張健 ，繩結(jié)竑 ，戴鵬 ，徐宏，方熙權(quán)

（1.核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳，518057；2. 深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518057）

1 南海環(huán)境條件簡(jiǎn)述

我國(guó)南部海域臺(tái)風(fēng)和地震多發(fā)、涌浪常見(jiàn)、南海水溫偏高，利用南海周邊數(shù)據(jù)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，汕尾海域200 km 范圍內(nèi)，1949—2019 年間，登陸我國(guó)南部海域沿岸的熱帶氣旋共有 155個(gè)，發(fā)生于5—11 月期間，其中超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)3 個(gè)，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)14 個(gè)，臺(tái)風(fēng)40 個(gè)，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴40 個(gè)，熱帶風(fēng)暴34 個(gè)，熱帶低壓27 個(gè)，平均一年約2.2 次。詳細(xì)信息如圖1 所示。

圖1 南海沿岸的熱帶氣旋路徑及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig.1 Tropical cyclone paths and data statistics along the coast of South China Sea

故南部海域是受熱帶氣旋影響較大，特別是強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。據(jù)分析，曾實(shí)測(cè)到10 m高處10 min 平均最大風(fēng)速歷史極值為57.7 m/s，由此可見(jiàn)，面臨著南部海域復(fù)雜多變的外部環(huán)境，如臺(tái)風(fēng)頻發(fā)且強(qiáng)度高，水溫偏高且涌浪常見(jiàn)，土層種類(lèi)多且差異較大等，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)提出更高的要求[1]。

2 單樁頂法蘭結(jié)構(gòu)及功能要求

國(guó)家十三五規(guī)劃中，海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目場(chǎng)址水深條件大部分小于50 m，單樁和導(dǎo)管架等固定式基礎(chǔ)成為項(xiàng)目主要的解決方案，而大直徑單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案以其優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)性和簡(jiǎn)單高效的施工工藝成為業(yè)主及開(kāi)發(fā)商首選解決方案。隨著技術(shù)的進(jìn)步，單樁的適用水深范圍正逐步擴(kuò)展到50 m 及以上，其通常的結(jié)構(gòu)型式，由風(fēng)機(jī)、塔筒及下部基礎(chǔ)組成，塔筒與基礎(chǔ)則主要通過(guò)樁頂法蘭以螺栓預(yù)緊的方式緊密連接在一起，塔筒、法蘭、基礎(chǔ)共同組成了風(fēng)機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)。

塔筒底部法蘭也稱(chēng)為樁頂上法蘭，其安裝在塔筒底部由風(fēng)機(jī)廠家供貨，樁頂下法蘭安裝在基礎(chǔ)頂部由基礎(chǔ)加工制造廠供貨。樁頂法蘭作為承上啟下的連接部件，主要有兩方面作用。首先，法蘭的水平度可以保證塔筒的垂直度，進(jìn)而保證風(fēng)機(jī)機(jī)頭的功能性；其次，法蘭部件的安全性將影響著風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性。故法蘭結(jié)構(gòu)的可靠度至關(guān)重要，將影響風(fēng)機(jī)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，法蘭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2 所示。

圖2 大直徑單樁法蘭設(shè)計(jì)方案Fig.2 Detail design of the large diameter monopole flange

單樁頂法蘭由不同的供應(yīng)商提供，其在出場(chǎng)檢測(cè)時(shí)是抽樣檢查，存在著無(wú)法有效發(fā)現(xiàn)水平度問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)；其次，單樁基礎(chǔ)通過(guò)沖擊錘將基礎(chǔ)打入泥面以下幾十米，待泥土土層性能擾動(dòng)恢復(fù)后再完成風(fēng)機(jī)吊裝，沖擊載荷作用點(diǎn)在基礎(chǔ)法蘭表面，若施工質(zhì)量控制不嚴(yán)格將可能發(fā)生法蘭局部凹陷的風(fēng)險(xiǎn)。由此可見(jiàn)，頂法蘭在出場(chǎng)時(shí)檢測(cè)不到位或施工工藝粗糙均可能造成法蘭水平度凹陷的問(wèn)題。

若頂法蘭發(fā)生凹陷，其水平面在螺栓預(yù)緊載荷作用下無(wú)法緊密結(jié)合，塔筒傾斜時(shí)頂法蘭接觸面存在分離的風(fēng)險(xiǎn)，法蘭將不再作為主要的承載部件，極端環(huán)境下的極限載荷將主要有螺栓承載，塔筒垂直度將無(wú)法保證且受力不均，影響風(fēng)機(jī)的仰角，進(jìn)而影響風(fēng)機(jī)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。故頂法蘭凹陷問(wèn)題需要項(xiàng)目各方特別重視，對(duì)法蘭進(jìn)行修復(fù)處理，修復(fù)方案對(duì)法蘭結(jié)構(gòu)和水平度的影響分析，需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究。

