风机塔筒螺栓防松的机理现状及对策.ppt

风机塔筒螺栓防松的机理、现状及对策,同济大学 马人乐,1、螺栓连接的分类、特点及适用范围2、高强螺栓连接的受力机理3、高强螺栓连接的施工质量验收标准4、风机塔筒螺栓连接中常见的问题5、风机塔筒螺栓松动长期监测分级报警设备6、风机塔筒螺栓防松的有效措施7、预应力锚栓在基础中的应用,目录,1.1 分类及适用范围,1、螺栓连接的分类、特点及适用范围,普通螺栓,精制螺栓,粗制螺栓,适应性强，易松动，抗剪承载力较低,构件制造精度要求高，抗剪好,高强螺栓,承压型,摩擦型,适应性强，不松动，抗疲劳,适应性强，荷载标准值下一般不松动，滑动后承载力进一步提高,1.1 分类及适用范围钢结构三种常用连接组合的比较：,1、螺栓连接的分类、特点及适用范围,1.2 螺栓连接的特点1）便于现场作业、高空作业（对作业环境要求低）；2）无残余应力；3）施工速度快，用工省；4）不影响防腐蚀保护层；5）节点使用材料增加。,1、螺栓连接的分类、特点及适用范围,1.3 螺栓连接实践举例,1、螺栓连接的分类、特点及适用范围,黑龙江电视塔，高336米，高强度普通螺栓，双螺母及扣紧螺母防松,河南电视塔，高388米，高强螺栓直接张拉法,临沂电视塔，高326米，中心塔筒高强螺栓直接张拉法,1.4 高耸钢结构相关设计验收规范,1、螺栓连接的分类、特点及适用范围,2.1 受力机理右图中：1点为普通螺栓滑移开始点；2点为摩擦型高强螺栓最大受力点；3点为承压型高强螺栓最大受力点；为摩擦系数；P为预拉力值：,2、高强螺栓连接的受力机理,超张拉,材料抗力变异,复杂应力,2.2 承载能力单个摩擦型高强螺栓的抗剪承载力：单个摩擦型高强螺栓的抗拉承载力：表2.2 预拉力P（kN）承压型高强螺栓承载能力按现行规范等于普通螺栓承载力。螺栓五种破坏形式的对应措施:3种需验算：抗剪、净截面抗拉、局部承压；2种按构造处理：抗弯、连接板抗裂。,2、高强螺栓连接的受力机理,剪切面数,预拉力，见下表，单位KN,摩擦系数,钢结构工程施工质量验收规范对高强螺栓的检验包括如下方面：,3、高强螺栓连接的施工质量验收标准,（1）材质和强度；（2）摩擦系数（对抗剪螺栓）见下表：,钢结构工程施工质量验收规范对高强螺栓的检验包括如下方面：,3、高强螺栓连接的施工质量验收标准,（3）扭矩系数（对用扭矩法施工的高强螺栓）每组8套螺栓，标准偏差不大于0.010；半年之内有效。（4）终拧扭矩(下表，单位Nm)要求：扭矩大小偏差在10%以内；扭矩实施时间为24小时以内。,4.1 极少数螺栓在扭矩和拉力共同作用下的脆断问题1 原因：（1）拉扭共同作用引起复杂应力状态，材料易呈脆性；（2）大直径螺栓材料和热处理不均匀，特别当螺杆较长时（如锚栓）更易出现材质不稳定；（3）因法兰翘曲等原因使螺栓头或螺母与法兰表面接触不均匀而在螺杆内产生附加弯矩和应力集中。（4）螺栓质量问题（特别是螺栓头与螺杆连接处的缺陷）。,4、风机塔筒螺栓连接中常见的问题,4.1 极少数螺栓在扭矩和拉力共同作用下的脆断问题2 措施：（1）采用直接张拉法施加预拉力，减少复杂应力；（2）对大直径螺栓材质的均匀性更加关注；（3）减少法兰面翘曲。,4、风机塔筒螺栓连接中常见的问题,4.2 螺栓涂油后对扭矩系数和自锁能力的影响1 涂油可降低螺栓扭矩系数，减轻螺栓的复杂应力状态影响，优点是：（1）改善螺栓涂达克罗后扭矩系数提高对施工和验收的不利影响；（2）用较小的扭矩达到较大的预拉力；（3）扭矩减小后，螺栓拧断的概率大大降低。