风力发电场风机基础预埋螺栓和法兰

风力发电机组预埋地脚螺栓基础质量控制措施风力发电机钢制塔筒是通过在基础混凝土内的预埋构件来和基础连接固定的。通常的预埋结构件有基础环和地脚螺栓两种。基础环安装简单，调平步骤容易，所以在中小功率风电机组中，这种预埋方法被大多数风机厂商采用。地脚螺栓是风力发电机组基础中受力较为合理的一种基础预埋结构形式。预埋在基础混凝土内部的地脚螺栓一直伸入到基础承台的下表面，地脚螺栓通过外面的螺栓套管与混凝土隔离开。当基础承受来自塔筒传递的偏心弯矩时( e b /6)，基础顶面一侧受拉一侧受压。地脚螺栓将拉力传递到基础底面，而压力由基础顶面混凝土传递到整个基础承台。采用预埋地脚螺栓的结构形式，可以使基础设计埋深变化更为灵活，不会造成像预埋基础环那样因为调整基础埋深而牺牲结构受力合理性，且必须要配置大量钢筋满足受力要求。现阶段风力发电机功率迅速提高，各个风机厂商都相继推出了3，5，6MW 的风机样机，更大功率的风机也在研制当中。随着风机功率的提高，风机的载荷也成倍增长。华锐风电3MW 110m的风机塔筒底部法兰直径已近达超过5m，塔筒底部载荷的极限弯矩已经达到16 万kNm，而5MW 110m 海上风机塔筒底部载荷的极限弯矩接近22 万kNm。风机载荷的增大，带来了风机基础承台体量的增大，地脚螺栓基础的优势开始显著提高。采用预埋地脚螺栓比预埋基础环的风机基础，能在一定程度上节约钢筋和混凝土用量。另外，采用预埋地脚螺栓基础，可以在一定程度上减小塔筒根部筒身的直径，缓解塔筒的运输难题。如图1 所示。1 问题分析及措施地脚螺栓基础施工过程中常见的质量问题主要有:螺栓定位不准螺栓定位不准最直接的影响是塔筒吊装，由于螺栓错位严重，致使塔筒起吊后法兰螺栓孔对孔困难，延误吊装。对于错位不严重的螺栓虽然可以采用人工纠偏的方法进行补救，但是由于螺栓和螺栓孔产生了较大的机械摩擦力，给螺栓受力造成隐患。对于错位严重的螺栓，基础只能做报废处理，此案例屡见不鲜。螺栓套管漏浆按照地脚螺栓受力105模型，地脚螺栓应将塔筒传递来的拉力一直传递到基础混凝土底部，因此地脚螺栓通长都应当与基础混凝土隔离开。一旦地脚螺栓漏浆，尤其是螺栓上下套管漏浆，螺栓将在该部位产生预应力损失，在风机运转过程中，该部位会承受不应当承受的作用力，一旦超过混凝土的抗拉强度，该部位会发生裂缝，进而影响基础的结构安全。由于这一问题一般不容易被发现，所以更应当引起足够的重视。灌浆层地脚螺栓基础都在塔筒法兰下部设置灌浆层，以承担塔筒传来的疲劳载荷。灌浆层在施工中很容易出现基层吸水不饱和致使灌浆料中的水分被吸走影响灌浆层的强度。另外，灌浆层成品保护问题，一旦出现缺棱掉角，采用修补的办法是不能满足技术要求的，严重的缺棱掉角必须将全部灌浆层凿除后重新灌浆。2 技术措施1)地脚螺栓的二次调平设计作为高耸结构的风机基础，其基础预埋件水平度的微小误差，都会被塔筒放大，使塔筒顶端产生很大的水平位移。而塔筒的垂直度将直接影响其上部风电机组的运转性能和使用寿命，高精度的下部支撑结构，将明显降低风机偏航、变浆的故障次数，从而提高风电场的风机利用小时数，增加发电量。风机厂家对基础预埋件水平度的要求很高，大多在1 /1 000 以内，也就是3mm 左右。