肖 ?。ù蟊＝ㄔO(shè)管理有限公司， 遼寧 大連 116600）

1 概 述

近年來，風(fēng)電項(xiàng)目在我國很多能源企業(yè)投資建設(shè)的清潔能源項(xiàng)目中占比最大，2019年之后，海上風(fēng)電更是大有興起之勢(shì)。隨著風(fēng)電機(jī)組技術(shù)的不斷成熟，風(fēng)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(tái)機(jī)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(fēng)電發(fā)展的主要趨勢(shì)。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(fēng)電已有 30 多年，近年來時(shí)有風(fēng)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(rèn)為是首要問題，尤其在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，風(fēng)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(fēng)機(jī)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(fēng)速較低的內(nèi)陸風(fēng)場，而反向平衡法蘭可以滿足風(fēng)電機(jī)組的質(zhì)量和安全需要。以調(diào)兵山風(fēng)場試驗(yàn)為例：極限承載力試驗(yàn)證明了反向平衡法蘭節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度足夠，具備了相當(dāng)?shù)陌踩珒?chǔ)備；塔筒發(fā)電階段實(shí)測(cè)證明了反向平衡法蘭螺栓拉應(yīng)力變動(dòng)與計(jì)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(shì)

塔筒從地面算起 40m左右處，是受風(fēng)機(jī)機(jī)倉內(nèi)25t左右部件和風(fēng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)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(diǎn)

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(jī)扎制到所需的尺寸，再經(jīng)退火機(jī)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(jìn)行加工，再用大型設(shè)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(fēng)機(jī)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(duì)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(duì)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(qiáng)度螺栓進(jìn)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(shí)，在預(yù)應(yīng)力螺栓的緊固法蘭板端面的上下定位殼起到抗剪作用，機(jī)械抗剪。

2.3 更易實(shí)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(yù)拉力，方便控制預(yù)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(shí)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(qiáng)度。

3 研究展望

本文對(duì)管塔式風(fēng)電塔架控制點(diǎn)和反向平衡法蘭的優(yōu)勢(shì)進(jìn)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(diǎn)也正在細(xì)節(jié)化，但也存在一些問題，期待后續(xù)的研究工作能對(duì)這些問題進(jìn)行細(xì)致探究。

（1）反向平衡法蘭由眾多板件焊接而成，塔筒廠商認(rèn)為組件過多，且難以實(shí)現(xiàn)縮尺建模進(jìn)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(xiàng)技術(shù)。因此，詳細(xì)研究反向平衡法蘭受力機(jī)理并加以推廣運(yùn)用，是一項(xiàng)頗具研究意義和富有挑戰(zhàn)性的工作。

（2）理論結(jié)合實(shí)踐，反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使反向平衡法蘭塔筒在受力性能和經(jīng)濟(jì)性能方面達(dá)到最優(yōu)，這是該項(xiàng)技術(shù)得到推廣應(yīng)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(yùn)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(diǎn)和工程實(shí)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(shí)踐中得到了運(yùn)用，并逐漸顯示出它的優(yōu)勢(shì)，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(qiáng)螺栓松動(dòng)所致，因此，螺栓的松動(dòng)是導(dǎo)致風(fēng)塔破壞的起因。單個(gè)螺栓的松動(dòng)引發(fā)周邊螺栓的應(yīng)力增大，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)多個(gè)螺栓發(fā)生疲勞斷裂，塔筒壁因應(yīng)力集中而撕裂。

4.1 螺栓松動(dòng)

（1）導(dǎo)致螺栓松動(dòng)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(duì)高強(qiáng)螺栓施加預(yù)應(yīng)力，螺桿內(nèi)存在反彈扭矩，存在反彈趨勢(shì)。

③ 在風(fēng)荷載等變幅荷載作用下，螺栓預(yù)應(yīng)力放松；當(dāng)反彈扭矩大于預(yù)壓力產(chǎn)生的摩擦力矩時(shí)，螺栓產(chǎn)生松動(dòng)。

（2）解決螺栓松動(dòng)的措施如下。

① 現(xiàn)行的檢測(cè)方式是人工抽查，每隔一定時(shí)期對(duì)螺栓松動(dòng)情況進(jìn)行抽檢，記錄檢查頻率和不合格率，推算整個(gè)風(fēng)電場螺栓松動(dòng)概率。但是，人工檢查頻率低，無法做到全面停機(jī)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(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日趨成熟，可用設(shè)備通過物理手段檢測(cè)反向平衡法蘭上的螺栓松動(dòng)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(dòng)數(shù)據(jù)，以監(jiān)視控制螺栓可能因風(fēng)荷載等因素而導(dǎo)致的螺栓松動(dòng)、螺帽移位等，并且在后臺(tái)形成松動(dòng)情況大數(shù)據(jù)。基于螺栓的轉(zhuǎn)角松動(dòng)情況，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)判斷法蘭螺栓的健康狀況，這對(duì)風(fēng)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(cè)的優(yōu)勢(shì)

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

表1 人工抽查與物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)的性能對(duì)比

5 結(jié) 語

隨著國家大力推廣風(fēng)力發(fā)電，如何在風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)和監(jiān)測(cè)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(gè)方向。