绿色行业工作业绩--钱洪斌

 

 

 

 

绿色行业工作业绩

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

钱洪斌

金海新能源科技股份有限公司

 

 

绿色行业工作业绩

本人钱洪斌，现中国三峡集团下属子公司，金海新能源科技股份有限公司，部门负责人，1991年7月参加工作。自2007年开始进入风电行业，我司在和同济大学高耸结构马人乐教授一起共同研发，我司的反向平衡法兰，及预应力锚栓组合件，本人参与研发的全过程，始终坚持“以人为本、遵纪守法、节能降耗、预防污染、持续改进、造福人类”的绿色发展模式，不断提升管理理念，推进设计最新方案，取得经济效益的同时，保护当地生态促进人与自然和谐发展。        

风力发电塔反向平衡法兰及预应力锚栓基础

 

一． 风电结构典型破坏案例及分析

图1为常见的风力发电塔及基础，是典型的静定结构。目前风力发电塔塔筒法兰多为锻造法兰，其螺栓紧固采用扭矩法拧紧。拧紧螺栓时，向紧固件输入能量，撤去拧紧力矩后螺旋副的自锁作用和螺母、螺栓头支承面与法兰板接触表面上的摩擦力可避免螺母的回弹。法兰是基础和塔筒、各段塔筒之间唯一的连接部件，其重要性不言而喻。目前我国风力发电塔基础形式较单一，多为板式扩展基础，基础与塔筒连接多采用基础环；基础大小随发电机组功率变化而改变，但基础形式基本不变。

 

图1 风力发电塔

锻造法兰螺栓为了防腐要求涂达克罗，涂达克罗之后扭矩系数大大增加，这就造成螺栓紧固时需施加比较大的扭矩，施工难度大大增加。因此，锻造法兰螺栓均要求涂二硫化钼润滑以降低扭矩系数，减小施工难度。但涂二硫化钼润滑后螺纹摩擦系数减小，螺栓自锁能力也降低了。此外，锻造法兰螺栓采用扭矩法施加预拉力，螺杆内必然存在比较大的反弹扭矩。

在随机风荷载作用下，法兰螺栓承受拉、压循环作用。背风面法兰受压，螺栓预拉力减小，螺纹表面上压力减小，这就引起阻止螺栓松动的摩擦力矩小于螺杆内的反弹扭矩。

以上内外因共同作用，导致锻造法兰螺栓松动成为必然。因此，目前主机厂家普遍要求每3-6个月检查维护一次，发现螺栓松动了，就要求拧紧。但是这并不解决根本问题，也留下安全隐患。锻造法兰螺栓松动后，恶化法兰的受力、降低结构承载力甚至引发严重的结构安全事故，图2和图3。

 

图3 基础环处截断

2006年8月10日的桑美台风中，浙江温州鹤顶山风电场28台机组全部受损，其中2台刚完成吊装的750kW风机在基础环下方截断，图3；2007年1月11日，日本本州岛Higashidori风电场一台风机因基础钢筋拔出导致风机整体倒塌，图4； 2009年12月27日，纽约Finner风电场一台GE1.5MW风机因基础环下方截断导致风机整体倒塌，图5。图6和图7为某风场出现的基础环事故，该风场2010年建成验收发电，2013年发现基础大量出现问题，其中最严重的4台基础环在基础中晃动，还有19台也有不同程度的类似破坏。经检测，基础混凝土满足设计要求的强度C35，局部达到C40。

基础在基础环以下、底板以上区段内竖向钢筋要承受全部外力，混凝土对钢筋的锚固不足，则易发生图4所示破坏。

基础发生图3和图5-7所示的破坏是因为：基础在基础环以下、底板以上区段内竖向钢筋要承受全部外力，基础环已不起作用，此处为强度薄弱环节；在基础环范围内，基础刚度很大，不产生裂缝，所有因转角产生的裂缝集中在基础环和底板之间，裂缝宽度增大，此处为基础刚度薄弱环节；基础薄弱环节裂缝集中、荷载长期作用下不断发展，使钢筋易于锈蚀；特别是在寒冷地区，裂缝的开展使水易于进入并产生冻融循环作用，恶化混凝土的耐久性。此外，基础环基础还存在以下问题：基础上部钢筋穿入基础环不便利，基础整体性差；在基础环区段内钢筋重复布置，经济性差。

 