,4、风机塔筒螺栓连接中常见的问题,4.2 螺栓涂油后对扭矩系数和自锁能力的影响2 螺栓涂油对螺栓防松有负面影响：（1）机械自锁的原理：,4、风机塔筒螺栓连接中常见的问题,当压力P产生的沿斜面方向摩擦力PN大于压力P在斜面方向的向下分力Psin时，形成自锁。,4.2 螺栓涂油后对扭矩系数和自锁能力的影响2 螺栓涂油对螺栓防松有负面影响：（2）摩擦系数正常钢钢静摩擦系数：0.35涂油钢钢静摩擦系数：0.17涂油钢钢动摩擦系数：0.10,4、风机塔筒螺栓连接中常见的问题,4.2 螺栓涂油后对扭矩系数和自锁能力的影响2 螺栓涂油对螺栓防松有负面影响：（3）高强螺栓扭矩法施工受力分析,4、风机塔筒螺栓连接中常见的问题,图中：T：作用于螺母上的外力矩；T1：螺母内螺纹对螺栓螺纹的作用力矩；T2：螺母底面对被连接板表面的作用力矩；T3：螺栓头对被连接板表面作用的反向力矩。其中，T=T1+T2 T3=T1 T1及T3引起螺杆扭转,4.2 螺栓涂油后对扭矩系数和自锁能力的影响2 螺栓涂油对螺栓防松有负面影响：（3）高强螺栓扭矩法施工受力分析,4、风机塔筒螺栓连接中常见的问题,为预压力；为螺纹中心圆直径（公称直径）；为当量摩擦角，当涂油，动摩擦时，其中，为螺纹半夹角，即斜面角 为螺纹升角，平均值,4.2 螺栓涂油后对扭矩系数和自锁能力的影响2 螺栓涂油对螺栓防松有负面影响：（3）高强螺栓扭矩法施工受力分析,4、风机塔筒螺栓连接中常见的问题,其中，为螺母平面对边平均距离；为螺孔直径 为涂油，动摩擦系数 0.1 外扭矩由T1和T3共同引起螺杆内扭矩,4.3 高强螺栓在拉压交变力作用下的松动机理1 目前规范未对拉、压交变力作用下高强螺栓做规定。2 当螺栓连接受到压力，使螺杆拉力由P降为 阻止螺母松动的力矩为：促使螺栓松动的力矩为：,4、风机塔筒螺栓连接中常见的问题,4.3 高强螺栓在拉压交变力作用下的松动机理3 螺栓不松动的条件为：即 当 时，螺栓不松动即外力 时，螺栓不松动0.415P即41.5%的荷载设计值乘，即58.1%的荷载标准值,4、风机塔筒螺栓连接中常见的问题,4.3 高强螺栓在拉压交变力作用下的松动机理4 结论 在振动、涂油的条件下，用扭矩法施工的高强螺栓在58.1%的风荷载标准值作用下有可能松动。,4、风机塔筒螺栓连接中常见的问题,4.4 安装过程、延续时间对高强螺栓质量的影响1 塔式结构在安装过程中后加压力对前阶段施工的螺栓有减少预应力的作用。其中：（1）纯压力引起的预应力减少约占5%P以内；（2）由于法兰翘曲变形受压后改善引起的预应力损失要调查研究，目前的规范未反映这一问题。2 螺纹受力后发生蠕变，24小时后再拧扭矩系数变大，原则上仍按规定扭矩，得到的预拉力减小了。若要达到设计预拉力，则扭矩要加大，剪应力加大，对螺栓不利。,4、风机塔筒螺栓连接中常见的问题,4.5 高强螺栓松动后的修复标准问题1 原则上高强螺栓松动后应作为失效处理。2 高强螺栓在长期受力后螺纹蠕变严重，扭矩系数加大。若要达到预拉力设计值，扭矩要增大很多（可以按扭矩系数试验得出具体值）。3 对原有高强螺栓再拧紧使用有两种结果：（1）若用规定的扭矩拧紧，则预拉力减小，以后更易于松动；（2）若重新做实验，按统计得到新的扭矩系数确定扭矩，则设计预拉力可以达到，但剪应力会增大很多，螺栓更易破坏。,4、风机塔筒螺栓连接中常见的问题,4.6 高强螺栓松动后对法兰及螺栓受力的影响1 高强螺栓松动之前法兰面不脱开（预拉力为设计拉力的1.25倍）（1）连接受拉时，法兰板压应力减少，螺栓拉应力基本不变（拉力增大在5%以内）。（2）连接受压时，螺栓拉应力减少，法兰压应力基本不变。