海上風電單樁塔筒螺栓連接法蘭數(shù)值模擬研究

孫 智，李 令，曾 佳，庫 猛，李宗澤，3，金 磊，高 鋒，

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316021；3.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

我國沿海地區(qū)海上風能資源豐富，海上風電場建設(shè)已成為我國風電開發(fā)的重要方式[1]。在海上風電場中，塔架作為發(fā)電機組的支撐結(jié)構(gòu)，其安全性是整個發(fā)電系統(tǒng)正常運行的基本保證。當前，大型海上風電場風機塔架長度長、直徑大，一般由多段塔筒組成，通過法蘭-螺栓連接[2-3]。風電場塔架倒塌事件時有發(fā)生，倒塔的原因除了極端強風天氣造成的塔筒受荷過大以外，還與風電設(shè)備安裝連接的高強螺栓強度不足、螺栓緊固施工安裝不當?shù)扔嘘P(guān)[4]。螺栓對塔架安全至關(guān)重要，因此分析螺栓的受力特征及應力規(guī)律具有重要的研究價值和工程應用價值。

目前已有學者對風機塔架的法蘭螺栓連接問題進行研究。龔國偉[5]對大型風力發(fā)電機組法蘭螺栓連接的設(shè)計計算方法進行了研究；吉亮等[6]建立螺栓軸力計算模型，并對包含翹曲缺陷法蘭螺栓的疲勞特性開展研究；徐祉康等[7]基于Petersen方法對風力發(fā)電機組塔筒M64大直徑螺栓法蘭進行拉伸試驗，并對其承載能力進行了分析研究。塔筒在風荷載作用下，法蘭螺栓受力特征的研究較少。

本文以大連某海上風電場為工程背景，對塔筒所受風荷載進行理論計算，建立螺栓-法蘭數(shù)值模型，根據(jù)理論計算結(jié)果對模型施加荷載，分析螺栓的應力特征，研究成果可為風電場塔筒連接設(shè)計提供參考。

1 工程背景

海上風電項目位于大連市莊河海域，場址中心離岸距離約35.2 km，規(guī)劃面積約55.8 km2(見圖1)，裝機規(guī)模為350 MW。

圖1 海上風電場位置示意

工程所在海域內(nèi)地基土表層以粉砂為主，區(qū)域內(nèi)特殊性巖土主要為軟土，為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，具有天然含水量高，呈流變性，承載力低，壓縮性高，抗剪強度低，滲透性低等特點。該處風速分布較為均勻，年平均風速為4.2 m/s，濱海年平均風速為4.7 m/s。

2 塔筒安裝簡介

該工程塔架由4段塔筒安裝組成，分別為上、中1、中2以及下塔筒，塔架組成示意如圖2所示。塔架安裝順序為：安裝前準備、底段塔筒安裝、中1及中2段塔筒安裝、上段塔筒安裝[8-9]。

圖2 海上風電塔筒組成示意

塔架安裝準備工作包括基礎(chǔ)頂部法蘭面清理，塔筒位置標記，電氣設(shè)備以及安裝工具檢查，螺栓螺母以及墊圈的檢查等工作。

安裝底段塔筒時，工程上采用垂直起吊的方式。將塔筒吊具吊帶一端掛在主吊鉤上，另一端緊固在底塔上法蘭。緩緩起鉤至吊帶即將受力時停止起鉤，將底段塔筒與設(shè)備構(gòu)架在工裝上的固定裝置卸除。再次緩緩起鉤至底段塔筒離地100 mm靜置觀察1～2 min，同時在底段塔筒的下法蘭系上攬風繩。塔筒抬起到基礎(chǔ)上部，快要下落到既定位置時，找準兩個法蘭已標記的位置，先使用3個螺栓進行位置固定，隨后使塔筒緩慢下降。法蘭對齊，安裝剩余螺栓、螺母和墊圈。

3 塔架所受彎矩和剪力計算

根據(jù)日本土木協(xié)會規(guī)范《風力發(fā)電設(shè)備塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計指南及解說》[10]，對正常發(fā)電下風機塔架風荷載進行計算。海上風電機組塔架主要受到彎矩和剪力作用，在空間中，均可分解為3個方向的分量。塔架受荷具體方向如圖3所示。圖中，MXF、MYF、MZF分別為x、y、z方向受到的彎矩，kN·m；FXF、FYF、FZF分別為x、y、z方向受到的剪力，kN。

圖3 塔架受荷方向示意

該工程風電機組各部件尺寸及質(zhì)量如表1所示。其中，風電塔筒高96 m，風電機組裝機容量6 MW，葉片數(shù)3個，風輪直徑168 m，輪轂中心高度98.5 m。

表1 風電機組各部件尺寸及質(zhì)量

風機塔架的直徑往往隨塔架高度的不同而變化。為了更精確地得到風機塔架不同高度處的剪力和彎矩大小的理論解，對于96 m高的塔架劃分出30個等距的小段，其中每3.2 m為一段，共計31個截面，計算每一個高度處截面的受力情況。平均剪力QDi和平均彎矩MDi的計算公式為

