现役风力发电塔架结构健康评估的基础研究

我国是风电第一大国，风电塔结构健康状况评估和有效的防灾措施是保障我国风电产业可持续发展的重要课题。自然基金项目《现役风力发电塔架结构健康评估的基础研究》（51208382）的研究人员项目执行期间通过协同攻坚，完成以下工作：（1）对在役塔架结构进行了现场测试，获得了风电塔在现实环境下的振动特点，发展了风电塔振动参数识别方法；（2）根据风力发电塔现场测试的需要，发展了基于激光的结构非接触性测试手段，研究了基于无线检波器的场地土勘察的面波方法；（3）发展了基于实测信息的风力发电塔建模和模型修正方法，并在此基础上实现了结构健康抗震评估；（4）拓展研究了风电塔振动控制的被动方法，发展了一种新型的被动控制装置；（5）对风力发电塔所涉及的其他防灾问题进行了初步探讨，为未来课题的深入持续开展指明了方向。研究课题组选取一座65m高1.5 MW的现役风力发电塔为研究对象，先后6次赴现场进行振动测试，获得了大量的风电塔振动的一手数据，并发展了可以用于白噪和谐频混叠信号的分析方法，可以对不同运转状态下风电塔的振动参数进行识别。课题组结合调谐液体阻尼器（TLD）和颗粒阻尼器（PD），发展了一种新型被动减振装置（TL-PD），并通过试验论证了新型减振装置较好的鲁棒性。利用课题，共培养毕业硕士毕业生4人，课题组成员参加各类会议交流18人次，发表会议及期刊论文共26篇，其中SCI检索5篇、EI检索8篇。课题负责人以访问客座研究人员身份（Western Fellow）在加拿大西安大略大学合作研究1次，课题责任人还获得2013年度国际试验力学协会Harting Award以及2013年度上海市浦江人才计划。课题所发展的白噪和谐频混叠信号的分析方法是风电塔基于动力特性的健康监测的基础，而课题所提出的新型减振装置TL-PD则为是风电塔振动控制一种新型的技术措施。通过该项目研究，揭示了现役风电塔在实际环境中的振动特点，发展了风电塔抗震评估的方法，并指出了风电防灾方向还需解决的问题。课题的研究成果，对于增加风电塔维护的科技含量进而提高我国风能基础设施的防灾能力具有重要意义。 2100433B

世界许多国家都在致力发展新能源技术，我国现有风电装机总量世界第一。年轻的风电工业开始暴露出工程安全问题，而作为主要支撑结构的风电塔架，其准确的结构健康状况评估和有效的防灾措施是涵待研究的课题。本项目旨在此范畴内进行前期基础性探索工作，研究内容包括：现役风电塔架结构特点及其在现实环境下振动机理、基于目标的风塔数值建模及模型确认技术、塔架结构健康评价方法。项目将借助激光遥感、无线传感器等新型试验手段，开展大量现场实测工作；结合实测分析、理论研究、数值模拟、模型试验，深入讨论风电塔低阻尼、振动耦合、土-结构相互作用等复杂物理现象，揭示风力发电塔架结构的破坏特征，研究风电塔架结构损伤识别方法。通过本课题，为深入开展旨在发展智能风电塔体系的健康监测系统及其控制技术的研究作积累。

本书为日本土木学会所编风力发电设备塔架结构设计指南及解说。主要讲述风力发电设备塔架结构的设计流程、设计风速的评估、风荷载的评估、地震作用的评估、其他荷载 、塔架结构的计算、锚固部分的结构计算、基础的结构计算、根据指南设计的实例、数值计算分析实例、相关法律以及法规、参考资料等。本书对我国风力发电设备塔架结构的设计具有较强的指导和借鉴意义。

