海上风电大直径单桩顶法兰凹陷缺陷修复方案分析研究

张健 ，绳结竑 ，戴鹏 ，徐宏，方熙权

（1.核电安全监控技术与装备国家重点实验室，广东 深圳，518057；2. 深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518057）

1 南海环境条件简述

我国南部海域台风和地震多发、涌浪常见、南海水温偏高，利用南海周边数据观测统计，汕尾海域200 km 范围内，1949—2019 年间，登陆我国南部海域沿岸的热带气旋共有 155个，发生于5—11 月期间，其中超强台风3 个，强台风14 个，台风40 个，强热带风暴40 个，热带风暴34 个，热带低压27 个，平均一年约2.2 次。详细信息如图1 所示。

图1 南海沿岸的热带气旋路径及数据统计Fig.1 Tropical cyclone paths and data statistics along the coast of South China Sea

故南部海域是受热带气旋影响较大，特别是强台风和超强台风。据分析，曾实测到10 m高处10 min 平均最大风速历史极值为57.7 m/s，由此可见，面临着南部海域复杂多变的外部环境，如台风频发且强度高，水温偏高且涌浪常见，土层种类多且差异较大等，对海上风电场项目开发提出更高的要求[1]。

2 单桩顶法兰结构及功能要求

国家十三五规划中，海上风电场项目场址水深条件大部分小于50 m，单桩和导管架等固定式基础成为项目主要的解决方案，而大直径单桩基础设计方案以其优良的经济性和简单高效的施工工艺成为业主及开发商首选解决方案。随着技术的进步，单桩的适用水深范围正逐步扩展到50 m 及以上，其通常的结构型式，由风机、塔筒及下部基础组成，塔筒与基础则主要通过桩顶法兰以螺栓预紧的方式紧密连接在一起，塔筒、法兰、基础共同组成了风机的支撑结构。

塔筒底部法兰也称为桩顶上法兰，其安装在塔筒底部由风机厂家供货，桩顶下法兰安装在基础顶部由基础加工制造厂供货。桩顶法兰作为承上启下的连接部件，主要有两方面作用。首先，法兰的水平度可以保证塔筒的垂直度，进而保证风机机头的功能性；其次，法兰部件的安全性将影响着风机支撑结构的完整性和稳定性。故法兰结构的可靠度至关重要，将影响风机的正常稳定运行，法兰结构简图如图2 所示。

图2 大直径单桩法兰设计方案Fig.2 Detail design of the large diameter monopole flange

单桩顶法兰由不同的供应商提供，其在出场检测时是抽样检查，存在着无法有效发现水平度问题的风险；其次，单桩基础通过冲击锤将基础打入泥面以下几十米，待泥土土层性能扰动恢复后再完成风机吊装，冲击载荷作用点在基础法兰表面，若施工质量控制不严格将可能发生法兰局部凹陷的风险。由此可见，顶法兰在出场时检测不到位或施工工艺粗糙均可能造成法兰水平度凹陷的问题。

若顶法兰发生凹陷，其水平面在螺栓预紧载荷作用下无法紧密结合，塔筒倾斜时顶法兰接触面存在分离的风险，法兰将不再作为主要的承载部件，极端环境下的极限载荷将主要有螺栓承载，塔筒垂直度将无法保证且受力不均，影响风机的仰角，进而影响风机的正常稳定运行。故顶法兰凹陷问题需要项目各方特别重视，对法兰进行修复处理，修复方案对法兰结构和水平度的影响分析，需要进行专门研究。

3 法兰水平度规范要求及修复方案

3.1 规范要求

按照规范的要求[2]，法兰在厚度方向上的误差不能超过2 mm，且只能出现内倾，若内倾角度过大，将影响风机的正常吊装，需要采取措施将法兰的水平度控制在标准范围之内。

