[发明专利]高强特强塔筒连接结构与高强特强风机塔筒及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及的高强特强塔筒连接结构与高强特强风机塔筒及其制造方法尤其适用在逐渐大型化的风电建设中应用。

背景技术

各种风力发电设备或者风力提水设备均需支撑体将风轮高举实现乘风从而产生出各种结构形态的风机塔架，由于圆筒形的风机塔架具有外型美观、各方分解乘风能力均衡且支撑能力强大稳定的优势得到广泛的认可应用，通称为：塔筒；出于运输、吊装、加工便利化的原因，一个大型风机的超高塔筒均是由若干小节段的塔筒在施工工地现场通过塔筒连接结构的装配连接紧固实现串联形成一体化整体式的风机塔筒结构。

对于风机塔筒的能力要求核心是安全稳定，风机塔筒的结构过去主要是关注承载垂直压力的能力，当前由于风机功率的持续加大、叶片长度的持续加长导致大型化的风机塔筒持续加长加高，从而形成了超乎寻常的顶部巨大水平推力×超高塔筒长度配合形成的杠杆撬动基础部位的推拉效应，使处于塔筒下部与最底部的连接结构承载的撬动拉力数值数倍高于顶部，也数倍高于垂直压力，因此当前更应该关注塔筒连接结构能够抵抗撬动性拉力的能力。

承接压力与承接拉力相比较对于风机塔筒连接结构来讲有着本质性的区别，当前普遍采用的上下法兰配合并用螺栓在塔筒内部形成“串”字形紧固的风机塔筒连接结构对于承接压力表现优异而对于承接撬动拉力就力不从心，而使该相同强度等级的承重结构在塔筒的上、中、下部均完全一致通用设置的方式极有可能导致处于中部、底部的连接结构难于承受巨大撬动拉力导致而破损，发生风机倒塌造成机组整体性毁灭事故。

本发明讨论的塔筒强度问题不单纯涉及因塔筒钢板壁设计强度不足导致的从塔筒壁中间整体变形折损式倒塌事故的形成原因，因其只需加强塔筒强度与厚度即可轻易解决；而通过对于更多呈现的因塔筒连接结构造成的风机倒塌现象的细致研究分析发现，“串”字形连接结构存有易发或诱发拉断性破坏的5个危险因素形成：

①在法兰与塔筒的钢板焊口上易发撕裂性断裂

事实上风机全部拉力压力均由塔筒壁钢板承担，而采用法兰与塔筒壁钢板形成完整圈形焊接的结构设计与加工方式容易导致塔筒钢板在焊口热影响区发生焊接性脆化或焊接性裂纹、焊接性内应力，焊接脆化经退火处理后韧性虽然可以得到很大恢复，但在风机塔筒焊接加工中难于做到退火处理，况且与焊接的法兰共同退火将导致法兰刚性的下降或者形态变化，因此在焊接脆性变化区有可能难于长期承接巨大压力、拉力与震动，在运动性疲劳与超低温叠加的情况下法兰与塔筒壁的连接焊口处易发撕裂性断裂。

②在法兰与钢板的焊口上易发脱焊断裂

事实上风机全部拉力又均作用在同一个法兰的上下2条与塔筒钢板连接的焊口上，因此焊接强度与质量关系风机命运，由于难于避免的焊接工艺条件的差异与焊接质量问题及法兰与钢板在材质、规格上存有很大的差异，不同规格钢材的热胀冷缩变化差距难于一致，在低温焊接环境下更加容易导致在焊口处产生脆性裂纹与内应力，或是在海上风电应用中由于长期盐雾、潮湿导致的锈蚀诱发焊口裂纹腐蚀导致开焊拉断与导致局部脱焊。

③螺栓连接结构成为最薄弱的层面，极易大面积拉断

多方面因素导致螺栓及其紧固连接层面结构成为塔筒连接系统中最薄弱的部分，主要形成原因包括：

1.风机全部拉力通过法兰传递又全部作用于在同一平面上分布排列的较细螺栓上，全部由各个螺栓承担，而螺栓层面与塔筒壁比较强度、能力、截面积等均明显数倍弱化。

2.当前的“串”字形塔筒连接结构的螺栓紧固形态是以形成间隔距离的压力影响方式，以非直接的承接塔筒壁拉力的受力方式存在，即其是通过法兰形成“弓”字形的撬动拉力方式传递到螺栓紧固压力区域。

3.如果使螺栓加粗设计将导致法兰开孔加大强度下降，还导致螺栓紧固的压力心中区更加偏离塔筒壁的边沿对接的实际承拉需要位置，从而形成更大距离的杠杆撬动作用，将导致螺栓一侧受力加大加快运动性疲劳。

4.螺栓的材质刚度与柔韧性性能设计难于两全其美共存，自然界难有既刚硬又柔韧的材料，尤其是在超低温应用的环境情况下过于强调刚硬的细小螺栓更容易发生疲劳、脆裂、折断，而过于强调柔韧性则螺栓的抗拉伸强度与抗变形强度将下降。

④法兰与螺栓配合结构相互抑制，均难强大

在法兰同一平面上采用较高密度开孔，采用加粗、加密螺栓设计实现螺栓强化的方式将导致法兰抗变形强度与抗断裂能力的降低，法兰变形折断将使塔筒整体失去节段骨架支撑效应易发塔筒变形性折断倒塌。反之，细小与较为稀疏的排列分布且在单一平面存在的螺栓紧固层业已成为整个连接系统中最为薄弱的层面结构。