风力发电塔架结构制作施工工法适用范围

《风力发电塔架结构制作施工工法》适用于风力发电塔架的制作安装施工。

风力发电塔架结构制作施工工法工艺原理

《风力发电塔架结构制作施工工法》的工艺原理叙述如下：

1.风机结构简介

风力发电机主要包含三部分：叶轮、机舱和塔架。大型与电网接驳的风力发电机的最常见的结构，是横轴式三叶片风轮，并安装在直立管状塔架上。叶轮及机舱由中国之外或中国国内专业的生产企业制造，塔架主要由中国国内生产企业制造。

塔架是风力发电机的支撑机构，是连接风机的重要部件，它承受了风力作用在叶轮上的推力、扭矩、弯矩、陀螺力矩、电机齿箱的振动及受力变化时的摆动等动载荷，建设风力发电机地区的环境温度低温可达-40℃左右，高温可达50℃左右。由于风的不可控性、随机性，有时瞬时变化可达70米/秒以上，对塔架造成的瞬时冲击载荷很大。

此外风力发电机对其机舱仰角的要求较高，上下偏差范围很小，例如VESTAS 600千瓦风力发电机机舱（机加工要求）仰角为5°±24‘。塔架的直线度、同轴度等对机舱的仰角影响很大。因此设计单位对塔架的材料、焊接工艺以及尺寸、形位公差提出了严格要求。

截至2009年，风力发电机主要采用管塔式塔架形式，这种类型的塔架用钢板卷制焊接而成，形成上小下大的圆锥管，总高度一般为50~100米之间，直径大约在3~5米左右，内部装设爬梯、电缆等直通机舱。考虑运输因素将塔架分为基础环、下段塔筒、（中段塔筒）、上段塔筒。各段塔筒端部焊接法兰，安装时用高强螺栓将各段连接在一起，其结构紧凑安全可靠、维护方便，外形美观。

2.工艺制作原理

塔架主要是由钢板卷制焊接而成的圆锥管，为了保证塔架及其端部法兰的制作精度，提高施工质量与效率，采用无间隙组对原理进行制作。从塔架钢板下料工序开始便采取一系列措施进行严格控制，保证钢板的下料精度，为后道工序打下了坚实的基础。在卷制、组对、焊接等环节进一步采取有技术先进性的措施进行施工，边施工边检测，把每道工序的精度误差都控制在设计要求的范围之内，使最后形成的塔架产品各方面均能达到设计要求。

将制作合格的各段塔架运输到安装位置后依次吊装，由于塔架的制作精度得到了保证，所以采用高强螺栓将各段塔架连接紧固后即可达到设计的安装精度要求，无须进行调整。最后吊装机舱和叶轮，从而完成风机的整体安装。

风力发电塔架结构制作施工工法施工工艺

• 工艺流程

《风力发电塔架结构制作施工工法》的工艺流程是：

原材料进场检验→板材切割→筒节卷制→筒节纵缝焊接→筒节与法兰组焊→塔架环缝组焊→塔架附件连接件组焊→成品件检验→成品件喷砂、涂装→塔架附件组装→包装出厂→运输到塔架安装位置→塔架、机舱、叶轮吊装→风机调试运行→竣工。

• 操作要点

《风力发电塔架结构制作施工工法》的操作要点如下：

一、原材料进场检验

1.原材料入厂后，必须对原材料（包括钢材、法兰、焊材、油漆、标准件等）进行详细的质量文件审查：要求有完整合格的产品出厂证明塔架筒体、法兰、门框材质必须具备质量证明书原件或加盖供材单位检验公章的有效复印件（钢厂注明“复印件无效”时等同于无质量证明书）。

2.原材料应按合同、技术文件及相关规范、标准进行检验与试验，并将检验和试验的结果做好记录。

1）筒体、门框、基础环钢板须按炉批号取样送交有资质第三方进行化学成分、力学性能复验，按照《低合金高强度结构钢》GB/T 1591、《素结构钢》GB/T 700、《厚度方向性能钢板》GB 5313进行验收，合格后方可使用。

