要求。

圖3 筒節(jié)凹陷實(shí)物

該風(fēng)電機(jī)組塔架筒節(jié)材質(zhì)為Q355ND低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼,壁厚公差為B級公差。為了評估凹陷對風(fēng)電機(jī)組塔架屈曲承載力的影響,組織生產(chǎn)檢驗(yàn)人員對三處凹陷進(jìn)行標(biāo)記、凹陷深度檢測、磁粉探傷等。筒節(jié)凹陷深度檢測如圖4所示,最終檢測結(jié)果見表1。磁粉探傷未發(fā)現(xiàn)有異常,初步懷疑凹陷是風(fēng)電機(jī)組塔架在工廠轉(zhuǎn)運(yùn)時操作不當(dāng)造成的。

圖4 筒節(jié)凹陷深度檢測

表1 筒節(jié)凹陷深度檢測結(jié)果

3 筒節(jié)凹陷超標(biāo)評估

風(fēng)電機(jī)組塔架的設(shè)計(jì)、認(rèn)證使用IEC 61400-6標(biāo)準(zhǔn),這一標(biāo)準(zhǔn)要求風(fēng)電機(jī)組塔架的屈曲分析應(yīng)考慮特定類型結(jié)構(gòu)的相關(guān)失效模式,如風(fēng)電機(jī)組塔架的筒節(jié)屈曲[5]。鑒于風(fēng)電機(jī)組塔架的受力特點(diǎn),通常筒節(jié)壁厚由塔底至塔頂逐漸減小[6],由此需要對每個筒節(jié)進(jìn)行屈曲分析。

3.1 制造公差等級

由于風(fēng)電機(jī)組塔架制造產(chǎn)生的幾何缺陷會影響特征屈曲應(yīng)力,因此在屈曲分析時要選取合適的制造公差等級。制造公差等級有A、B、C三種,根據(jù)筒節(jié)圓度、偏心、凹陷等制造要求進(jìn)行區(qū)分,A級公差等級最高。在進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組塔架設(shè)計(jì)時,為了提高經(jīng)濟(jì)性,選取的制造公差等級為A級。

3.2 理想屈曲應(yīng)力

由于環(huán)向屈曲的影響很小,因此規(guī)范要求屈曲分析僅考慮軸向屈曲和剪切屈曲[7]。風(fēng)電機(jī)組塔架設(shè)計(jì)參數(shù)如圖5所示。

圖5 風(fēng)電機(jī)組塔架設(shè)計(jì)參數(shù)

以下公式均適用于圓柱形塔段,對于圓錐形塔段,需要等效為圓柱后方可使用。

軸向屈曲臨界應(yīng)力σx,Rcr為:

σx,Rcr=0.605ECxt/r

(1)

式中:E為材料彈性模量;r為筒節(jié)截面處中心面半徑。

對于圓錐形塔段,等效中性面半徑取r/cosβ,β為筒節(jié)錐角。

因數(shù)Cx為:

Cx=

(2)

式中:ω為無量綱長度因數(shù)。

(3)

式中:l為兩法蘭間圓柱形塔段長度。

剪切屈曲臨界應(yīng)力τxθ,Rcr為:

(4)

對于圓錐形塔段,計(jì)算ω時l取h,h為圓錐形塔段的高,r取re,re為圓錐形塔段等效中心面半徑。

(5)

式中:r1、r2分別為所計(jì)算圓錐形塔段兩端中心面半徑,且r1

因數(shù)Cτ為:

(6)

3.3 長細(xì)比

(7)

式中:fyk為塔架各截面的許用屈服強(qiáng)度。

(8)

式中:αx為軸向彈性缺陷折減因數(shù)。

(9)

式中:Δωk為特征影響因數(shù)。

(10)

式中:Q為制造質(zhì)量因數(shù),取值見表2。

表2 制造質(zhì)量因數(shù)取值

(11)

(12)

式中:ατ為剪切彈性缺陷折減因數(shù),取值見表3。

表3 剪切彈性缺陷折減因數(shù)取值

3.4 屈曲衰減因數(shù)

軸向屈曲衰減因數(shù)χx為:

(13)

(14)

式中:σxE,M為彎矩引起的應(yīng)力,按彎矩除以抗彎截面模量進(jìn)行計(jì)算;σxE為軸向應(yīng)力,按軸向力除以應(yīng)力截面積進(jìn)行計(jì)算。

剪切屈曲衰減因數(shù)χτ為:

(15)

3.5 特征屈曲應(yīng)力

特征軸向屈曲應(yīng)力σx,Rk為:

σx,Rk=χxfyk

(16)

特征剪切屈曲應(yīng)力τxθ,Rk為:

(17)

3.6 設(shè)計(jì)屈曲應(yīng)力

設(shè)計(jì)軸向屈曲應(yīng)力σx,Rd為:

σx,Rd=σx,Rk/γM1

(18)

式中:γM1為屈曲安全因數(shù),γM1為1.1。

設(shè)計(jì)剪切屈曲應(yīng)力τxθ,Rd為:

τxθ,Rd=τxθ,Rk/γM1

(19)

3.7 屈曲應(yīng)力校核

軸向屈曲應(yīng)力σx,Ed為:

σx,Ed=σxE,M+σxE

(20)

σx,Ed≤σx,Rd

(21)

剪切屈曲應(yīng)力τxθ,Ed為:

τxθ,Ed=τxE,M+τxE

(22)

τxθ,Ed≤τxθ,Rd

(23)

