法蘭間隙對(duì)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(fēng)能有限公司 上海 200241

法蘭間隙對(duì)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(fēng)能有限公司 上海 200241

介紹了螺栓使用壽命對(duì)風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行的影響。由于各種原因，風(fēng)機(jī)吊裝完成后有些塔筒相鄰段之間的連接法蘭仍然會(huì)存在一定的間隙，通過(guò)有限元軟件ANSYS對(duì)法蘭之間存在間隙時(shí)螺栓的應(yīng)力范圍進(jìn)行計(jì)算，并與不考慮法蘭間隙時(shí)螺栓應(yīng)力范圍進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)法蘭之間微小的間隙將會(huì)造成連接螺栓應(yīng)力范圍的急劇增大，從而導(dǎo)致螺栓疲勞壽命的顯著下降。因此，在風(fēng)機(jī)吊裝過(guò)程中必須設(shè)法消除法蘭之間的間隙。

風(fēng)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(diǎn)，既可并網(wǎng)運(yùn)行，也可離網(wǎng)運(yùn)行，是我國(guó)目前發(fā)展最快的新型能源技術(shù)。塔筒是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最主要的支撐結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到制造、運(yùn)輸以及吊裝的經(jīng)濟(jì)性，通常會(huì)將塔筒分成若干段，塔筒相鄰段之間通過(guò)螺栓進(jìn)行連接，螺栓一般選用10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓，螺紋輾壓成型。用于塔筒連接的高強(qiáng)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(yīng)變及應(yīng)力，會(huì)使螺栓一直處于疲勞應(yīng)力狀態(tài)，文獻(xiàn)［1］指出螺栓的疲勞斷裂是目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒連接螺栓最主要的失效形式。文獻(xiàn)［1-2］指出在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒螺栓選型時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命分析。目前常用的方法是采用雨流計(jì)數(shù)法與Palmgren-Miner準(zhǔn)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(yīng)力之間的關(guān)系，并確定一條與之相匹配的螺栓疲勞等級(jí)S-N曲線。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組認(rèn)證指南即GL規(guī)范［3］對(duì)塔筒連接螺栓疲勞壽命有評(píng)估要求，通常可以利用Palmgren-Miner準(zhǔn)則，確定法蘭受載與螺栓應(yīng)力之間的關(guān)系，然后通過(guò)Eurocode 3規(guī)范［4］，確定高強(qiáng)度螺栓疲勞壽命與應(yīng)力幅之間的關(guān)系，從而可以判斷所選用的高強(qiáng)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(jìn)行螺栓應(yīng)力幅計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮塔筒相鄰段法蘭之間間隙的影響，但是國(guó)內(nèi)在許多項(xiàng)目中，塔筒在吊裝完成以后相鄰段法蘭之間仍然會(huì)存在一定的間隙，而間隙對(duì)于螺栓疲勞壽命的影響通過(guò)常規(guī)的工程算法是很難進(jìn)行計(jì)算的。筆者結(jié)合某風(fēng)場(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)ANSYS軟件來(lái)分析法蘭間隙對(duì)于連接螺栓應(yīng)力幅的影響，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，以確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不會(huì)因?yàn)樗策B接螺栓的疲勞失效而影響其安全穩(wěn)定運(yùn)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(gè)方面。其中，受力狀況可以歸結(jié)為螺栓連接時(shí)的應(yīng)力集中和平均應(yīng)力幅的影響；制造情況取決于原材料的純凈度和強(qiáng)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(duì)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(jìn)行螺栓疲勞壽命分析時(shí)，必須綜合考慮這些因素的影響。

對(duì)于塔筒連接所使用的10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓，原材料一般選用42CrMo，螺紋在進(jìn)行熱處理以后輾壓形成，制作完畢后螺栓表面進(jìn)行達(dá)克羅防腐處理。文獻(xiàn)［5］提出塔筒連接螺栓由于在機(jī)組運(yùn)行過(guò)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(guó)，塔筒法蘭采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，精度非常高，可以確保其上的螺栓安裝孔滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，從而可以有效地控制螺栓安裝過(guò)程中出現(xiàn)偏心以及強(qiáng)制裝配的情況；另外，塔筒吊裝完成后，要按照對(duì)角線的順序?qū)β菟ㄟM(jìn)行預(yù)緊，從而可以保證塔筒螺栓安裝過(guò)程中螺栓預(yù)緊力均勻分配，所以在正常運(yùn)行情況下，塔筒連接螺栓的應(yīng)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(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jìn)行組對(duì)焊接時(shí)，由于熱影響區(qū)的作用會(huì)對(duì)法蘭的平面度造成一定的影響，所以有許多項(xiàng)目在塔筒吊裝完成后在法蘭結(jié)合面之間會(huì)存在一定的間隙。文獻(xiàn)［6-7］認(rèn)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(guò)程中的應(yīng)力幅不得超過(guò)螺栓設(shè)計(jì)時(shí)許用的應(yīng)力幅。下面將以某項(xiàng)目所使用的反向平衡法蘭為例，通過(guò)計(jì)算螺栓應(yīng)力幅的大小來(lái)對(duì)比法蘭間隙對(duì)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(diǎn)

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(guò)輾環(huán)工藝成型，然后通過(guò)數(shù)控機(jī)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(qiáng)，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(duì)時(shí)的焊接精度要求比較高。