2）锻造法兰的尺寸及形位公差等应按图纸及技术文件要求进行检验，并按锻造批次提供试样送交有资质第三方进行100%UT、化学成分、力学性能复验，按相关标准进行验收，合格后方可使用。

3）筒体、门框、基础环钢板及锻造法兰其他方面检验，按技术文件及合同要求进行。

4）焊接材料（焊条、焊丝、焊剂）的选用应与母材相匹配，其选用等级分别根据《碳钢、低合金钢及不锈钢焊条》JB/T 56102、《气体电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝产品质量分等》JB/T 50076、《碳素钢埋弧用焊剂产品质量分等》JB/T 5697的规定不得低于一等品，对焊接材料进行检验的要求按照技术文件的规定执行。

5）油漆及标准件的检验按技术文件及合同要求进行。

6）原材料的材质证明书、复检报告、检验、试验记录等文件，按合同要求向业主（或监理）报检，并在交货时一并提供。

3.所用原材料应按图纸及合同要求选用，发生材料代用时必须经塔架设计单位认可并办理代用手续，并须经业主和监理人员认可。

4.为了保证制作全程的可追溯性，每块钢板上必须标记有以下信息（不限于）：炉批号、件号、材质和质量等级等。

二、板材切割

1.根据施工图展开筒节，采用数控切割机进行切割，数控编程时对切割、刨边、机械加工、滚圆和焊接收缩等部位应预留加工余量；每个筒节内表面都应分4个心线，作为组对与检测基准线，并标出筒节号。

2.切割前钢板必须矫正，以保证切口平直。

3.基础环上的椭圆孔采用数控切割机切割，必须去除所有可见的凹槽和切痕，孔周围不得有任何缺口或者槽口。其余螺栓孔钻孔后必须将周边毛刺全部清理干净。

4.切割后切口上应无裂纹、夹层和大于1.0毫米的凹陷，并应清除边缘上熔渣和飞溅物等。

5.若在筒体上切割或打印标记，必须处理切口和切口旁边表面损坏和硬化的区域。

6.塔架基础环纵、环焊缝坡口采用刨边机加工，塔架筒体纵、环焊缝坡口采用经公司改进并取得国家专利的半自动切割机进行加工，塔架筒体板材不等厚处应按1:4加工过渡坡口。不允许手工切割或者手工开坡口。

7.切割允许偏差见表1。

8.边缘加工允许偏差见表2。

三、筒节卷制

1.筒节采用三辊卷板机进行卷制，用弦长不小于1500毫米的弧形样板反复检查，筒节的弧线与样板之间的间隙不得大于2毫米，以保证筒节的圆度。

2.检查合格后在坡口背面点焊牢固下胎，其对口错边量≤2毫米，对接焊缝局部间隙不应超过3毫米，以保证筒节的同轴度和上下口平行度。

四、筒节纵缝焊接

1.筒节卷制后吊运至焊接区地面上，使纵缝处于平焊位置，用半自动埋弧焊机按照焊接文件给定的焊接参数进行焊接。焊接前应检查筒体焊接接头对口错边量不大于2毫米。纵缝两端使用引弧板和引出板，其坡口形式与纵缝的坡口形式相同，长度为100毫米。纵缝里坡口焊接前应预留焊接反变形，使焊后外侧不发生苹果形凹陷。焊接时先焊里侧坡口，外侧用碳弧气刨清根后焊接。纵缝外侧采用悬臂埋弧焊机进行焊接。焊缝经外观检查、无损探伤检测合格后，检查纵缝处筒节的圆度，如有超差则应采用三辊卷板机对其进行溜圆。

2.在焊接塔架筒体时，要求制作筒体纵缝焊接试板，产品焊接试板的制备应符合《压力容器产品焊接试板的力学性能检测》JB 4744-2000标。产品焊接试板应按不同厚度、不同热处理、不同炉批号制作。低温塔筒产品试板要求做低温冲击试验。焊接试板每10台须选首台做产品焊接试板。焊接试板检验项目按《压力容器产品焊接试板的力学性能检测》JB 4744-2000中规定执行。如一块试板不合格，应加倍制作试板（即另选两台产品做试板）进行复验并做金相试验，如果仍不合格应逐台制作产品焊接试板。

