法兰间隙对塔筒连接螺栓疲劳寿命的影响分析
导读
作者：曹广启、陈恩、季剑（上海电气风能有限公司上海）
来源：《装备机械》年12月
摘要：介绍了螺栓使用寿命对风机安全运行的影响。由于各种原因,风机吊装完成后有些塔筒相邻段之间的连接法兰仍然会存在一定的间隙,通过有限元软件ANSYS对法兰之间存在间隙时螺栓的应力范围进行计算,并与不考虑法兰间隙时螺栓应力范围进行对比,发现法兰之间微小的间隙将会造成连接螺栓应力范围的急剧增大,从而导致螺栓疲劳寿命的显著下降。因此,在风机吊装过程中必须设法消除法兰之间的间隙。
风力发电具有技术成熟、可靠性高、成本低且规模效益显著的特点，既可并网运行，也可离网运行，是我国目前发展最快的新型能源技术。塔筒是风力发电机组最主要的支撑结构，在设计时考虑到制造、运输以及吊装的经济性，通常会将塔筒分成若干段，塔筒相邻段之间通过螺栓进行连接，螺栓一般选用10.9级高强度螺栓，螺纹辗压成型。用于塔筒连接的高强度螺栓，因其工作环境恶劣,承受交变载荷的影响,在螺纹上容易产生很高的局部应变及应力,会使螺栓一直处于疲劳应力状态,文献[1]指出螺栓的疲劳断裂是目前风力发电机组塔筒连接螺栓最主要的失效形式。文献[1-2]指出在风力发电机组塔筒螺栓选型时必须对其进行疲劳寿命分析。目前常用的方法是采用雨流计数法与Palmgren-Miner准则相结合的全寿命S-N曲线法，该方法的关键任务就是确定法兰受载与螺栓应力之间的关系，并确定一条与之相匹配的螺栓疲劳等级S-N曲线。
风力发电机组认证指南即GL规范[3]对塔筒连接螺栓疲劳寿命有评估要求，通常可以利用Palmgren-Miner准则，确定法兰受载与螺栓应力之间的关系，然后通过Eurocode3规范[4]，确定高强度螺栓疲劳寿命与应力幅之间的关系，从而可以判断所选用的高强度螺栓疲劳寿命是否满足GL规范的使用要求。该方法在进行螺栓应力幅计算时没有考虑塔筒相邻段法兰之间间隙的影响，但是国内在许多项目中，塔筒在吊装完成以后相邻段法兰之间仍然会存在一定的间隙，而间隙对于螺栓疲劳寿命的影响通过常规的工程算法是很难进行计算的。笔者结合某风场实际情况，通过ANSYS软件来分析法兰间隙对于连接螺栓应力幅的影响，并提出相应的改进措施，以确保风力发电机组不会因为塔筒连接螺栓的疲劳失效而影响其安全稳定运行。
1影响螺栓疲劳寿命的因素
影响螺栓疲劳寿命的因素一般可分为受力状况、制造情况、使用环境三个方面。其中，受力状况可以归结为螺栓连接时的应力集中和平均应力幅的影响；制造情况取决于原材料的纯净度和强度、螺栓的热处理工艺、螺纹的加工方法以及螺栓的防腐措施；使用环境对螺栓疲劳寿命的影响主要有腐蚀介质和环境温度等。这些因素相互联系、相互影响，在进行螺栓疲劳寿命分析时，必须综合考虑这些因素的影响。
对于塔筒连接所使用的10.9级高强度螺栓，原材料一般选用42CrMo,螺纹在进行热处理以后辗压形成，制作完毕后螺栓表面进行达克罗防腐处理。文献[5]提出塔筒连接螺栓由于在机组运行过程中需要承受交变载荷的作用，因此螺栓的受力状况是影响其疲劳寿命的最主要因素。在我国，塔筒法兰采用数控机床进行加工，精度非常高，可以确保其上的螺栓安装孔满足图纸设计要求，从而可以有效地控制螺栓安装过程中出现偏心以及强制装配的情况；另外，塔筒吊装完成后，要按照对角线的顺序对螺栓进行预紧，从而可以保证塔筒螺栓安装过程中螺栓预紧力均匀分配，所以在正常运行情况下，塔筒连接螺栓的应力集中因数可以控制在规范允许的范围内。