但是在基础施工过程中，由于地基不均匀沉降、施工操作等问题，经常会出现基础预埋件水平度超差问题。鉴于此，地脚螺栓锚固系统设计了二次调平装置，也就是在基础承台混凝土施工完毕之后，还有一次精确调平的机会，即便之前的水平度已经处于允许范围内，也可以通过二次调平将水平度提到一个更高水平。具体方法是在锚固法兰下方设置一次调平螺栓，在垫板法兰下方设置二次精平螺丝，在灌浆层施工过程中完成垫板法兰的二次调平。如图2 所示。2)采用模板法兰配合对心螺母对地脚螺栓进行准确定位由于地脚螺栓数量众多，华锐风电3MW 110m 塔筒的预埋地脚螺栓数量为160 个。为使塔筒能够顺利吊装，每个预埋螺栓都应当在其位置上准确定位。以往项目通过垫板法兰来定位螺栓，由于垫板法兰的螺栓孔直径(66mm) 比地脚螺栓直径(56mm) 大，所以定位效果不很理想。为此，专门加工一套模板法兰，模板法兰的螺栓孔(59mm) 较垫板法兰小，再配合对心螺母，安装后螺栓定位精度大幅提升，塔筒吊装工作效率也相应提高。模板法兰只是用于地脚螺栓的地位安装，承台浇筑完毕之后就可以拆卸下来，拿到下一个基础使用，所以每个风电场根据施工组织设计，加工2 4 套即可，对于相同风机机型的风电场，模板法兰是通用的，摊销成本不大。此外，模板法兰安装高度应尽量高，以不影响其下部混凝土振捣以及灌浆槽留设。3)地脚螺栓套管密封地脚螺栓套管可采用PP-R 管，套管内径应较地脚螺栓直径大4 5mm。由于下料误差，每根螺栓套管很难保证严丝无缝的与其两端的法兰面顶实。这样在浇筑混凝土过程中，水泥浆不能避免地漏到螺栓套管与螺栓之间的空隙内，致使螺栓在施加预应力时产生预应力损失，影响螺栓受力性能。为此，在螺栓两端增设热缩管，热缩管可以在地脚螺栓锚固系统安装完毕后再热缩固定，将螺栓和混凝土完全隔离开来。4)留设灌浆槽华锐风电地脚螺栓基础灌浆料采用的是PAGEL公司的V1 /60HF 超高强灌浆料，强度等级C90 /105，强度指标如下:24h 抗压强度fck75N/mm2;3d 抗压强度fck80N/mm2;7d 抗压强度fck90N/mm2;2 8 d抗压强度fck100N / mm2 ;90 d抗压强度fck110N/mm2。对于高强灌浆料来说，加水量必须精确计量的，尤其是超高强灌浆料，加水量的准确性将直接影响灌浆层的质量。配置灌浆料除了精确计量加水量外，还应保证拌制好的灌浆料的水分不被基层混凝土吸走。所以灌浆层施工前应当提前24h 将混凝土基层浸水湿润，灌浆前1h，用海绵吸干灌浆槽内的明水，以保证混凝土吸水饱和，不再从灌浆料中吸收水分。以往灌浆层都是出于混凝土表面之上，浇水湿润基层时，水都从模板缝隙渗漏，根本无法保证混凝土吸水饱和。另外，外漏的灌浆层的成品保护也比较困难，很容易受到磕碰而出现缺棱掉角的想象，严重影响灌浆层的施工质量。鉴于此，设计出了下卧式灌浆层，也就是在混凝土承台浇筑时，预留灌浆槽。这样灌浆层的基层混凝土浇水湿润变得简单易行，只需在灌浆槽内蓄水即可，大大降低了工人劳动强度，也节约施工用水。此外，采用下卧灌浆层省去了支设灌浆模板的工序，由于灌浆层是“镶嵌”在混凝土承台上的，从而杜绝了灌浆层缺棱掉角的质量通病。图1 地脚螺栓基础剖面 图2 地脚螺栓安装图3 模板法兰示意