□曹廣啟 □陳 恩 □季 劍上海電氣風能有限公司 上海 200241

法蘭間隙對塔筒連接螺栓疲勞壽命的影響分析

□曹廣啟 □陳 恩 □季 劍
上海電氣風能有限公司 上海 200241

介紹了螺栓使用壽命對風機安全運行的影響。由于各種原因，風機吊裝完成后有些塔筒相鄰段之間的連接法蘭仍然會存在一定的間隙，通過有限元軟件ANSYS對法蘭之間存在間隙時螺栓的應力范圍進行計算，并與不考慮法蘭間隙時螺栓應力范圍進行對比，發(fā)現(xiàn)法蘭之間微小的間隙將會造成連接螺栓應力范圍的急劇增大，從而導致螺栓疲勞壽命的顯著下降。因此，在風機吊裝過程中必須設(shè)法消除法蘭之間的間隙。

風力發(fā)電具有技術(shù)成熟、可靠性高、成本低且規(guī)模效益顯著的特點，既可并網(wǎng)運行，也可離網(wǎng)運行，是我國目前發(fā)展最快的新型能源技術(shù)。塔筒是風力發(fā)電機組最主要的支撐結(jié)構(gòu)，在設(shè)計時考慮到制造、運輸以及吊裝的經(jīng)濟性，通常會將塔筒分成若干段，塔筒相鄰段之間通過螺栓進行連接，螺栓一般選用10.9級高強度螺栓，螺紋輾壓成型。用于塔筒連接的高強度螺栓，因其工作環(huán)境惡劣，承受交變載荷的影響，在螺紋上容易產(chǎn)生很高的局部應變及應力，會使螺栓一直處于疲勞應力狀態(tài)，文獻［1］指出螺栓的疲勞斷裂是目前風力發(fā)電機組塔筒連接螺栓最主要的失效形式。文獻［1-2］指出在風力發(fā)電機組塔筒螺栓選型時必須對其進行疲勞壽命分析。目前常用的方法是采用雨流計數(shù)法與Palmgren-Miner準則相結(jié)合的全壽命S-N曲線法，該方法的關(guān)鍵任務(wù)就是確定法蘭受載與螺栓應力之間的關(guān)系，并確定一條與之相匹配的螺栓疲勞等級S-N曲線。

風力發(fā)電機組認證指南即GL規(guī)范［3］對塔筒連接螺栓疲勞壽命有評估要求，通?？梢岳肞almgren-Miner準則，確定法蘭受載與螺栓應力之間的關(guān)系，然后通過Eurocode 3規(guī)范［4］，確定高強度螺栓疲勞壽命與應力幅之間的關(guān)系，從而可以判斷所選用的高強度螺栓疲勞壽命是否滿足GL規(guī)范的使用要求。該方法在進行螺栓應力幅計算時沒有考慮塔筒相鄰段法蘭之間間隙的影響，但是國內(nèi)在許多項目中，塔筒在吊裝完成以后相鄰段法蘭之間仍然會存在一定的間隙，而間隙對于螺栓疲勞壽命的影響通過常規(guī)的工程算法是很難進行計算的。筆者結(jié)合某風場實際情況，通過ANSYS軟件來分析法蘭間隙對于連接螺栓應力幅的影響，并提出相應的改進措施，以確保風力發(fā)電機組不會因為塔筒連接螺栓的疲勞失效而影響其安全穩(wěn)定運行。

1 影響螺栓疲勞壽命的因素

影響螺栓疲勞壽命的因素一般可分為受力狀況、制造情況、使用環(huán)境三個方面。其中，受力狀況可以歸結(jié)為螺栓連接時的應力集中和平均應力幅的影響；制造情況取決于原材料的純凈度和強度、螺栓的熱處理工藝、螺紋的加工方法以及螺栓的防腐措施；使用環(huán)境對螺栓疲勞壽命的影響主要有腐蝕介質(zhì)和環(huán)境溫度等。這些因素相互聯(lián)系、相互影響，在進行螺栓疲勞壽命分析時，必須綜合考慮這些因素的影響。