3.2 法兰凹陷缺陷修复方案

以法兰产生凹陷的问题为研究对象，法兰的厚度凹陷超过了规范要求的水平度，凹陷情况如图3 所示。

图3 大直径单桩法兰凹陷缺陷Fig.3 Concave defects of the large diameter monopile flange

根据分析研究，法兰凹陷可以采取两种处理方案：法兰磨平处理或者法兰垫片垫平。

方案一：法兰磨平方案

（1）对每个法兰螺栓孔进行扩孔。为了扩孔后满足塔筒螺栓顺利插入，采用向外侧扩孔，需计算需要扩Amm，扩孔后保证扩大的部分为圆弧状；

（2）基础法兰表面采用磨平处理。需要将法兰凹陷最大厚度Bmm 进行磨平，法兰外侧厚度会减薄至T1-Bmm，保持内侧厚度不变；

（3）磨平后保证了法兰面的水平度，进而保证风机的稳定运行，但磨平后需要分析法兰的强度是否满足标准要求。

方案二：法兰垫片调平方案

若法兰磨平方案不可行，优先保证法兰完整性的前提下，需采用法兰垫片调平方案保持法兰平面的水平度。下一步将原本为横截面为长方形的垫片依据法兰内凹尺寸，加工为楔形，垫片布置方案如图4 所示，根据实际情况确定垫片数量，垫片尺寸如图5 所示。

图4 垫片调平俯视图Fig.4 The top view of the gasket

图5 垫片剖面视图Fig.5 The sectional view of the gasket

垫片在螺栓预紧力作用下对垫片产生较大的压力，且在倾斜面上存在向下的剪切力。若斜面剪切力小于垫片法兰接触面上的摩擦力，则垫片处于压紧状态，不会发生分离；反之，螺栓剪切力大于垫片法兰接触面上的摩擦力，则垫片将会同法兰产生相对滑移，甚至挤出的风险，进而影响法兰水平度和结构安全。

图1～图5 中：

D0——法兰外径；

D1——法兰内径；

D2——法兰螺栓中心直径；

D3——单桩基础内径；

d4——法兰孔直径；

T1——法兰原始厚度；

T2——法兰磨平后的厚度；

L——法兰单边宽度；

A——螺栓扩孔尺寸；

B——法兰平均凹陷尺寸；

e——垫片宽度；

t1——垫片薄端壁厚；

t2——垫片厚度壁厚。

4 顶法兰缺陷修复方案分析

依据两种不同的现场处理方案，采用ANSYS 有限元分析法和经验公式法，对基础法兰、法兰垫片等结构的完整性进行分析。

4.1 法兰磨平分析

4.1.1 模型简化

为了准确分析单桩顶部法兰的强度，需要建立塔筒法兰、单桩法兰、连接螺栓的详细有限元模型，对单桩法兰-螺栓进行适当简化，对螺母模型改为楔形，忽略垫片的建模，满足螺母上表面与单桩法兰的接触。

假定法兰宽度L=315 mm，法兰厚度T1=135 mm，法兰凹陷厚度B=6 mm，法兰外直径D0=7.5 m，螺栓螺杆外径d3=67 mm，法兰扩孔宽度A=3.86，基于以上数据，建立法兰、塔筒及基础的详细有限元模型，模型采用的材料数据[3-5]如表1所示，法兰面处极限载荷如表2所示。

表1 材料及力学性能Table 1 Material and mechaical properties of the model

续表

表2 承载能力极限状态载荷信息Table 2 Ultimate limit status (ULS)loads of the flange

4.1.2 网格划分

下法兰之间采用摩擦接触，上法兰与螺帽、下法兰与螺母之间采用绑定接触，详细的有限元网格模型图6～图9 所示。

图6 整体有限元模型图Fig.6 The integral finite element model

图7 单桩法兰有限元模型图Fig.7 The finite element model of monopole flanges

图8 单桩法兰局部有限元模型图（下法兰）Fig.8 The local finite element model of the monopole flange (lower flange)

图9 单桩法兰局部有限元模型图（螺栓）Fig.9 The local finite element model of the monopole flange (bolts)

