浅谈反向平衡法兰塔架的应用

肖 健（大保建设管理有限公司， 辽宁 大连 116600）

1 概 述

近年来，风电项目在我国很多能源企业投资建设的清洁能源项目中占比最大，2019年之后，海上风电更是大有兴起之势。随着风电机组技术的不断成熟，风力发电将向着大型化和海洋化发展，为了突破占地区域使用限制、单台机组获得最大利益化，更大的叶轮直径和更高的塔架已成为风电发展的主要趋势。这就要不断加厚塔筒受力薄弱处的法兰面以满足承载需要。国内发展风电已有 30 多年，近年来时有风电塔筒折损、撕裂情形发生。安全问题在生产管理中被认为是首要问题，尤其在风力发电领域，风力发电塔结构的破坏，按部位主要分为基础、叶片和塔身的破坏。本文所指的塔身破坏表现为风机塔筒的撕裂与折断。这种破坏形式在沿海区域的发生概率高于风速较低的内陆风场，而反向平衡法兰可以满足风电机组的质量和安全需要。以调兵山风场试验为例：极限承载力试验证明了反向平衡法兰节点强度足够，具备了相当的安全储备；塔筒发电阶段实测证明了反向平衡法兰螺栓拉应力变动与计算结果基本相符；反向平衡法兰构造简单、受力合理，有效地改善了法兰与塔筒焊缝的受力状况和焊接变形。

2 反向平衡法兰塔架比传统平面法兰具有的优势

塔筒从地面算起 40m左右处，是受风机机仓内25t左右部件和风叶片转动产生振动力最大部位处，断裂位置多位于此，连接法兰的成本、技术、误差控制等显得尤为重要。

2.1 反向平衡法兰的特点

2.2.1 更低的制造成本

（1）传统的平面法兰是先由钢坯煅制成环形，用捻环机扎制到所需的尺寸，再经退火机加工成形并热处理后成品；反向平衡法兰则将购入的成品钢板切割成拼接法兰和法兰板，以焊接的方式进行加工，再用大型设备精加工打孔成形。相比之下，后者的制造成本更低。

（2）随着风机组件加高、加重，传统平面法兰的厚度也随之增加；反向平衡法兰则无需增厚法兰板，只需增高加劲板即可增加法兰刚度。相比传统平面法兰，反向平衡法兰的成本更低。

（3）相对于传统平面法兰，反向平衡法兰不仅具有良好的抗弯刚度和极限承载力，而且生产周期短，对吊装器具的要求低。

2.2 更合理的抗剪方式

从受力方式上看，传统的平面法兰用高强度螺栓进行连接、紧固，法兰面摩擦力起到抗剪作用；反向平衡法兰连接时，在预应力螺栓的紧固法兰板端面的上下定位壳起到抗剪作用，机械抗剪。

2.3 更易实施的质量控制

（1）所有法兰面（沿直径方向）允许 0～1.5mm 内倾偏差，但不允许外翻。与传统平面法兰相比，反向平衡法兰塔架在塔架制造中容易控制，不存在外翻问题。

（2）相比传统平面法兰，反向平衡法兰加劲板在前法兰板在后，因此不需要加厚法兰即可增加螺栓长度，从而方便螺栓施加预拉力，方便控制预拉力大小。

（3）反向平衡法兰在加劲板的钢管向心侧增加一段平衡面，使法兰连接时不但钢管壁受压而且加劲板的平衡面也受压，而且还大大减少了加劲板与钢管壁连接焊缝的弯曲作用，继而减小了焊缝的环向拉力，使加劲板与钢管壁焊缝以受剪为主，以提高焊缝的抗疲劳强度。

3 研究展望

本文对管塔式风电塔架控制点和反向平衡法兰的优势进行了分析，从中可以看到，管塔式塔架技术已日趋成熟，质量控制要点也正在细节化，但也存在一些问题，期待后续的研究工作能对这些问题进行细致探究。

（1）反向平衡法兰由众多板件焊接而成，塔筒厂商认为组件过多，且难以实现缩尺建模进行全面分析研究，目前仅有金凤科技、大金重工等塔筒生产企业在使用此项技术。因此，详细研究反向平衡法兰受力机理并加以推广运用，是一项颇具研究意义和富有挑战性的工作。

（2）理论结合实践，反复优化设计方案，使反向平衡法兰塔筒在受力性能和经济性能方面达到最优，这是该项技术得到推广应用的关键。

（3）反向平衡法兰塔筒与传统平面法兰在生产、运输、吊装过程中存在较大差异，结合反向平衡法兰塔筒的特点和工程实际需求，衍生出更多、更优的方法。

4 研究方向

反向平衡法兰塔筒已在工程实践中得到了运用，并逐渐显示出它的优势，但从安全角度上看，塔筒撕裂和折损的初始原因是疲劳荷载作用使得连接法兰高强螺栓松动所致，因此，螺栓的松动是导致风塔破坏的起因。单个螺栓的松动引发周边螺栓的应力增大，导致该区域内多个螺栓发生疲劳断裂，塔筒壁因应力集中而撕裂。

4.1 螺栓松动

（1）导致螺栓松动的原因如下。

① 现场施工过程存在隐患，螺纹表面有油污、防锈油脂等沾染物，使其表面摩擦系数下降，从而降低防松能力。

② 用扭矩法对高强螺栓施加预应力，螺杆内存在反弹扭矩，存在反弹趋势。

③ 在风荷载等变幅荷载作用下，螺栓预应力放松；当反弹扭矩大于预压力产生的摩擦力矩时，螺栓产生松动。

（2）解决螺栓松动的措施如下。

① 现行的检测方式是人工抽查，每隔一定时期对螺栓松动情况进行抽检，记录检查频率和不合格率，推算整个风电场螺栓松动概率。但是，人工检查频率低，无法做到全面停机检查。若要全面检查，则要投入一定的人力及资金。

② 物联网技术、设备远程监控和预警系统在电力系统中的应用日趋成熟，可用设备通过物理手段检测反向平衡法兰上的螺栓松动情况，借助 WiFi、以太网、3G 及 GPRS等多种通信方式向终端系统传输松动数据，以监视控制螺栓可能因风荷载等因素而导致的螺栓松动、螺帽移位等，并且在后台形成松动情况大数据。基于螺栓的转角松动情况，实时监测判断法兰螺栓的健康状况，这对风电塔筒的抗疲劳安全性有着重要的意义。

4.2 物联网检测的优势

相比于人工抽查，物联网检测具有以下优势（见表 1）。

表1 人工抽查与物联网检测的性能对比

5 结 语

随着国家大力推广风力发电，如何在风力发电结构和监测方面展开技术革新和改造，并使两者有效地结合在一起，是未来研究的一个方向。