對于塔筒連接所使用的10.9級高強度螺栓，原材料一般選用42CrMo，螺紋在進行熱處理以后輾壓形成，制作完畢后螺栓表面進行達克羅防腐處理。文獻［5］提出塔筒連接螺栓由于在機組運行過程中需要承受交變載荷的作用，因此螺栓的受力狀況是影響其疲勞壽命的最主要因素。在我國，塔筒法蘭采用數(shù)控機床進行加工，精度非常高，可以確保其上的螺栓安裝孔滿足圖紙設(shè)計要求，從而可以有效地控制螺栓安裝過程中出現(xiàn)偏心以及強制裝配的情況；另外，塔筒吊裝完成后，要按照對角線的順序?qū)β菟ㄟM行預緊，從而可以保證塔筒螺栓安裝過程中螺栓預緊力均勻分配，所以在正常運行情況下，塔筒連接螺栓的應力集中因數(shù)可以控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。目前MW級風力發(fā)電機組所使用的塔筒高度比較高，一般在80 m左右，塔筒筒節(jié)直徑比較大，最底部筒節(jié)直徑一般≥4.2 m，而塔筒筒節(jié)與連接法蘭進行組對焊接時，由于熱影響區(qū)的作用會對法蘭的平面度造成一定的影響，所以有許多項目在塔筒吊裝完成后在法蘭結(jié)合面之間會存在一定的間隙。文獻［6-7］認為螺栓疲勞破壞的根源為損傷累積，為了保證螺栓的疲勞壽命，螺栓在使用過程中的應力幅不得超過螺栓設(shè)計時許用的應力幅。下面將以某項目所使用的反向平衡法蘭為例，通過計算螺栓應力幅的大小來對比法蘭間隙對螺栓疲勞壽命的影響。

2 反向平衡法蘭介紹

2.1 結(jié)構(gòu)特點

目前用于塔筒連接的法蘭主要有L型法蘭和反向平衡法蘭兩種形式，傳統(tǒng)的L型法蘭為鍛造法蘭，使用鋼錠通過輾環(huán)工藝成型，然后通過數(shù)控機床加工到圖紙要求的尺寸；而反向平衡法蘭一般由筒節(jié)、連接板、筋板焊接而成，反向平衡法蘭原理如圖1所示。

圖1 反向平衡法蘭原理

與傳統(tǒng)的L型法蘭相比，反向平衡法蘭成本低、加工周期短，法蘭承載能力強，受力比較合理，可以有效地改善法蘭與塔筒焊縫的受力狀況和焊接變形。但相比L型法蘭，反向平衡法蘭接觸面比較小，一旦相鄰法蘭之間存在間隙便很難消除，因而其加工精度以及法蘭與筒節(jié)組對時的焊接精度要求比較高。

2.2 參數(shù)介紹

某項目使用的反向平衡法蘭，在運行兩年左右的時間后，出現(xiàn)了個別螺栓斷裂的現(xiàn)象，將該風場所使用的螺栓做相關(guān)測試，結(jié)果表明，螺栓質(zhì)量沒有問題，符合采購規(guī)范要求。為了盡快找出螺栓斷裂的原因，相關(guān)技術(shù)人員到現(xiàn)場進行實地考察，發(fā)現(xiàn)在出現(xiàn)連接螺栓斷裂處的法蘭結(jié)合面之間有間隙，其中最大間隙處超過了1 mm，如圖2所示。

圖2 法蘭結(jié)合面間隙

在進行分析計算時，選取位于第一段塔筒與第二段塔筒之間的法蘭，該法蘭處筒節(jié)外徑D0=4 109 mm，筒節(jié)壁厚t=26 mm，螺栓數(shù)量n=148，選用10.9級的M36螺栓，長度為480 mm，螺栓的預緊力為510 kN，該法蘭處承受的最大彎矩為7 186 kN·m，螺栓的載荷分配因數(shù)p=0.081 7，塔筒筒體及法蘭材質(zhì)為Q345E，螺栓預緊力因數(shù)為1.2。