,4、风机塔筒螺栓连接中常见的问题,4.6 高强螺栓松动后对法兰及螺栓受力的影响2 高强螺栓一旦预拉力不足，法兰接触面分开造成影响：（1）法兰连接刚度突然变小；（2）法兰受力改变为“柔性法兰”；,4、风机塔筒螺栓连接中常见的问题,受力简图如右，法兰板内边缘成为支点，筒壁受拉使螺栓受力乘，一般相当于2倍。且由于孔小而长，螺杆往往还受弯，这在破坏实例中也很明显，所以螺栓松动后受力条件恶化。,4.6 高强螺栓松动后对法兰及螺栓受力的影响2 高强螺栓一旦预拉力不足，法兰接触面分开造成影响：（3）局部螺栓松动后法兰连接平面形状有圆环形变成开孔环形，开口边缘处应力集中严重，不是螺栓拉断则是筒身法兰连接处板的热影响区被撕裂。,4、风机塔筒螺栓连接中常见的问题,热影响区撕裂,4、风机塔筒螺栓连接中常见的问题,螺栓断裂,螺栓弯曲,螺栓断裂区,热影响区撕裂区,5.1 长期监测是杜绝因螺栓松动发生事故的经济而有效的方法：1 投资约为总造价的0.1%而确保安全；2 有目标的检修可以减少维修投入；3 确切的信息可延长全面检修的周期。,5、风机塔筒螺栓松动长期监测分级报警设备,5.2 螺栓松动长期监测分级报警系统示意图,5、风机塔筒螺栓松动长期监测分级报警设备,1、一层法兰处沿圆周均布4个螺栓防松报警器。,2、每层4个报警器按其布置方向（东南西北）编号为E、S、W及N。,3、每个风机塔筒自下而上有4个法兰，依次编号为1、2、3及4。,4、一个风机塔筒上的螺栓防松报警器可以唯一的由法兰编号及报警器编号表示。5、一个风机塔筒上所有螺栓防松报警器可以采用一个电源；同时信号可以传输至总控制中心。,N,W,S,E,显示屏处可设置一大表盘和一小表盘。大表盘显示风塔号；小表盘显示某风塔中螺栓情况。,5、风机塔筒螺栓松动长期监测分级报警设备,1、整个风场风机塔筒法兰螺栓的监测方法如下：（1）扫视大表盘，看有无亮灯按钮。（2）先查亮红灯的按钮，按下按钮，小表盘启用，可以明确表示出第几层法兰的什么方位的螺栓松动到什么程度。（3）再查亮白灯的按钮，方法同上。2、在控制中心处可按如下方式打印出具体是哪个风塔的第几层法兰处哪个方向的螺栓的松动情况：,5、风机塔筒螺栓松动长期监测分级报警设备,5、风机塔筒螺栓松动长期监测分级报警设备,1、螺栓正常使用状态下整个电路不构成回路，两个指示灯（红、白）均不亮。2、发生以下情况后整个电路构成回路，指示灯亮：a、螺栓发生10%预拉力松弛，螺母发生转动带动弧形黄铜板发生位移，与4铜杆相接触，警示灯A（白灯）亮。b、螺母继续发生转动，弧形黄铜板与4铜杆脱离，螺栓发生50%预拉力松弛后弧形黄铜板发生位移，与4“L”型铜杆接触，警示灯B（红灯）亮。,5、风机塔筒螺栓松动长期监测分级报警设备,6.1 消除扭矩对螺栓松动的不利影响：直接张拉法施工拉压交变型高强螺栓1 液压双向张拉器原理介绍：动画演示,6、风机塔筒螺栓防松的有效措施,2 直接张拉法的施工流程,6、风机塔筒螺栓防松的有效措施,穿螺栓，套入螺母,用电动扳手初步拧紧螺母拧紧力矩为终拧扭矩的1/3,四角对称张拉螺栓,3 直接张拉法的动力设备,6、风机塔筒螺栓防松的有效措施,（地面）空气压缩机,（法兰对应平台上）气压、液压转换器,（法兰上）双缸液压张拉器,气管输送,油压管路,4 实测结果（1）乌兰伊力更风场对运行一年后的螺栓作随机检测（甲方、金风、施工三方）：60个螺栓中59个拉力值在设计预拉力的90%以上；1个锚栓拉力值在设计预拉力的85%90%之间。（2）调兵山风场对运行两年半的法兰螺栓作三方检测：66座塔中仅两座风塔的四个反向平衡法兰（直接张拉法施工）的所有螺栓未见松动，其它风机法兰均有30%50%的螺栓松动。,6、风机塔筒螺栓防松的有效措施,6.2 增加法兰的弹性变形能力，储存更多的弹性应变能：反向平衡法兰1 反向平衡法兰简介,6、风机塔筒螺栓防松的有效措施,“反向”的法兰板和加劲板在塔筒内侧向心设置的“平衡面”。