3 法蘭水平度規(guī)范要求及修復(fù)方案

3.1 規(guī)范要求

按照規(guī)范的要求[2]，法蘭在厚度方向上的誤差不能超過(guò)2 mm，且只能出現(xiàn)內(nèi)傾，若內(nèi)傾角度過(guò)大，將影響風(fēng)機(jī)的正常吊裝，需要采取措施將法蘭的水平度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

3.2 法蘭凹陷缺陷修復(fù)方案

以法蘭產(chǎn)生凹陷的問(wèn)題為研究對(duì)象，法蘭的厚度凹陷超過(guò)了規(guī)范要求的水平度，凹陷情況如圖3 所示。

圖3 大直徑單樁法蘭凹陷缺陷Fig.3 Concave defects of the large diameter monopile flange

根據(jù)分析研究，法蘭凹陷可以采取兩種處理方案：法蘭磨平處理或者法蘭墊片墊平。

方案一：法蘭磨平方案

（1）對(duì)每個(gè)法蘭螺栓孔進(jìn)行擴(kuò)孔。為了擴(kuò)孔后滿(mǎn)足塔筒螺栓順利插入，采用向外側(cè)擴(kuò)孔，需計(jì)算需要擴(kuò)Amm，擴(kuò)孔后保證擴(kuò)大的部分為圓弧狀；

（2）基礎(chǔ)法蘭表面采用磨平處理。需要將法蘭凹陷最大厚度Bmm 進(jìn)行磨平，法蘭外側(cè)厚度會(huì)減薄至T1-Bmm，保持內(nèi)側(cè)厚度不變；

（3）磨平后保證了法蘭面的水平度，進(jìn)而保證風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，但磨平后需要分析法蘭的強(qiáng)度是否滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

方案二：法蘭墊片調(diào)平方案

若法蘭磨平方案不可行，優(yōu)先保證法蘭完整性的前提下，需采用法蘭墊片調(diào)平方案保持法蘭平面的水平度。下一步將原本為橫截面為長(zhǎng)方形的墊片依據(jù)法蘭內(nèi)凹尺寸，加工為楔形，墊片布置方案如圖4 所示，根據(jù)實(shí)際情況確定墊片數(shù)量，墊片尺寸如圖5 所示。

圖4 墊片調(diào)平俯視圖Fig.4 The top view of the gasket

圖5 墊片剖面視圖Fig.5 The sectional view of the gasket

墊片在螺栓預(yù)緊力作用下對(duì)墊片產(chǎn)生較大的壓力，且在傾斜面上存在向下的剪切力。若斜面剪切力小于墊片法蘭接觸面上的摩擦力，則墊片處于壓緊狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生分離；反之，螺栓剪切力大于墊片法蘭接觸面上的摩擦力，則墊片將會(huì)同法蘭產(chǎn)生相對(duì)滑移，甚至擠出的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而影響法蘭水平度和結(jié)構(gòu)安全。

圖1～圖5 中：

D0——法蘭外徑；

D1——法蘭內(nèi)徑；

D2——法蘭螺栓中心直徑；

D3——單樁基礎(chǔ)內(nèi)徑；

d4——法蘭孔直徑；

T1——法蘭原始厚度；

T2——法蘭磨平后的厚度；

L——法蘭單邊寬度；

A——螺栓擴(kuò)孔尺寸；

B——法蘭平均凹陷尺寸；

e——墊片寬度；

t1——墊片薄端壁厚；

t2——墊片厚度壁厚。

4 頂法蘭缺陷修復(fù)方案分析

依據(jù)兩種不同的現(xiàn)場(chǎng)處理方案，采用ANSYS 有限元分析法和經(jīng)驗(yàn)公式法，對(duì)基礎(chǔ)法蘭、法蘭墊片等結(jié)構(gòu)的完整性進(jìn)行分析。

4.1 法蘭磨平分析

4.1.1 模型簡(jiǎn)化

為了準(zhǔn)確分析單樁頂部法蘭的強(qiáng)度，需要建立塔筒法蘭、單樁法蘭、連接螺栓的詳細(xì)有限元模型，對(duì)單樁法蘭-螺栓進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，對(duì)螺母模型改為楔形，忽略墊片的建模，滿(mǎn)足螺母上表面與單樁法蘭的接觸。

假定法蘭寬度L=315 mm，法蘭厚度T1=135 mm，法蘭凹陷厚度B=6 mm，法蘭外直徑D0=7.5 m，螺栓螺桿外徑d3=67 mm，法蘭擴(kuò)孔寬度A=3.86，基于以上數(shù)據(jù)，建立法蘭、塔筒及基礎(chǔ)的詳細(xì)有限元模型，模型采用的材料數(shù)據(jù)[3-5]如表1所示，法蘭面處極限載荷如表2所示。

表1 材料及力學(xué)性能Table 1 Material and mechaical properties of the model

續(xù)表

表2 承載能力極限狀態(tài)載荷信息Table 2 Ultimate limit status (ULS)loads of the flange

4.1.2 網(wǎng)格劃分

下法蘭之間采用摩擦接觸，上法蘭與螺帽、下法蘭與螺母之間采用綁定接觸，詳細(xì)的有限元網(wǎng)格模型圖6～圖9 所示。

圖6 整體有限元模型圖Fig.6 The integral finite element model

圖7 單樁法蘭有限元模型圖Fig.7 The finite element model of monopole flanges

圖8 單樁法蘭局部有限元模型圖（下法蘭）Fig.8 The local finite element model of the monopole flange (lower flange)