3 不考慮法蘭間隙時螺栓應力幅的計算

3.1 螺栓許用應力幅的計算

利用Palmgren-Miner準則，在不考慮法蘭間隙的情況下，通過VDI2230［8］和Eurocode3規(guī)范來計算螺栓的應力幅。根據(jù)VDI2230規(guī)范，名義循環(huán)次數(shù)NA=2×106，螺栓的名義疲勞極限應力范圍ΔσA可由式（1）求得，而Eurocode3規(guī)范和GL規(guī)范推薦的螺栓疲勞極限應力范圍為71，該值比通過式（1）計算得到的疲勞極限應力范圍更保守，也更接近工程實際。另外，在進行螺栓疲勞壽命分析時，當螺栓規(guī)格超過M30、GL規(guī)范要求，則在構(gòu)造S-N曲線時，需要考慮螺栓折減因數(shù)Ks的影響，Ks=（30/d）0.25，d為螺栓的公稱直徑，因而在2×106循環(huán)次數(shù)下，螺栓的疲勞極限應力范圍ΔσA可以由式（2）求得，而螺栓應力范圍ΔσR與應力循環(huán)次數(shù)NR之間的關(guān)系如式（3）、（4）所示。

螺栓的S-N曲線如圖3所示。

圖3 螺栓S-N曲線

塔筒連接螺栓的極限應力循環(huán)次數(shù)是按照107進行設(shè)計的，考慮材料的安全因數(shù)Ym取1.1，破壞后因數(shù)Yb取1.15，對于M36的螺栓，根據(jù)式（2）～（4）可以得到螺栓在107次應力循環(huán)次數(shù)時的許用應力幅為17.2 MPa。

3.2 螺栓實際應力幅的計算

下面將使用VDI2230來求得螺栓在交變載荷作用下的應力幅，通過GB/T16823-1可以查得M36螺栓的螺紋應力截面積AS=817 mm2，利用式（5）可求得法蘭筒壁的抗彎截面模量W0，利用式（6）可求得抗彎應力σS，利用式（7）可求得螺栓的額外載荷Fa，利用式（8）可求得螺栓上的應力幅Δσ為4.7 MPa，式（5）～（8）如下所示：

通過上述計算可以得出作用在螺栓上的應力幅小于設(shè)計允許的應力幅，因此當法蘭結(jié)合面之間不存在間隙時，本項目所選的M36螺栓可以滿足風力發(fā)電機組對其疲勞壽命的要求。

4 考慮法蘭間隙時螺栓應力幅的計算

4.1 模型假設(shè)

假設(shè)法蘭筒壁上存在最大間隙為1 mm，其長度為500 mm，上下法蘭間隙對稱，如圖4所示。

圖4 反向平衡法蘭間隙

由于選取的是第一段塔筒與第二段塔筒之間的反向平衡法蘭，所以建立的有限元模型包含法蘭連接螺栓、上下法蘭，以及第一段塔筒、第二段塔筒部分筒節(jié)，如圖5所示。在第二段塔筒與第三段塔筒的法蘭連接處中心位置用Mass21質(zhì)量單元建立相應的質(zhì)量點，質(zhì)量點通過連接單元RBE3與第二段塔筒頂端連接，載荷施加在質(zhì)量點上，通過RBE3單元傳遞到塔筒上。上下法蘭通過綁定與塔筒連接，第一段塔筒底部固定。

圖5 反向平衡法蘭有限元模型

在反向平衡法蘭有限元模型中，法蘭最大間隙處間隙為1 mm，施加螺栓預緊力之后，法蘭最大間隙約為0.3 mm，如圖6所示。

圖6 施加預緊力之后的法蘭間隙

4.2 有限元分析結(jié)果說明

在螺栓預緊力作用下，法蘭間隙處筒壁外表面上最大拉應力約為169 MPa，如圖7所示，法蘭面與筒壁連接處以及反向平衡法蘭與塔筒連接處有較大的應力集中。

圖7 螺栓預緊以后法蘭間隙處第一主應力

在外載荷作用下，當法蘭結(jié)合面之間不存在間隙時，如圖8所示，螺栓受壓處最小應力為413.1 MPa，螺栓受拉處最大應力為422 MPa，螺栓應力范圍為8.9 MPa，應力幅為4.45 MPa。該結(jié)果與本文3.2條通過VDI2230計算的結(jié)果基本一致。

