海上风电单桩塔筒螺栓连接法兰数值模拟研究

孙 智，李 令，曾 佳，库 猛，李宗泽，3，金 磊，高 锋，

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021；3.浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

我国沿海地区海上风能资源丰富，海上风电场建设已成为我国风电开发的重要方式[1]。在海上风电场中，塔架作为发电机组的支撑结构，其安全性是整个发电系统正常运行的基本保证。当前，大型海上风电场风机塔架长度长、直径大，一般由多段塔筒组成，通过法兰-螺栓连接[2-3]。风电场塔架倒塌事件时有发生，倒塔的原因除了极端强风天气造成的塔筒受荷过大以外，还与风电设备安装连接的高强螺栓强度不足、螺栓紧固施工安装不当等有关[4]。螺栓对塔架安全至关重要，因此分析螺栓的受力特征及应力规律具有重要的研究价值和工程应用价值。

目前已有学者对风机塔架的法兰螺栓连接问题进行研究。龚国伟[5]对大型风力发电机组法兰螺栓连接的设计计算方法进行了研究；吉亮等[6]建立螺栓轴力计算模型，并对包含翘曲缺陷法兰螺栓的疲劳特性开展研究；徐祉康等[7]基于Petersen方法对风力发电机组塔筒M64大直径螺栓法兰进行拉伸试验，并对其承载能力进行了分析研究。塔筒在风荷载作用下，法兰螺栓受力特征的研究较少。

本文以大连某海上风电场为工程背景，对塔筒所受风荷载进行理论计算，建立螺栓-法兰数值模型，根据理论计算结果对模型施加荷载，分析螺栓的应力特征，研究成果可为风电场塔筒连接设计提供参考。

1 工程背景

海上风电项目位于大连市庄河海域，场址中心离岸距离约35.2 km，规划面积约55.8 km2(见图1)，装机规模为350 MW。

图1 海上风电场位置示意

工程所在海域内地基土表层以粉砂为主，区域内特殊性岩土主要为软土，为淤泥质粉质粘土，具有天然含水量高，呈流变性，承载力低，压缩性高，抗剪强度低，渗透性低等特点。该处风速分布较为均匀，年平均风速为4.2 m/s，滨海年平均风速为4.7 m/s。

2 塔筒安装简介

该工程塔架由4段塔筒安装组成，分别为上、中1、中2以及下塔筒，塔架组成示意如图2所示。塔架安装顺序为：安装前准备、底段塔筒安装、中1及中2段塔筒安装、上段塔筒安装[8-9]。

图2 海上风电塔筒组成示意

塔架安装准备工作包括基础顶部法兰面清理，塔筒位置标记，电气设备以及安装工具检查，螺栓螺母以及垫圈的检查等工作。

安装底段塔筒时，工程上采用垂直起吊的方式。将塔筒吊具吊带一端挂在主吊钩上，另一端紧固在底塔上法兰。缓缓起钩至吊带即将受力时停止起钩，将底段塔筒与设备构架在工装上的固定装置卸除。再次缓缓起钩至底段塔筒离地100 mm静置观察1～2 min，同时在底段塔筒的下法兰系上揽风绳。塔筒抬起到基础上部，快要下落到既定位置时，找准两个法兰已标记的位置，先使用3个螺栓进行位置固定，随后使塔筒缓慢下降。法兰对齐，安装剩余螺栓、螺母和垫圈。

3 塔架所受弯矩和剪力计算

根据日本土木协会规范《风力发电设备塔架结构设计指南及解说》[10]，对正常发电下风机塔架风荷载进行计算。海上风电机组塔架主要受到弯矩和剪力作用，在空间中，均可分解为3个方向的分量。塔架受荷具体方向如图3所示。图中，MXF、MYF、MZF分别为x、y、z方向受到的弯矩，kN·m；FXF、FYF、FZF分别为x、y、z方向受到的剪力，kN。

图3 塔架受荷方向示意

该工程风电机组各部件尺寸及质量如表1所示。其中，风电塔筒高96 m，风电机组装机容量6 MW，叶片数3个，风轮直径168 m，轮毂中心高度98.5 m。

表1 风电机组各部件尺寸及质量

风机塔架的直径往往随塔架高度的不同而变化。为了更精确地得到风机塔架不同高度处的剪力和弯矩大小的理论解，对于96 m高的塔架划分出30个等距的小段，其中每3.2 m为一段，共计31个截面，计算每一个高度处截面的受力情况。平均剪力QDi和平均弯矩MDi的计算公式为