加劲板在前、法兰板在后，不增厚法兰板仅增高加劲板即可增加法兰刚度；高加劲板使螺栓增长有利于精确施加螺栓预拉力并有利于防松；通过调整法兰的尺寸，使加劲板“平衡面“所受压力在焊缝A处产生的弯矩与螺栓预拉力在焊缝A处产生的弯矩平衡，从而使焊缝A受弯矩减小，减小加劲板的尺寸。,6.2 增加法兰的弹性变形能力，储存更多的弹性应变能：反向平衡法兰1 反向平衡法兰简介,6、风机塔筒螺栓防松的有效措施,优点：螺栓直径小，长度适当，可精确控 制预拉力值从而达到抗疲劳和免维护功能（功能比厚型锻铸法兰提高）；螺栓操作间距不受加劲板影响，螺栓布置细密紧凑，法兰板减薄；减小钢材30%以上，同时降低法兰部分每吨成品单价30%；端铣加工面减少；对管壁无不利作用,2 反向平衡法兰的极限承载力试验和疲劳试验（1）承载力试验,6、风机塔筒螺栓防松的有效措施,加载到1.52倍设计荷载时，钢管局部屈曲先于法兰节点破坏。,塔筒局部屈曲（反向平衡法兰未破坏,6.2 增加法兰的弹性变形能力，储存更多的弹性应变能：反向平衡法兰,2 反向平衡法兰的极限承载力试验和疲劳试验（2）疲劳试验,6、风机塔筒螺栓防松的有效措施,施加弯扭疲劳荷载1000万次（疲劳荷载为弯、扭复合力），试件未发生疲劳破坏，反向平衡法兰抗疲劳荷载作用性能得到验证。,6.2 增加法兰的弹性变形能力，储存更多的弹性应变能：反向平衡法兰,2 反向平衡法兰的极限承载力试验和疲劳试验（3）现场实测,6、风机塔筒螺栓防松的有效措施,现场实测表明法兰板、螺栓、焊缝受力合理，符合设计原理及规范要求。,应变实测,振动特性实测,6.2 增加法兰的弹性变形能力，储存更多的弹性应变能：反向平衡法兰,3 反向平衡法兰螺栓直接张拉法施工,6、风机塔筒螺栓防松的有效措施,中段反向平衡法兰对接,直接张拉螺栓,6.2 增加法兰的弹性变形能力，储存更多的弹性应变能：反向平衡法兰,4 反向平衡法兰优越的弹性变形能力可以使其在螺栓加预应力时吸收更多的弹性应变能，从而达到很好的防松效果。5 反向平衡法兰螺栓长度几乎增加一倍，防松更好。,6、风机塔筒螺栓防松的有效措施,6.2 增加法兰的弹性变形能力，储存更多的弹性应变能：反向平衡法兰,7、预应力锚栓在基础中的应用,7.1 在北方等土质较好地区采用梁板式预应力锚栓基础,特点：梁板式；中心区域垫软质材料，边缘受压；预应力锚栓,7、预应力锚栓在基础中的应用,7.1 在北方等土质较好地区采用梁板式预应力锚栓基础用预应力锚栓与塔筒连接，代替塔筒埋入做法。,塔筒埋入式基础被风连根切断,预应力锚栓,7、预应力锚栓在基础中的应用,7.1 在北方等土质较好地区采用梁板式预应力锚栓基础,受力特点：,锚栓直接穿入基础底板；对锚栓施加预拉力；锚栓通过上、下锚板对混凝土施加压力，基础受弯时，混凝土压力放松，但始终保持受压，不会出现裂缝；基础柱墩中竖向钢筋几乎不受力，仅按预应力钢筋混凝土中必须要配非预应力钢筋的构造要求配置；钢筋和锚栓互相交叉架设很方便；基础整体性好。,用液压直接张拉法施加预拉力,锚栓受简单拉力，应力状态简单，强度可提高20%，韧性好；施工简单；精确度高，预拉力可控制在3%以内。,7、预应力锚栓在基础中的应用,7.2 经济性对比,经济性对比（以内蒙古京能乌兰伊力更风电场101座风电塔为例，新旧基础单座风电塔材料用量如下表）,7、预应力锚栓在基础中的应用,7.3 施工实践,梁板式预应力锚栓基础施工：,梁板式基础施工,7、预应力锚栓在基础中的应用,7.3 施工实践,梁板式预应力锚栓基础施工,预应力锚栓施工,谢 谢,