圖8 不存在間隙時外載荷作用下的螺栓軸向應力

當法蘭結(jié)合面之間存在間隙時，在外載荷作用下，螺栓受拉的最大應力發(fā)生在法蘭間隙最大處，其應力大小為435.4 MPa，應力云圖如圖9所示。

當外載荷使法蘭間隙處螺栓受壓時，此時螺栓最小應力并不發(fā)生在間隙最大處，應力云圖如圖10所示，間隙最大處螺栓應力大小為399.6 MPa。

圖9 法蘭間隙處螺栓受拉時螺栓軸向應力

圖10 法蘭間隙處螺栓受壓時螺栓軸向應力

通過以上有限元計算可知，在外載荷作用下，法蘭間隙最大處螺栓最大應力為435.4 MPa，最小應力為399.6 MPa，應力幅為17.9 MPa，大約是法蘭結(jié)合面之間不存在間隙時螺栓應力幅的4倍。通過前面計算可知，本項目允許的應力幅為17.2 MPa，當法蘭之間存在間隙時，法蘭間隙最大處螺栓的應力幅已經(jīng)超過了本項目螺栓設(shè)計允許的應力幅，根據(jù)Eurocode3規(guī)范，可以估算出當法蘭結(jié)合面之間存在1 mm的間隙時，螺栓的應力循環(huán)次數(shù)約下降18%，從而會導致螺栓的疲勞壽命急劇下降。

5 結(jié)論

通過以上分析可知，當法蘭結(jié)合面之間不存在間隙時，利用Palmgren-Miner準則確定法蘭受載與螺栓應力之間的關(guān)系，并通過Eurocode3規(guī)范確定高強度螺栓疲勞壽命與應力幅之間的關(guān)系是比較準確的，與有限元計算結(jié)果基本一致，但是當法蘭結(jié)合面之間存在間隙時，工程算法便無法計算法蘭間隙處螺栓的應力幅，此時必須通過有限元進行計算。

另外，如果法蘭結(jié)合面之間存在間隙，不僅會使該區(qū)域螺栓的應力幅急劇增大，從而影響螺栓的疲勞壽命；而且雨水也會沿著塔筒法蘭結(jié)合面之間的間隙進入到塔筒內(nèi)部，容易造成螺栓生銹，也會對螺栓的疲勞壽命造成非常不利的影響，因此在塔筒吊裝過程中必須消除法蘭結(jié)合面之間的間隙。對于L型法蘭，可以在螺栓預緊之前通過加裝墊片的形式對間隙進行填充，所加墊片的壓縮強度不得低于法蘭材料的壓縮強度，且彈性模量要與法蘭保持一致。對于反向平衡法蘭，由于接觸面積比較小，不方便加裝墊片，在生產(chǎn)制造過程中必須嚴格控制加工質(zhì)量，對于塔筒吊裝完畢以后依然有間隙存在的情況，在螺栓預緊之前可以對間隙處的筋板結(jié)合面進行適當?shù)拇蚰?，以確保在螺栓施加預緊力以后可以將法蘭結(jié)合面之間的間隙消除。

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Service life of the bolt has a very important impact to the safe operation of the blower fan.Due to various reasons，after suspension setting of blower fans the joint flanges between the adjacent segments in some towers will still have certain clearances.By using ANSYS finite element software to calculating the bolt stress range with a clearance between the flanges and comparing it with the bolt stress range without considering the flange clearance it is found that a slight clearance between the flanges will cause rapid increase of the stress range of the connecting bolt，resulting in a significant decline in bolt fatigue life.Hence during handling and installation of the blower fan we must find ways toeliminate the clearance between the flanges.

風力發(fā)電；高強度螺栓；疲勞壽命；法蘭間隙

Wind Power Generation；High Strength Bolt；Fatigue Life；Flange Clearance

TK81

B

1672-0555（2015）04-025-05

2015年8月

曹廣啟（1984-），男，本科，工程師，主要從事風力發(fā)電機組塔筒的設(shè)計工作