基础环埋入深度小，塔筒直径4.3m左右的1.5MW-3.0MW风机基础环埋入深度1.2m-1.4m不等，远小于《钢结构设计规范GB50017-2003》第8.4.15条要求的，插入式柱脚插入最小深度为1.5d（d为钢管柱/塔筒直径）。

基础环基础为非预应力结构，却要承受上部结构传来的疲劳荷载作用。混凝土抗拉承载力小、抗疲劳荷载作用性能差，如需承受疲劳荷载应施加预应力，如公路和铁路预应力混凝土桥梁等。

基础环埋入深度浅，基础环下法兰处应力集中严重，正常运行载荷作用下，混凝土即发生开裂，随机风荷载作用下，反复受力后混凝土产生疲劳破坏。

因此，基础环基础出现图7所示破坏带有一定必然性。目前，山东、广西、福建、贵州、山西等多个风场的基础环基础均暴露出此问题。

此外，基础环基础混凝土浇筑后，由于混凝土收缩，混凝土和基础环之间产生收缩缝隙；基础环受力后，与混凝土之间缝隙进一步增大。对于北方地区和南方高山地区，水分进入缝隙结冰后形成冻胀作用，进而恶化钢筋混凝土对基础环的锚固作用。

锻造法兰接触面为宽度较大的机加面，但受机加精度、倒运运输、与塔筒焊接等变形影响，法兰面接触状态往往难以保证理想的内外均匀接触。锻造法兰变形后，法兰面仅仅内边缘接触时，安装人员处于塔筒内部无法检验并处理外边缘的开口状态，图8。这就造成法兰受力与计算假定不符，大大增大了法兰螺栓的应力幅，降低其疲劳寿命，图9。

 

 

图8 锻造法兰可能出现的接触状态

 

图9 法兰接触状态影响螺栓疲劳寿命

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

二． 反向平衡法兰及预应力锚栓基础

传统塔架多采用锻造法兰连接各段塔架，用基础环连接塔架和基础，见图10。

采用反向平衡法兰连接各段塔架，采用预应力锚栓连接塔架和基础，见图11。

                 

        图10 传统塔架                           图11 新型塔架

 

图12 传统塔架基础环与基础连接细节

 

 

图13 新型塔架预应力锚栓组合件与基础连接细节

 

 

图14 反向平衡法兰

与普通法兰不同，反向平衡法兰加劲板在前、法兰板在后，因此不增厚法兰板仅增高加劲板即可增加法兰刚度，同时，增高加劲板使螺栓增长有利于精确施加螺栓预拉力，减小疲劳应力幅。通过调整法兰的尺寸，使加劲板“平衡面”所受压力在焊缝A（加劲板与筒壁焊缝）处产生的弯矩与螺栓预拉力在焊缝A处产生的弯矩平衡，从而减小焊缝A所受弯矩，减小加劲板的尺寸，图14。

反向平衡法兰接触面分为筒壁顶紧面和加劲板平衡面，接触面明确、恒定，且易于检查、处理接触状态，因此更容易确保受力状态与计算原理吻合，图15。

 

图15 反向平衡法兰接触面及受力原理

 

 

 

图16 预应力锚栓组合件

预应力锚栓组合件用于风机塔架与基础间的连接，由传统的基础环改为预应力锚栓，基础整体性好，无薄弱环节，在保证塔架与基础的刚性连接的同时减少钢塔架埋入基础部分的用钢量，同时也简化了这部分的施工，比传统板式基础增强了安全性。另外，本产品灵活性大，可根据风电场不同地质及风区类别，选用合适的基础结构形式，达到减少砼用量、节约社会资源的目的，图16。

采用预应力锚栓连接塔筒和基础，锚栓与混凝土用PVC套管隔离并施加预拉力（后张法无粘结预应力结构），锚栓预拉力作用下，混凝土只受压因此不存在疲劳问题，也避免了基础环基础常见的冻胀作用。

预应力锚栓基础采用预应力锚栓连接塔筒与基础，连接处受力改善，基础形式更加灵活，可根据不同的地质条件设计不同的基础形式，如梁板式预应力锚栓基础、板式预应力锚栓基础、地基处理结合预应力锚栓扩展基础、预应力扩底岩石锚杆基础、扩底桩基础、软土地基预制预应力圆筒基础（PPC基础）、硬土地基反转模板预应力圆筒基础（RPC基础）、软土基础钢筒基础等。

 

图17 梁板式预应力锚栓基础

大功率风力发电塔基础需承受较大的弯矩，基础范围往往较大，因而悬挑长度大，经济性差。对硬土地基，采用梁板基础代替板式扩展基础，梁的中间交叉范围形成与塔筒对接区域，图17。