目前MW级风力发电机组所使用的塔筒高度比较高，一般在80m左右，塔筒筒节直径比较大，最底部筒节直径一般≥4.2m，而塔筒筒节与连接法兰进行组对焊接时，由于热影响区的作用会对法兰的平面度造成一定的影响，所以有许多项目在塔筒吊装完成后在法兰结合面之间会存在一定的间隙。文献[6-7]认为螺栓疲劳破坏的根源为损伤累积，为了保证螺栓的疲劳寿命，螺栓在使用过程中的应力幅不得超过螺栓设计时许用的应力幅。下面将以某项目所使用的反向平衡法兰为例，通过计算螺栓应力幅的大小来对比法兰间隙对螺栓疲劳寿命的影响。
2反向平衡法兰介绍
2.1结构特点
目前用于塔筒连接的法兰主要有L型法兰和反向平衡法兰两种形式，传统的L型法兰为锻造法兰，使用钢锭通过辗环工艺成型，然后通过数控机床加工到图纸要求的尺寸；而反向平衡法兰一般由筒节、连接板、筋板焊接而成，反向平衡法兰原理如图1所示。
与传统的L型法兰相比，反向平衡法兰成本低、加工周期短，法兰承载能力强，受力比较合理，可以有效地改善法兰与塔筒焊缝的受力状况和焊接变形。但相比L型法兰，反向平衡法兰接触面比较小，一旦相邻法兰之间存在间隙便很难消除，因而其加工精度以及法兰与筒节组对时的焊接精度要求比较高。
2.2参数介绍
某项目使用的反向平衡法兰，在运行两年左右的时间后，出现了个别螺栓断裂的现象，将该风场所使用的螺栓做相关测试，结果表明，螺栓质量没有问
题，符合采购规范要求。为了尽快找出螺栓断裂的原因，相关技术人员到现场进行实地考察，发现在出现连接螺栓断裂处的法兰结合面之间有间隙，其中最
大间隙处超过了1mm，如图2所示。
在进行分析计算时，选取位于第一段塔筒与第二段塔筒之间的法兰，该法兰处筒节外径D0=mm，筒节壁厚t=26mm，螺栓数量n=，选用10.9级的M36螺栓，长度为mm，螺栓的预紧力为kN,该法兰处承受的最大弯矩为kN·m，螺栓的载荷分配因数p=0.，塔筒筒体及法兰材质QE，螺栓预紧力因数为1.2。
3不考虑法兰间隙时螺栓应力幅的计算
3.1螺栓许用应力幅的计算
利用Palmgren-Miner准则，在不考虑法兰间隙的情况下，通过VDI[8]和Eurocode3规范来计算螺栓的应力幅。根据VDI规范，名义循环次数NA=2×，螺栓的名义疲劳极限应力范围ΔσA可由式（1）求得，而Eurocode3规范和GL规范推荐的螺栓疲劳极限应力范围为71，该值比通过式（1）计算得到的疲劳极限应力范围更保守，也更接近工程实际。另外，在进行螺栓疲劳寿命分析时，当螺栓规格超过M30、GL规范要求，则在构造S-N曲线时，需要考虑螺栓折减因数Ks的影响，Ks=（30/d）0.25，d为螺栓的公称直径，因而在2×循环次数下，螺栓的疲劳极限应力范围ΔσA可以由式（2）求得，而螺栓应力范围ΔσR与应力循环次数NR之间的关系如式（3）、（4）所示。
螺栓的S-N曲线如图3所示。
塔筒连接螺栓的极限应力循环次数是按照10的7次方进行设计的，考虑材料的安全因数Ym取1.1，破坏后因数Yb取1.15，对于M36的螺栓，根据式（2）～（4）可以得到螺栓在次应力循环次数时的许用应力幅为17.2MPa。
3.2螺栓实际应力幅的计算
下面将使用VDI来求得螺栓在交变载荷作用下的应力幅，通过GB/T-1可以查得M36螺栓的螺纹应力截面积AS=mm2，利用式（5）可求得法兰筒壁的抗弯截面模量W0，利用式（6）可求得抗弯应力σS，利用式（7）可求得螺栓的额外载荷Fa，利用式（8）可求得螺栓上的应力幅Δσ为4.7MPa，式（5）～（8）如下所示：