式中:τxE,M為扭矩引起的應(yīng)力,按扭矩除以抗扭截面模量進(jìn)行計(jì)算;τxE為剪切應(yīng)力,按水平力除以二分之一應(yīng)力截面積進(jìn)行計(jì)算。

3.8 應(yīng)力組合校核

應(yīng)力組合校核關(guān)系為:

(24)

kx=1.25+0.75χx

(25)

kτ=1.75+0.25χτ

(26)

由上述計(jì)算過程可知,制造公差等級對屈曲計(jì)算結(jié)果有非常大的影響,EN 1993-1-6標(biāo)準(zhǔn)對不同制造公差等級筒節(jié)的凹陷要求U0,max見表4,理論上允許的最大凹陷深度dx可以按式(27)、式(28)進(jìn)行計(jì)算。

表4 筒節(jié)凹陷要求

U0,max=dx/dl

(27)

(28)

將S5、S4、S3三個筒節(jié)的壁厚、中心面半徑等數(shù)據(jù)代入式(27)、式(28),實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對比見表5。

表5 筒節(jié)凹陷深度對比

由表5可以看出,S4、S5筒節(jié)實(shí)測最大凹陷深度已經(jīng)超出了A級制造公差等級所允許的理論最大凹陷深度,未超出B級制造公差等級所允許的理論最大凹陷深度,因此可以基于EN 1993-1-6標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估。當(dāng)實(shí)測凹陷深度超出C級制造公差等級所允許的理論最大凹陷深度時,只能使用有限元軟件進(jìn)行評估,同時還需要考慮幾何非線性和材料非線性的影響,以及凹陷區(qū)域殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響[8-9]。為了提高經(jīng)濟(jì)性,風(fēng)電機(jī)組塔架原始的設(shè)計(jì)余量并不多。基于EN 1993-1-6標(biāo)準(zhǔn)將風(fēng)電機(jī)組塔架屈曲計(jì)算制造公差等級從A級降為B級后,屈曲安全性不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求,因此S4、S5兩個筒節(jié)無法讓步接受,必須進(jìn)行修復(fù)處理。

4 修復(fù)措施

需要借助外力,對S4、S5兩個筒節(jié)的凹陷進(jìn)行修復(fù)。筒節(jié)凹陷修復(fù)方案如圖6所示。對于影響修復(fù)的風(fēng)電機(jī)組塔架內(nèi)附件,需要提前拆除,修復(fù)時凹陷區(qū)域豎直向下。在筒節(jié)的凹陷區(qū)域,以及凹陷區(qū)域的180°方向均需要按照筒節(jié)直徑制作合適的弧形馬板,凹陷區(qū)域弧形馬板的面積至少是凹陷區(qū)域面積的兩倍,凹陷區(qū)域180°方向弧形馬板的面積至少是凹陷區(qū)域面積的四倍[10]?；⌒务R板與支撐桿焊接在一起,并在兩根支撐桿之間放置承載能力不小于50 t的液壓千斤頂。

圖6 筒節(jié)凹陷修復(fù)方案

為了防止修復(fù)時對筒節(jié)造成二次損傷,風(fēng)電機(jī)組塔架與修復(fù)工裝必須安裝牢固。在弧形馬板與筒節(jié)之間需要安裝橡膠緩沖墊,通過對液壓千斤頂逐步增壓的方式進(jìn)行修復(fù),邊修復(fù)邊測量。同時還要關(guān)注凹陷區(qū)域180°方向位置筒節(jié)的變化,避免該區(qū)域因用力過大或速度過快導(dǎo)致出現(xiàn)變形。若有異常,應(yīng)及時調(diào)整壓力及速度。當(dāng)被修復(fù)區(qū)域滿足風(fēng)電機(jī)組塔架制造規(guī)范要求時,應(yīng)停止增壓,并且保持24 h后方可拆除修復(fù)工裝,以免凹陷區(qū)域產(chǎn)生回彈。筒節(jié)凹陷修復(fù)實(shí)施如圖7所示。修復(fù)工裝拆除后,需要對弧形馬板接觸區(qū)域按照風(fēng)電機(jī)組塔架制造規(guī)范進(jìn)行檢驗(yàn),具體檢驗(yàn)內(nèi)容包括圓度、凹陷深度、硬度、無損、防腐涂層等。經(jīng)過上述方案修復(fù),風(fēng)電機(jī)組塔架最終滿足規(guī)范要求,具備出廠條件。

圖7 筒節(jié)凹陷修復(fù)實(shí)施

5 結(jié)束語

凹陷深度會影響筒節(jié)的制造公差等級,從而影響風(fēng)電機(jī)組塔架的屈曲安全性。由于風(fēng)電機(jī)組塔架筒節(jié)直徑與壁厚的比值較大,屬于典型薄壁結(jié)構(gòu),因此在塔架生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝等環(huán)節(jié)如果操作不當(dāng),容易導(dǎo)致筒節(jié)凹陷深度超標(biāo),為風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行埋下隱患。近年來,各主機(jī)企業(yè)為減小風(fēng)電機(jī)組塔架質(zhì)量,基于風(fēng)電場的特定廠址條件進(jìn)行定制化設(shè)計(jì),通常設(shè)計(jì)余量不大,而且設(shè)計(jì)結(jié)果掌握在主機(jī)企業(yè)手中。當(dāng)遇到筒節(jié)凹陷深度超標(biāo)時,必須及時聯(lián)系風(fēng)電機(jī)組塔架設(shè)計(jì)單位對凹陷進(jìn)行評估,并且根據(jù)評估結(jié)果制訂合理的應(yīng)對措施,不可盲目未經(jīng)許可自行修復(fù),以免造成更大的損失。