风力发电塔基础往往承受较大弯矩和较小压力，而独立扩展基础抗压能力有余、抗弯效率不高，基础边缘与地基脱开往往起控制作用。因此在基础底板中心垫圆形聚苯乙烯板，减小并优化环形基础底板与地基接触面，提高了基础抗倾覆承载力，图18。

 

图18 板式预应力锚栓基础

硬土地基板式预应力锚栓基础结合了锚栓基础和板式扩展施工较方便的特点，在基础底板中心垫圆形聚苯乙烯板，减小并优化环形基础底板与地基接触面，提高了基础抗倾覆承载力。但由于大功率风机基础范围往往较大，悬挑长度大，因此经济性较差。

 

图19 地基处理结合预应力锚栓扩展基础

对于某些风场存在较薄软弱地基土（如压缩性高、强度低地基土、湿陷性黄土等），无法承受上部结构荷载时，可对基础持力层采用加固处理（如水泥土搅拌桩法、强夯法、换土法、预压法、灰土挤密法等），加强后的地基土可作为预应力锚栓扩展基础持力层。此基础方案与常规的桩基方案相比，不但节约工程造价，也大大缩短施工周期，图19。

 

图20 预应力扩底岩石锚杆基础

对微风化、中风化等整体性好的硬质岩石地基，采用岩石锚杆基础，锚杆底部采用菱形扩大头，并对锚栓施加预拉力。把锚杆与岩石之间不够稳定的握裹力变成稳定的抗压承载力，使锚杆适于承受风机的疲劳振动荷载，充分利用岩体协助基础抗弯矩，岩石开挖量少，对山体自然环境破坏小，基础工程量和造价大幅度减小，图20。

 

 

 

图21 扩底桩基础

湿陷性黄土是一种非饱和的欠压密土，具有大孔和垂直节理，在天然湿度下，其压缩性较低，强度较高，但遇水浸湿时，土的强度显著降低，在附加压力或在附加压力与土的自重压力下引起的湿陷变形，是一种下沉量大、下沉速度快的失稳性变形，对建筑物危害大。

我国湿陷性黄土主要分布在山西、陕西、甘肃的大部分地区，河南西部和宁夏、青海、河北的部分地区，此外，新疆、内蒙古、山东、辽宁、黑龙江等局部地区亦分布有湿陷性黄土。以上地区是我国的风能资源丰富、风电场主要集中的地区。

结合结构重要性、地基受水浸湿可能性大小和在使用期间对不均匀沉降限制的严格程度，风机基础属于乙类。根据规范，在湿陷性黄土场地，当采用地基处理措施不能满足设计要求、对整体倾斜有严格限制的高耸结构、对不均匀沉降有严格限制的建筑和设备基础、主要承受水平荷载和上拔力的基础中任何一条就应采用桩基础。风力发电塔系主要承受水平荷载、且对整体倾斜限制较严格，对于地基处理措施不能满足设计要求的场地，应采用桩基础，且桩端必须穿透湿陷性黄土层。

湿陷性黄土场地风机基础，设计采用扩底桩基础，桩端穿透湿陷性黄土层，支承在压缩性较低的非湿陷土层 ，桩端扩底，提高单桩承载力，节约桩的数量和长度。基桩旋挖成桩，作业效率高，单台基础24小时可完成成孔、放钢筋笼、浇筑基桩混凝土，图21。

湿陷性黄土场地扩底桩基础方案工程量较小、投资较少、施工简便、质量易保证、安全可靠。扩底桩基础也适用于持力层为较厚软弱土层的风机。

 