五、筒节与法兰组焊

1.法兰与筒节组装时，筒节应立放在操平的平面上（与法兰连接的一端向上），并保持立放的筒节的圆度，以保证法兰组对的形位公差符合要求。由于筒节两端在下料和卷制过程中严格控制其同轴度、圆度及上下口平行度，故只需将法兰放在筒节上端，保证筒节和法兰对接时的错边、坡口间隙符合技术文件要求即可在焊缝外侧点焊牢固。应注意将筒节的纵缝放在两个法兰孔的中间。

2.法兰与筒节组装后放在专用焊接胎具上，用悬臂焊机进行焊缝内外侧焊接，内侧焊接完成后清根，进行外侧焊接。

3.焊接完成后焊缝经外观检查、无损探伤检测合格后与其他筒节组装。

六、塔架环缝组焊

1.筒节与筒节组装时，先将一个筒节（可为带法兰筒节）放在组对机的可调滚轮架上，再将与之连接的另一个筒节放在组对机的固定滚轮架上，按切割时所给的定位线定位，调动可调滚轮架的4个轮使筒节外侧的错边、坡口间隙符合要求然后在筒节坡口外侧点焊牢固。滑动可调滚轮架，再将另一个与之相连的筒节放在固定滚轮架上与之组对，依此类推直至完成此段筒体组装，并在筒体内侧相应位置打上标记。筒节与筒节对接均采用外侧对齐，筒节组装时纵缝应互相错开180°，其最大允许错边量dx≤2毫米，见图1。筒体组装完成后检查筒体的组装质量（即筒体两端面平行度和同轴度的检查）合格后方可进行环焊缝焊接。

2.塔体装配时应尽量避免强行组装以防止焊接时焊缝产生裂纹和内应力。

3.筒体环缝焊接采用半自动埋弧焊机在筒体内部对环缝内侧坡口进行焊接，焊接完成后在筒体外侧对环缝进行清根，清根后采用悬臂埋弧焊机焊接环缝外侧坡口。

4.焊缝经外观检查、无损探伤检测合格后组装塔架附件连接件。

七、塔架附件连接件组焊

塔架附件连接件包括筒内平台连接板、电缆支架、爬梯连接板、门框等。焊接采用手工电弧焊或CO₂气体保护焊，焊缝不得置于塔体焊缝上。

八、成品件检验

1.筒体任意切断面圆度公差应符合要求。

2.检测筒体两端法兰面平行度和同轴度，把弹簧秤拴在钢卷尺上，用相同力（约为5~10千克）测量，并记录A、B、C、D四个象限斜边长如图2及表3，其相对差值在2毫米以内为合格。