(1)

(2)

(3)

式中，QDi为对应风速UHi正常发电时的平均剪力，N，风速为4 m/s时对应风速级别为1级；ρ为空气密度，取ρ=1.293 kg/m3；CTi为对应风速UHi正常发电时的风轮推力系数，m/s；R为风力机的风轮半径，m；CDN为机舱的平均阻力系数；CDT为塔架的平均阻力系数；AN为机舱的可见面积，m2；Ht为相应截面处风机塔架高度，m；h为截面处的评估高度，m；dz为计算截面高度z处的塔架直径，m；Uiz为对应风速级别UHi时截面高度z处的风速，m/s；Hh为轮毂高度，m；α为风速垂直方向的分布指数，与场地地面粗糙度有关，本文取0.1。根据式(1)～(3)，可以计算出在风速为4 m/s时，塔架各处所受平均剪力和弯矩数值。

塔架各部风速以及荷载，计算结果如图4所示。由图4可知，对于海上风力发电塔架，随着塔架高度的降低风速随之减小，所受剪切力相应增大但变化并不明显，而塔架所受的弯矩力随着高度的减小逐渐增大且变化非常显著，例如本例中塔架在96 m高度处受到的弯矩为404.061 kN·m，在13.88 m高度处所受弯矩达到13 787.763 kN·m。

图4 塔架各处受力示意

4 螺栓数值分析

4.1 塔筒法兰-螺栓数值模型

基于ABAQUS软件建立塔筒法兰-螺栓数值模型，如图5所示。上下法兰直径6 m，由均匀分布的80个螺栓相连接。其中，法兰材料属性为理想弹性，螺栓材料属性为理想弹塑性。塔筒法兰与连接螺栓的屈服强度分别为345 MPa和1 040 MPa，其弹性模量E分别取211 GPa和206 GPa，泊松比按0.3取值。各部件之间的接触设置为法向无摩擦，切向“罚”函数的接触，摩擦系数为0.12[11-12]。

图5 塔筒法兰-螺栓数值模型

根据塔架受荷计算结果(见图4)，对数值模型施加荷载，分析在塔架在正常发电时风速为4 m/s的工况下，螺栓的受力特征及规律。在施加风荷载前，对每个螺栓施加预紧力，预紧力值为550 kN，待螺栓上预紧力施加完毕，将螺栓变形后长度锁定，随后再施加风荷载[13]。

4.2 结果与讨论

以塔筒中1段与中2段连接处螺栓为例，通过图4选取荷载数值，对数值模型施加荷载，分析螺栓受力特征。

图6为塔筒正面迎风螺栓在正常风荷载工况下的应力云图。由图6可知，在风荷载作用下，塔筒迎风侧应力大于背风侧，背风侧螺栓应力值仅有约350 MPa，而迎风侧螺栓应力值最高可达577 MPa，比背风侧高64.9%。

图6 螺栓应力分布云图

图7为螺栓迎风侧应力曲线。由图7可知，在风荷载作用下，螺栓与垫圈接触的位置出现应力峰值，即螺栓的上下根部位置受力较大，且下根部受力要大于上根部。本文算例中，螺栓下根部应力为577 MPa，上根部应力为551 MPa，其余位置维持在540 MPa左右。因此，螺栓受到风荷载时，危险位置为螺栓的上下根部，对螺栓进行设计研究以及应力分析时，应着重分析螺栓的根部位置。

图7 螺栓迎风侧应力曲线

5 结 论

本文以大连市某海上风电项目为工程背景，根据相关规范对海上风力发电塔架在正常工况下所受风荷载进行理论计算，建立了塔筒法兰-螺栓的数值模型，研究了螺栓的应力特征及规律，得到以下结论：

(1)海上风力发电塔架所受剪切力以及弯矩随着塔架高度的降低而增大，剪切力变化并不明显，而弯矩力的增加非常显著。

(2)连接塔筒法兰的螺栓在受到风荷载时，迎风侧的应力大于背风侧，本文算例中迎风侧应力达到577 MPa，比背风侧的应力高64.9%。

(3)螺栓迎风侧的应力峰值出现在根部位置，其余位置应力较小且平稳，螺栓下根部受力最大，是螺栓最危险的位置。