2.2 參數(shù)介紹

某項(xiàng)目使用的反向平衡法蘭，在運(yùn)行兩年左右的時(shí)間后，出現(xiàn)了個(gè)別螺栓斷裂的現(xiàn)象，將該風(fēng)場(chǎng)所使用的螺栓做相關(guān)測(cè)試，結(jié)果表明，螺栓質(zhì)量沒(méi)有問(wèn)題，符合采購(gòu)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(chǎng)進(jìn)行實(shí)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(guò)了1 mm，如圖2所示。

圖2 法蘭結(jié)合面間隙

在進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，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(jí)的M36螺栓，長(zhǎng)度為480 mm，螺栓的預(yù)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(yù)緊力因數(shù)為1.2。

3 不考慮法蘭間隙時(shí)螺栓應(yīng)力幅的計(jì)算

3.1 螺栓許用應(yīng)力幅的計(jì)算

利用Palmgren-Miner準(zhǔn)則，在不考慮法蘭間隙的情況下，通過(guò)VDI2230［8］和Eurocode3規(guī)范來(lái)計(jì)算螺栓的應(yīng)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(yīng)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(yīng)力范圍為71，該值比通過(guò)式（1）計(jì)算得到的疲勞極限應(yīng)力范圍更保守，也更接近工程實(shí)際。另外，在進(jìn)行螺栓疲勞壽命分析時(shí)，當(dāng)螺栓規(guī)格超過(guò)M30、GL規(guī)范要求，則在構(gòu)造S-N曲線時(shí)，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(yīng)力范圍ΔσA可以由式（2）求得，而螺栓應(yīng)力范圍ΔσR與應(yīng)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(yīng)力循環(huán)次數(shù)是按照107進(jìn)行設(shè)計(jì)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(duì)于M36的螺栓，根據(jù)式（2）～（4）可以得到螺栓在107次應(yīng)力循環(huán)次數(shù)時(shí)的許用應(yīng)力幅為17.2 MPa。

3.2 螺栓實(shí)際應(yīng)力幅的計(jì)算

下面將使用VDI2230來(lái)求得螺栓在交變載荷作用下的應(yīng)力幅，通過(guò)GB/T16823-1可以查得M36螺栓的螺紋應(yīng)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(yīng)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(yīng)力幅Δσ為4.7 MPa，式（5）～（8）如下所示：

通過(guò)上述計(jì)算可以得出作用在螺栓上的應(yīng)力幅小于設(shè)計(jì)允許的應(yīng)力幅，因此當(dāng)法蘭結(jié)合面之間不存在間隙時(shí)，本項(xiàng)目所選的M36螺栓可以滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)其疲勞壽命的要求。

4 考慮法蘭間隙時(shí)螺栓應(yīng)力幅的計(jì)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(zhǎng)度為500 mm，上下法蘭間隙對(duì)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(yīng)的質(zhì)量點(diǎn)，質(zhì)量點(diǎn)通過(guò)連接單元RBE3與第二段塔筒頂端連接，載荷施加在質(zhì)量點(diǎn)上，通過(guò)RBE3單元傳遞到塔筒上。上下法蘭通過(guò)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(yù)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(yù)緊力之后的法蘭間隙

4.2 有限元分析結(jié)果說(shuō)明

在螺栓預(yù)緊力作用下，法蘭間隙處筒壁外表面上最大拉應(yīng)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(yīng)力集中。

圖7 螺栓預(yù)緊以后法蘭間隙處第一主應(yīng)力

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

圖8 不存在間隙時(shí)外載荷作用下的螺栓軸向應(yīng)力

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

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

圖9 法蘭間隙處螺栓受拉時(shí)螺栓軸向應(yīng)力

圖10 法蘭間隙處螺栓受壓時(shí)螺栓軸向應(yīng)力

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

5 結(jié)論

通過(guò)以上分析可知，當(dāng)法蘭結(jié)合面之間不存在間隙時(shí)，利用Palmgren-Miner準(zhǔn)則確定法蘭受載與螺栓應(yīng)力之間的關(guān)系，并通過(guò)Eurocode3規(guī)范確定高強(qiáng)度螺栓疲勞壽命與應(yīng)力幅之間的關(guān)系是比較準(zhǔn)確的，與有限元計(jì)算結(jié)果基本一致，但是當(dāng)法蘭結(jié)合面之間存在間隙時(shí)，工程算法便無(wú)法計(jì)算法蘭間隙處螺栓的應(yīng)力幅，此時(shí)必須通過(guò)有限元進(jìn)行計(jì)算。

另外，如果法蘭結(jié)合面之間存在間隙，不僅會(huì)使該區(qū)域螺栓的應(yīng)力幅急劇增大，從而影響螺栓的疲勞壽命；而且雨水也會(huì)沿著塔筒法蘭結(jié)合面之間的間隙進(jìn)入到塔筒內(nèi)部，容易造成螺栓生銹，也會(huì)對(duì)螺栓的疲勞壽命造成非常不利的影響，因此在塔筒吊裝過(guò)程中必須消除法蘭結(jié)合面之間的間隙。對(duì)于L型法蘭，可以在螺栓預(yù)緊之前通過(guò)加裝墊片的形式對(duì)間隙進(jìn)行填充，所加墊片的壓縮強(qiáng)度不得低于法蘭材料的壓縮強(qiáng)度，且彈性模量要與法蘭保持一致。對(duì)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(guò)程中必須嚴(yán)格控制加工質(zhì)量，對(duì)于塔筒吊裝完畢以后依然有間隙存在的情況，在螺栓預(yù)緊之前可以對(duì)間隙處的筋板結(jié)合面進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇蚰?，以確保在螺栓施加預(yù)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(fēng)力發(fā)電；高強(qiáng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒的設(shè)計(jì)工作