3.筒体制作完成后，其任意局部表面凹凸度不能超出最大值，见表4及图3。

4.筒节焊接接头在环向和轴向形成的棱角见图4，其值应符合表5要求。

5.法兰与筒体焊接合格后，用激光测平仪检查法兰的平面度。法兰平面度要求见表6。

九、成品件喷砂、涂装

风电场一般建在内陆大风地区和沿海多风地区。内陆地区风沙较大，沿海地区空气湿度大、盐蚀性强。塔架作为钢制结构，防腐是一个很重要的问题，应严格控制塔架的喷砂和涂装。

1.喷砂：构件经自检、互检、专检合格后，进行构件的成品喷砂。喷砂后的钢材表面不应有浮锈、焊渣、灰尘、油污、水和毛刺等，应达到设计要求的粗糙度。

2.涂装：涂漆采用无气喷涂。

1）塔架筒体涂漆采用甲方提供的油漆配套方案实施，涂料、涂装遍数、涂层厚度及间隔时间均应符合要求。

2）塔架法兰面喷砂后，热喷涂锌防腐，表面不涂油漆。法兰的倒角必须做与塔筒壁相同的油漆涂层。法兰孔喷砂热喷锌或者刷塔筒底漆。

3）基础环上法兰面至以下1100毫米的范围内（不包括法兰上平面）按相应塔架涂装方案进行防腐处理，其余面积的防腐保证在基础环安装之前不生锈即可。

4）塔架平台、门、爬梯、电缆支架及入口梯子采用热浸锌防腐。组装的平台应拆开分别防腐，其余可拆卸附件（梯架支撑、门挂钩、接地板等）采用热浸锌处理，与塔架焊接在一起的附件允许与筒体一起进行打砂涂漆防腐，但焊接避雷螺柱必须热喷锌，其表面不允许有涂层（涂漆时采取保护措施）。

5）构件表面不应误涂、漏涂，涂层均匀、无皱皮、流坠、气泡、脱皮和返锈等缺陷。涂漆工作应进行干漆膜厚度（磁感应法）检查，附着力试验、人工老化试验及光泽度的测试。

6）涂装完成后，构件的标志、标记和编号应清晰完整，并按照甲方要求对塔筒统一涂刷文字及图形商标，其涂刷文字及图形商标的要求见图纸及工艺文件要求。

十、塔架附件组装

为了避免破坏塔架涂层，塔架内用棉被覆盖涂层，作业人员在棉被上行走、作业。附件组装前应复查、清点零件。

1.门板装配应保证与塔体贴合紧密，开启顺利无阻涩现象。

2.梯子与梯架支撑应安装牢固，上下成直线，接头牢固。

3.塔架平台面板与支撑耳板间在装配时放置厚度为3~5毫米的橡胶垫。

4.附件装配时螺栓连接部位的螺栓紧固力矩应按技术文件要求执行。

5.塔架门套应安装密封条，确保密封条防水和老化。

十一、包装出厂

为了防止塔架在运输过程中变形，法兰必须采用10号槽钢米字支撑固定（支撑用与法兰孔相配的销钉螺栓与法兰连接），如图5所示：

基础环、塔架搬运和吊装时，吊装索具必须采取可靠的防护措施，避免与防腐层直接接触损伤防腐层。在塔架外侧用防水布把塔架整体包上，防止运输过程中漆膜等破坏。

十二、运输到塔架安装位置

塔架运输到安装位置后，应采用双机卸车，并使用塔架专用吊装工具，以免破坏塔架的防腐涂层。

十三、塔架、机舱、叶轮吊装

1.首先吊装基础环，基础环测平后固定，浇筑混凝土，达到设计要求强度后吊装第一节塔架。

2.塔架吊装时，应首先对塔架内的电缆等进行加固，确保其在吊装过程中不被破坏。各段塔架连接处的高强度螺栓，其扭矩必须达到设计要求值后，吊车才能松下吊钩。

3.风机设备吊装最重要的环节是吊装机舱和叶轮。机舱最重，吊机受力最大；叶片的受风面积最大，因此对风速要求严格，一般要求风速不大于8米/秒。叶轮吊装时，要求随时注意风速的变化，上面两个叶片溜绳应按技术要求进行绑扎。叶轮与机舱对接时，需要2~4根尺寸适当的定位销进行定位，然后再慢慢松钩对接。

十四、风机调试运行

风机安装完毕后，应进行调试，并经验收合格。

1.《风力发电塔架结构制作施工工法》解决了施工工期与质量控制的矛盾，可边施工边对质量进行控制检查，大量降低质量返修成本，约占投资额的5%。

2.《风力发电塔架结构制作施工工法》改善了施工人员作业环境，使施工安全、高效、有序进行。

3.《风力发电塔架结构制作施工工法》的社会效益主要表现在：提高新型能源开发利用效率，促进社会经济的发展；减少矿物能源对环境的污染。