通过上述计算可以得出作用在螺栓上的应力幅小于设计允许的应力幅，因此当法兰结合面之间不存在间隙时，本项目所选的M36螺栓可以满足风力发电机组对其疲劳寿命的要求。
4考虑法兰间隙时螺栓应力幅的计算
4.1模型假设
假设法兰筒壁上存在最大间隙为1mm，其长度为mm，上下法兰间隙对称，如图4所示。
由于选取的是第一段塔筒与第二段塔筒之间的反向平衡法兰，所以建立的有限元模型包含法兰连接螺栓、上下法兰，以及第一段塔筒、第二段塔筒部分筒节，如图5所示。在第二段塔筒与第三段塔筒的法兰连接处中心位置用Mass21质量单元建立相应的质量点，质量点通过连接单元RBE3与第二段塔筒顶端连接，载荷施加在质量点上，通过RBE3单元传递到塔筒上。上下法兰通过绑定与塔筒连接，第一段塔筒底部固定。
在反向平衡法兰有限元模型中，法兰最大间隙处间隙为1mm，施加螺栓预紧力之后，法兰最大间隙约为0.3mm，如图6所示。
4.2有限元分析结果说明
在螺栓预紧力作用下，法兰间隙处筒壁外表面上最大拉应力约为MPa，如图7所示，法兰面与筒壁连接处以及反向平衡法兰与塔筒连接处有较大的应力集中。
在外载荷作用下，当法兰结合面之间不存在间隙时，如图8所示，螺栓受压处最小应力为.1MPa，螺栓受拉处最大应力为MPa，螺栓应力范围为8.9MPa，应力幅为4.45MPa。该结果与本文3.2条通过VDI计算的结果基本一致。
当法兰结合面之间存在间隙时，在外载荷作用下，螺栓受拉的最大应力发生在法兰间隙最大处，其应力大小为.4MPa，应力云图如图9所示。当外载荷使法兰间隙处螺栓受压时，此时螺栓最小应力并不发生在间隙最大处，应力云图如图10所示，间隙最大处螺栓应力大小为.6MPa。通过以上有限元计算可知，在外载荷作用下，法兰间隙最大处螺栓最大应力为.4MPa，最小应力
为.6MPa，应力幅为17.9MPa，大约是法兰结合面之间不存在间隙时螺栓应力幅的4倍。通过前面计算可知，本项目允许的应力幅为17.2MPa，当法兰
之间存在间隙时，法兰间隙最大处螺栓的应力幅已经超过了本项目螺栓设计允许的应力幅，根据Eurocode3规范，可以估算出当法兰结合面之间存在1mm的间隙时，螺栓的应力循环次数约下降18%，从而会导致螺栓的疲劳寿命急剧下降。
5结论
通过以上分析可知，当法兰结合面之间不存在间隙时，利用Palmgren-Miner准则确定法兰受载与螺栓应力之间的关系，并通过Eurocode3规范确定高强度螺栓疲劳寿命与应力幅之间的关系是比较准确的，与有限元计算结果基本一致，但是当法兰结合面之间存在间隙时，工程算法便无法计算法兰间隙处螺栓的应力幅，此时必须通过有限元进行计算。
另外，如果法兰结合面之间存在间隙，不仅会使该区域螺栓的应力幅急剧增大，从而影响螺栓的疲劳寿命；而且雨水也会沿着塔筒法兰结合面之间的间隙进入到塔筒内部，容易造成螺栓生锈，也会对螺栓的疲劳寿命造成非常不利的影响，因此在塔筒吊装过程中必须消除法兰结合面之间的间隙。对于L型法兰，可以在螺栓预紧之前通过加装垫片的形式对间隙进行填充，所加垫片的压缩强度不得低于法兰材料的压缩强度，且弹性模量要与法兰保持一致。对于反向平衡法兰，由于接触面积比较小，不方便加装垫片，在生产制造过程中必须严格控制加工质量，对于塔筒吊装完毕以后依然有间隙存在的情况，在螺栓预紧之前可以对间隙处的筋板结合面进行适当的打磨，以确保在螺栓施加预紧力以后可以将法兰结合面之间的间隙消除。
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