考虑焊接残余应力的法兰螺栓连接计算方法

张兰娣 张龙君 马轶群 张东辉 宋明星

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.金风科创风电设备有限公司，北京 100176)

考虑焊接残余应力的法兰螺栓连接计算方法

张兰娣1张龙君2马轶群1张东辉1宋明星1

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.金风科创风电设备有限公司，北京 100176)

目前风电机组塔架法兰和筒壁的连接，普遍采用焊接的形式.焊缝的纵向残余应力，对外荷载下法兰根部塑性变形必然产生影响.而螺栓连接的计算方法，基于欧洲规范和手册，并未考虑焊缝残余应力对法兰根部塑性铰的影响，是不完善的.因此本文对既有计算方法做了修正，使其更加符合工程实践.

风机；塔架；法兰；残余应力

0 引 言

近几年雾霾猖獗，环境问题突出.风力发电作为典型的可再生清洁能源，在保护环境方面较之化石能源有不可替代的优势.因此在欧洲、美洲、澳洲、亚洲风电都得到了广泛的应用.

图1 官厅水库风机

塔架是风机(图1)的重要结构件，一般高度在60到120米之间.由于工厂生产吊车吨位的限制，运输车辆和道路的限制，以及现场吊装吊车的限制，使得塔架必须分段.塔段之间一般采用法兰螺栓连接的形式(图2)，便于现场施工.

本文拟对法兰螺栓的连接计算方法做一下探讨.

1 法兰连接计算简介

塔架上面连接机舱和风轮，下面固定在基础之上.塔段之间的法兰连接，属于结构的节点.通常情况下，结构设计都是“强节点”，即不允许节点先于塔架的其他部位发生破坏.

图2塔架的法兰螺栓连接(局部)图3法兰螺栓连接

通常情况下，环形法兰的多个螺栓的计算，可以简化为单个螺栓的计算(如图3).假定法兰所在的塔架截面弯矩为Mxy，轴向力为Fz，则受力最不利的法兰-螺栓组合件所受拉力为

(1)

式(1)中：Z-法兰螺栓组合件所受拉力(N)；Mxy-塔架截面弯矩(Nmm)；Fz-塔架截面轴向力(N)；Wxy-塔架截面抵抗矩(mm3)；d1-筒壁外径(mm)；ttower-筒壁厚度(mm)；n-螺栓的数量(个).

高强螺栓的抗拉承载力[1]为

(2)

式(2)中：fbuk-螺栓抗拉强度标准值(MPa)；fbyk-螺栓区服强度标准值(MPa)；Abs-螺杆部分截面积(mm2)；Ash-螺纹部分截面积(mm2).

如果假定塑形破坏极限状态下，弯矩作用界面为全塑性，则矩形截面的塑性截面模量[2]为

(3)

式(3)中：Wp-矩形截面的塑性截面模量(mm2)；g-矩形截面的宽度(mm；h-矩形截面的高度(mm).

根据上述塑性失效原理，塔筒壁塑性失效时的弯矩和竖向力分别为[3]

(4)

(5)

式(4)和(5)中：Mp-塔筒壁和法兰塑性失效时的弯矩值(Nm)；NP-塔筒壁塑性失效时的竖向力值(N)；fytower-塔筒壁的屈服强度设计值(MPa)；fyflange-法兰的屈服强度设计值(MPa)；tflange-法兰的厚度(mm).

法兰塑性失效时的剪力为

(6)

式(6)中：Vp-法兰塑性失效时的剪力值(Nm).不考虑焊接残余应力，只考虑极限拉力Fu的影响，Mp需要修正为如下形式

(7)

极限拉力Fu为

(8)

式(8)中：a-螺栓中心到法兰内侧的距离(mm)；b-螺栓中心到塔筒壁中心的距离(mm).联立式(7)和式(8)可以得到不显含Mp1的Fu.若Fu和Z满足如下关系，则法兰连接强度满足要求.

Fu/Z≥1

(9)

2 考虑焊接残余应力时法兰连接计算

在风电发展的早期，为了节省成本，有平法兰的应用.也就是法兰和筒壁采用L型连接.但如此一来就出现角焊缝.角焊缝施焊不便，且难以进行无损探伤，后期逐渐被淘汰了.

现在流行的风电塔架的法兰一般带有台阶.但为了节省成本，减少碾环之后的加工余量，台阶的高度都比较小，焊缝的应力对法兰根部的塑性铰的形成有影响.法兰和筒壁的焊缝为对接焊缝，且筒壁直径和壁厚之比较大.一般情况下，和焊缝垂直方向的残余应力较低，为了不使计算方法过于复杂，便以工程应用，只考虑和焊缝平行方向的应力.其焊缝纵向应力[4](即筒壁的切向应力)如下图所示：

图4 环向焊缝的纵向应力分布

图5 法兰根部的应力状况

可见在焊缝及附近为拉应力，距离更远则出现压应力.拉应力和压应力自相平衡.在外加荷载Mxy作用下，弯曲正应力为σz，焊缝残余应力为σx.法兰根部的应力状况如图5所示：

从工程实践来看，塔架的尺寸巨大，难以进行热处理消除残余应力；即便采用振动等措施消除残余应力，其效果也不佳.因此对焊接残余应力有必要加以考虑.在弯曲正应力为σz，焊缝残余应力为σx的作用下，屈服状态的折算应力σ0为

(10)

假定上式为等式，可以求得σz如下：

(11)

因为只考虑弯曲应力为拉应力时的不利工况，因此有

(12)

考虑焊接残余应力，且考虑极限拉力Fu的影响，Mp可以需要修正为如下形式

(13)

式(13)和式(8)和式(9)联立，即为得到新的螺栓连接计算方法.需要注意，焊接残余应力，需要实测得到.

3 结 论

风电塔架的法兰和筒壁焊接，对法兰螺栓连接的极限工况下的强度会有影响.实际项目中由于塔架尺寸较大，难以进行回火处理消除残余应力.振动等消除残余应力的方法，其效果不佳.因此，综合考虑焊接残余应力的计算方法，更为符合客观的工程实践.

[1]Building and Civil Engineering Standards Committee,German Committee for StructuralSteelwork.Structural steelwork:Design and construction(DIN 18800-1).1990

[2]Warren C.Young,Roark’s formulas for stress and strain(seventh edition)，P180，清华大学出版社，2003.3

[3]Seidel M.ZurBemessunggeschraubterRingflanschverbindungen vonWindenergieanlagen,Hannover 2001

[4]史光远，焊接结构设计与制造，第三节，黄河水利出版社，2006.8

OntheFlange-boltsConnectionCalculationMethodBasedonPlasticDesignandWeldingResidualStress

ZHANGLan-di1，ZHANGLong-jun2，MAYi-qun1，ZHANGDong-hui1，SONGMing-xing1

(1.Hebei Institute of Architechture and Civil Engineering,Hebei Zhangjiakou 075000;2.Jinfeng Kechuang Wind Tubine Co.,Ltd,Beijing 100176)

The Flange connection method is commomly used in the existing wind turbine towers.The welding between Flange and tower shell plates will make residual stress,which will affect the connection strength of the flange.The flange connection calculation method is based on European codes and manuals without taking welding residual stress into account,which is imperfect.Therefore,some modification is made against the plastic hinge method,which will have a better reflection to the real engineering practice of the steelworks.

Wind turbine;tower;Flange connection;residual stress

2017-03-11

2015年河北省科技计划自筹经费项目(项目编号 15211917)

张兰娣(1971-)，女，副教授.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.03.024

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