但随着风电产业爆发式发展,质量问题也逐渐暴露出来。特别是不断出现的风电机倒塌事件,对风电产业造成的损失是巨大的,这种恶性事故也对风电产业的发展造成了负面影响。
从风电机倒塌事故公布的调查资料显示了一些信息,风电机的倒塌大部分是从塔筒的连接法兰处断裂的,风电机塔筒一般由三、四节塔筒连接而成,接头端焊接法兰,发兰盘上使用125付高强度10.9级规格M56直径螺栓,125付螺栓形成的整体拉力是26900吨。螺栓在安装时预紧力和预紧扭矩值大于(摩擦系数μ≥0.15)为最低紧固扭矩值,高强度螺栓靠自身收缩弹性强大的拉力,使螺栓螺母紧贴法兰的表面,产生强大的摩擦力保证螺栓不会松动。塔筒的高度在60米以上。
我们以风电机倒塌的一起典型事故来说明这个问题,事故报告的内容显示,在现场有1/3以上的螺栓被拉断;断螺栓和螺母掉在平台上很凌乱,没有规律,有的距离塔壁较远;有的螺栓还连接在法兰上,但用手都可以拧动;塔筒连接处有2/3的法兰从塔筒上撕裂下来。事故报告认为螺栓的松动是造成风电机倒塌的主要因素,所以我们应该采取措施解决风电机塔筒螺栓的松动问题。下面进行塔筒受力的分析和螺栓松动的因素分析。
风电机塔筒受力非常复杂,从力学原理来讲塔筒是一种单边固定受力的方式,头重脚轻,在风电机的头部受到很大的风载,塔筒在风力的作用下会出现前后摇摆的情况,塔筒螺栓的受力也在变化。比如,风电机受到巨大风载的情况下,塔筒的底部会受到向后巨大的弯曲扭矩,塔筒前面受到拉应力,螺栓处于拉伸状态,螺栓被拉长;塔筒后面受到压应力,塔筒的连接法兰将受到压应力的作用,法兰就会产生轻微的压缩,螺栓的紧度就会被放松,在这种交变负荷的作用下,还有塔筒产生的振动,这些因素都很容易让螺栓产生松动。当有一个螺栓出现松动以后,就会有第二个、第三个,……不断的出现松动就会使塔筒法兰连接螺栓的受力发生变化,会越来越不均匀,法兰连接的紧密程度遭到破坏,塔筒摇摆和振动的情况会更加严重,会进一步加快螺栓的松动,当松动螺栓达到一定数量时,没有松动螺栓的受力会进一步加大,并且由于螺栓松紧的程度不一样,每个螺栓受力的大小也不一样。
当遇到大风时,紧的螺栓会先被拉断,逐步扩大到其它的螺栓。从断螺栓掉在平台上的情况就可以判断出螺栓的拉断不是一次性形成的,如果是一次性拉断的,断螺栓应该是有规律、比较整齐掉落在法兰的下方。而从现场看是无规律的,并且有的断螺栓离塔壁比较远,说明螺栓不是一次性拉断的,先拉断的螺栓经过较长时间的振动,变得杂乱无章,有的经过振动离法兰孔掉落的地方比较远。
当法兰的螺栓有1/3被拉断以后,法兰的连接平衡状态被破坏,法兰成了局部受力状态,法兰的强度是有限的,很难抵抗塔筒风载巨大的弯曲扭矩,法兰必然会被拉断。从事故的图片我们也能分析到这种情况,风电机的倒塌是从塔筒的第一节和第二节的连接处断裂,在这个部位的法兰受力是最大的。法兰上有1/3的螺栓被全部拉断,而被拉断的螺栓全部位于风电机的迎风面,因为风电机迎风方向的塔筒螺栓受到强大拉力的作用。由于有1/3的螺栓被拉断,螺栓被拉断必然会造成塔筒的倾斜,塔筒法兰已经承受不了倒塌的弯曲力矩,法兰的截面积比较小,与2/3的法兰连接螺栓相比强度很弱,法兰肯定会首先被拉断,并从塔筒上撕裂下来,这2/3的法兰还留在第一节塔筒上,有1/3的法兰倒塌后还连接在第二节塔筒上,第一节以上的风电机带塔筒就掉下来平铺在地上。
从事故的报告我们得到的教训是风电机塔筒虽然是静止状态,但由于会产生振动和摆动,并且运行环境非常恶劣,受力非常巨大,我们不能用平常的静止状态的连接方式来处理连接问题。