(1)

(2)

(3)

式中，QDi為對應風速UHi正常發(fā)電時的平均剪力，N，風速為4 m/s時對應風速級別為1級；ρ為空氣密度，取ρ=1.293 kg/m3；CTi為對應風速UHi正常發(fā)電時的風輪推力系數(shù)，m/s；R為風力機的風輪半徑，m；CDN為機艙的平均阻力系數(shù)；CDT為塔架的平均阻力系數(shù)；AN為機艙的可見面積，m2；Ht為相應截面處風機塔架高度，m；h為截面處的評估高度，m；dz為計算截面高度z處的塔架直徑，m；Uiz為對應風速級別UHi時截面高度z處的風速，m/s；Hh為輪轂高度，m；α為風速垂直方向的分布指數(shù)，與場地地面粗糙度有關(guān)，本文取0.1。根據(jù)式(1)～(3)，可以計算出在風速為4 m/s時，塔架各處所受平均剪力和彎矩數(shù)值。

塔架各部風速以及荷載，計算結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，對于海上風力發(fā)電塔架，隨著塔架高度的降低風速隨之減小，所受剪切力相應增大但變化并不明顯，而塔架所受的彎矩力隨著高度的減小逐漸增大且變化非常顯著，例如本例中塔架在96 m高度處受到的彎矩為404.061 kN·m，在13.88 m高度處所受彎矩達到13 787.763 kN·m。

圖4 塔架各處受力示意

4 螺栓數(shù)值分析

4.1 塔筒法蘭-螺栓數(shù)值模型

基于ABAQUS軟件建立塔筒法蘭-螺栓數(shù)值模型，如圖5所示。上下法蘭直徑6 m，由均勻分布的80個螺栓相連接。其中，法蘭材料屬性為理想彈性，螺栓材料屬性為理想彈塑性。塔筒法蘭與連接螺栓的屈服強度分別為345 MPa和1 040 MPa，其彈性模量E分別取211 GPa和206 GPa，泊松比按0.3取值。各部件之間的接觸設(shè)置為法向無摩擦，切向“罰”函數(shù)的接觸，摩擦系數(shù)為0.12[11-12]。

圖5 塔筒法蘭-螺栓數(shù)值模型

根據(jù)塔架受荷計算結(jié)果(見圖4)，對數(shù)值模型施加荷載，分析在塔架在正常發(fā)電時風速為4 m/s的工況下，螺栓的受力特征及規(guī)律。在施加風荷載前，對每個螺栓施加預緊力，預緊力值為550 kN，待螺栓上預緊力施加完畢，將螺栓變形后長度鎖定，隨后再施加風荷載[13]。

4.2 結(jié)果與討論

以塔筒中1段與中2段連接處螺栓為例，通過圖4選取荷載數(shù)值，對數(shù)值模型施加荷載，分析螺栓受力特征。

圖6為塔筒正面迎風螺栓在正常風荷載工況下的應力云圖。由圖6可知，在風荷載作用下，塔筒迎風側(cè)應力大于背風側(cè)，背風側(cè)螺栓應力值僅有約350 MPa，而迎風側(cè)螺栓應力值最高可達577 MPa，比背風側(cè)高64.9%。

圖6 螺栓應力分布云圖

圖7為螺栓迎風側(cè)應力曲線。由圖7可知，在風荷載作用下，螺栓與墊圈接觸的位置出現(xiàn)應力峰值，即螺栓的上下根部位置受力較大，且下根部受力要大于上根部。本文算例中，螺栓下根部應力為577 MPa，上根部應力為551 MPa，其余位置維持在540 MPa左右。因此，螺栓受到風荷載時，危險位置為螺栓的上下根部，對螺栓進行設(shè)計研究以及應力分析時，應著重分析螺栓的根部位置。

圖7 螺栓迎風側(cè)應力曲線

5 結(jié) 論

本文以大連市某海上風電項目為工程背景，根據(jù)相關(guān)規(guī)范對海上風力發(fā)電塔架在正常工況下所受風荷載進行理論計算，建立了塔筒法蘭-螺栓的數(shù)值模型，研究了螺栓的應力特征及規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)海上風力發(fā)電塔架所受剪切力以及彎矩隨著塔架高度的降低而增大，剪切力變化并不明顯，而彎矩力的增加非常顯著。

(2)連接塔筒法蘭的螺栓在受到風荷載時，迎風側(cè)的應力大于背風側(cè)，本文算例中迎風側(cè)應力達到577 MPa，比背風側(cè)的應力高64.9%。

(3)螺栓迎風側(cè)的應力峰值出現(xiàn)在根部位置，其余位置應力較小且平穩(wěn)，螺栓下根部受力最大，是螺栓最危險的位置。