三． 方案比较

3.1 技术优势

采用反向平衡法兰连接各段塔架具有以下优势：

(a) 反向平衡法兰的核心价值：免维护，减少倒塔隐患，为甲方节省长期维护费。首台运行14年，未发现螺栓松动。

(b) 成本比老法兰减少；

(c) 用钢量略省；

(d) 制造工序简化、节能。

采用预应力锚栓组合件连接塔架和基础具有以下优势：

(a) 克服了基础环基础的强度、刚度突变，易于造成脆性破坏的缺点。

(b) 使混凝土一直处于受压状态，不开裂，提高结构耐久性。

(c) 基础钢筋与锚栓相互穿插，提高基础的整体性。

(d) 将单件重量较大的基础环改为可以分件组装的锚栓后，单件重量显著减小，在基础施工阶段仅用较小吊车即可，节约施工机具费。

(e) 配套施工措施可精确调整锚栓组合件的水平度和垂直度。

(f) 用直接张拉法对锚栓施加预拉力，避免锚栓在拉、扭复合应力状态下的脆性折断，提高锚栓的强度，基础安全性得到提高。

(g) 锚栓组合件采购周期短、工艺简单，可比基础环提前一个月到达施工现场，为基础施工争取了大量时间。

(h) 混凝土浇筑后上锚板可调节水平度后再灌浆，确保基础顶面的水平度，避免了基础环基础常见的混凝土浇筑后基础环顶面水平度超差难以处理的问题。

反向平衡法兰、预应力锚栓基础由同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司设计，并进行设计投保。预应力锚栓基础通过了中国水利水电科学研究院设计复审。反向平衡法兰通过了土木工程国家重点实验室的极限强度试验和1000万次疲劳强度试验。反向平衡法兰的设计、试验、制造、实测，通过了北京鉴衡认证中心和中国船级社认证，并取得了风力发电机组部件产品认证证书和专利证书。反向平衡法兰于2010年获得国家重点新产品证书。反向平衡法兰和预应力锚栓基础均获得2013年度电力建设科学技术成果一等奖，是风电行业仅有的两个一等奖。

截止到2020年底，反向平衡法兰和预应力锚栓基础已成功推广应用于23000余台风机，涉及金风、华锐、东汽、联合动力、明阳、上海电气、运达、恩德、湘电、三一、天威、中科、华创、重庆海装、新誉、北京京城新能源（原北重）、锋电等十余个风电主机厂的750kW、1500kW、2000kW、2500kW、3000kW、5000kW、6000kW等系列机型。为国家节约大量资源，也为风电投资方节约大量投资。

此外，这些技术也成功推广应用于河南塔、淮安塔、大庆观光塔等广播电视塔及航道导标、转动天线等其他高耸结构。

 

3.2 经济优势

预应力锚栓基础&反向平衡法兰与传统基础&锻造法兰相比，将大大降低直接成本，间接成本（尤其是维护成本）更是大幅降低。

（1） 直接成本比较

典型机型（明阳MY89-SL1500-80、华创HRD103-2000、金风JF106-2500-80m）采用反向平衡法兰塔架&预应力锚栓基础与锻造法兰塔架&板式基础环基础经济性对比见表1-6。对比表中各分项综合单价为估算，具体项目的经济性对比，应根据该项目的机型、招标确定的项目各分项实际单价最终确定。

对比可见，采用新型结构三个机型每台分别节约16.96万、23.69万、24.47万，经济优势显著，且风机功率越大，载荷越大，经济性将更加突出。

（2） 间接维护成本对比

目前，风电业普遍要求每6个月对锻造法兰螺栓进行检查紧固处理，一个风场（以25台风机为例）每次维护费用估算如下：综合人工费（检测紧固螺栓需花4人*1天*300元/天/人*25台=30000元）；其他费用（4人*25天*200元/天/人=20000元）。因此，采用铸造法兰，一个风场因对螺栓紧固处理而额外增加的费用约为50000元/半年，换算为一年所需费用即为100000元。

由于避免了螺栓松动导致塔筒连接法兰损坏出现的风机倒塌事故，其间接成本的降低就更是无法估量。

 

 

表1 明阳MY89-SL1500-80 新型塔架和基础经济性分析汇总表

项目、构件名称		锻造法兰\板式基础环基础		反向平衡法兰\梁板式预应力锚栓基础		差额	节约率(%)
		数量	合价	数量	合价
			（万元）		（万元）	（万元）
一	塔架	140.3738	126.6448	138.1109	123.3970	3.2478	2.56
-1	塔架筒身结构（不含法兰）	132.5101	112.6336	129.8978	110.4132	2.2204	1.97
-2	法兰	7.8637	11.0092	8.2131	11.1118	-0.1026	-0.93
-3	螺栓		3.0020		1.8720	1.1300	37.64
二	基础		65.5956		51.8800	13.7156	20.91
三	合计		192.2404		175.2770	16.9634	8.82

 

表2 明阳MY89-SL1500-80 新型塔架和基础经济性分析明细表

项目、构件名称		单位	锻造法兰\板式基础环基础			反向平衡法兰\梁板式预应力锚栓基础
			数量	综合单价	合价	数量	综合单价	合价
					（万元）			（万元）
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