4.1.3 边界条件

整体有限元中上下法兰的接触信息设置如表3 所示。

表3 法兰局部有限元模型边界条件Table 3 Contact boundary conditions of the finite element model

边界条件的施加如图10 所示，单桩底部施加X、Y、Z三个方向的位移约束。同时，加载点设置在塔筒延长段顶端界面中心位置，采用载荷偏移方式进行外部荷载施加。

图10 法兰局部有限元模型载荷及边界条件Fig.10 Loads and boundary conditions of the finite element model of local flange

4.1.4 分析结果

根据以上边界条件，分析结果如图11 所示。

图11 整体及法兰局部应力分布图Fig.11 The stress distribution of integral and local flanges

选取上下法兰及螺栓总应力最大的区域进行路径线性化处理，得到各路径下的局部薄膜应力如表4 所示，根据分析可知，法兰磨平后各部件区域强度均满足标准要求[6,7]。

表4 法兰局部有限元模型边界条件Table 4 Boundary conditions of the local finite element model of the flange

4.2 法兰垫片垫平分析

根据图4～图5，本节所采用的参数含义及数据如下，垫片剖面视图如图12 所示。

图12 垫片剖面视图Fig.12 The sectional view of the gasket

（1）t1：垫片厚度薄端，1 mm；

（2）t2：垫片厚度厚端，6 mm；

（3）d1：垫片内直径，6 870 mm；

（4）d2：垫片外直径，6 870+255=7 125 mm；

（5）d3：螺栓直径，64 mm；

（6）d4：垫片开孔直径，70 mm；

（7）e：垫片宽度，255 mm；

（8）θ：法兰内倾角；

（9）N1：垫片数量，根据法兰凹陷实际情况确定，此处取12；

（10）N2：单个垫片螺栓孔数量，最大为14 个，平均为13 个；

（11）S1：垫片接触面积，=2.81 m2；

（12）S2：单个螺栓面积，=3 217 mm2；

（13）S3：单个垫片开孔面积，=3 959 mm2；

（14）S4：单个垫片接触面积，S1/12-S3=0.178 2 m2；

（15）F预紧力：单个螺栓预紧力，1 690 kN；

（16）F剪切力：单个螺栓预紧力在倾斜面上的剪切力；

（17）F压：单个螺栓预紧力在倾斜面上的压力；

（18）μ：垫片接触面摩擦系数，保守取0.2；

（19）F摩擦：垫片接触面摩擦力；

（21）F剪切力=F预紧力×sinθ=33.13 kN；

（22）F压=F预紧力×cosθ=1 689.68 kN；

（23）F摩擦=μF压=337.94 kN；

（24）故F摩擦=337.94 kN≥F剪切力=33.13kN，垫片不会发生滑移；

（25）σ剪切=N×F剪切力/S4=14×33.13/0.178 2/103=2.6MPa，接触面剪切应力很小。

根据以上计算结果可知，螺栓预紧力作用下产生的摩擦力远大于单个螺栓产生的剪切力，垫片不会发生滑移，保证了垫片与法兰面的稳定性和水平度。

5 结论

本文以大直径单桩顶法兰发生凹陷问题为研究对象，介绍了单桩顶法兰的结构型式，分析了问题产生的可能原因，建立了分析模型，分别通过有限元数值模拟分析法和经验公式分析法，对两种法兰缺陷修复分案进行了分析，论证了两种方案的可行性，主要分析结论如下：

（1）法兰凹陷问题应结合项目现场实际测量的凹陷情况，综合施工环境、操作空间和可实施性，选择合理有效的处理方案，建议首选法兰垫片垫平方案。

（2）法兰磨平方案，当法兰凹陷情况比较小的情况下采用，可以快速对凹陷进行修复。同时，需要通过详细的有限元分析磨平厚度对法兰强度的影响，由分析结果可知，法兰磨平后仍可有效保证法兰的强度；

（3）法兰垫片垫平方案，可以采取相同材料的垫片进行垫平处理，需要根据法兰凹陷情况给出详细的垫片加工制造方案；

（4）加强法兰制造的质量检测和过程控制，确保法兰产品的合格率。