圖9 單樁法蘭局部有限元模型圖（螺栓）Fig.9 The local finite element model of the monopole flange (bolts)

4.1.3 邊界條件

整體有限元中上下法蘭的接觸信息設(shè)置如表3 所示。

表3 法蘭局部有限元模型邊界條件Table 3 Contact boundary conditions of the finite element model

邊界條件的施加如圖10 所示，單樁底部施加X(jué)、Y、Z三個(gè)方向的位移約束。同時(shí)，加載點(diǎn)設(shè)置在塔筒延長(zhǎng)段頂端界面中心位置，采用載荷偏移方式進(jìn)行外部荷載施加。

圖10 法蘭局部有限元模型載荷及邊界條件Fig.10 Loads and boundary conditions of the finite element model of local flange

4.1.4 分析結(jié)果

根據(jù)以上邊界條件，分析結(jié)果如圖11 所示。

圖11 整體及法蘭局部應(yīng)力分布圖Fig.11 The stress distribution of integral and local flanges

選取上下法蘭及螺栓總應(yīng)力最大的區(qū)域進(jìn)行路徑線性化處理，得到各路徑下的局部薄膜應(yīng)力如表4 所示，根據(jù)分析可知，法蘭磨平后各部件區(qū)域強(qiáng)度均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求[6,7]。

表4 法蘭局部有限元模型邊界條件Table 4 Boundary conditions of the local finite element model of the flange

4.2 法蘭墊片墊平分析

根據(jù)圖4～圖5，本節(jié)所采用的參數(shù)含義及數(shù)據(jù)如下，墊片剖面視圖如圖12 所示。

圖12 墊片剖面視圖Fig.12 The sectional view of the gasket

（1）t1：墊片厚度薄端，1 mm；

（2）t2：墊片厚度厚端，6 mm；

（3）d1：墊片內(nèi)直徑，6 870 mm；

（4）d2：墊片外直徑，6 870+255=7 125 mm；

（5）d3：螺栓直徑，64 mm；

（6）d4：墊片開(kāi)孔直徑，70 mm；

（7）e：墊片寬度，255 mm；

（8）θ：法蘭內(nèi)傾角；

（9）N1：墊片數(shù)量，根據(jù)法蘭凹陷實(shí)際情況確定，此處取12；

（10）N2：?jiǎn)蝹€(gè)墊片螺栓孔數(shù)量，最大為14 個(gè)，平均為13 個(gè)；

（11）S1：墊片接觸面積，=2.81 m2；

（12）S2：?jiǎn)蝹€(gè)螺栓面積，=3 217 mm2；

（13）S3：?jiǎn)蝹€(gè)墊片開(kāi)孔面積，=3 959 mm2；

（14）S4：?jiǎn)蝹€(gè)墊片接觸面積，S1/12-S3=0.178 2 m2；

（15）F預(yù)緊力：?jiǎn)蝹€(gè)螺栓預(yù)緊力，1 690 kN；

（16）F剪切力：?jiǎn)蝹€(gè)螺栓預(yù)緊力在傾斜面上的剪切力；

（17）F壓：?jiǎn)蝹€(gè)螺栓預(yù)緊力在傾斜面上的壓力；

（18）μ：墊片接觸面摩擦系數(shù)，保守取0.2；

（19）F摩擦：墊片接觸面摩擦力；

（21）F剪切力=F預(yù)緊力×sinθ=33.13 kN；

（22）F壓=F預(yù)緊力×cosθ=1 689.68 kN；

（23）F摩擦=μF壓=337.94 kN；

（24）故F摩擦=337.94 kN≥F剪切力=33.13kN，墊片不會(huì)發(fā)生滑移；

（25）σ剪切=N×F剪切力/S4=14×33.13/0.178 2/103=2.6MPa，接觸面剪切應(yīng)力很小。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，螺栓預(yù)緊力作用下產(chǎn)生的摩擦力遠(yuǎn)大于單個(gè)螺栓產(chǎn)生的剪切力，墊片不會(huì)發(fā)生滑移，保證了墊片與法蘭面的穩(wěn)定性和水平度。

5 結(jié)論

本文以大直徑單樁頂法蘭發(fā)生凹陷問(wèn)題為研究對(duì)象，介紹了單樁頂法蘭的結(jié)構(gòu)型式，分析了問(wèn)題產(chǎn)生的可能原因，建立了分析模型，分別通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析法和經(jīng)驗(yàn)公式分析法，對(duì)兩種法蘭缺陷修復(fù)分案進(jìn)行了分析，論證了兩種方案的可行性，主要分析結(jié)論如下：

（1）法蘭凹陷問(wèn)題應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的凹陷情況，綜合施工環(huán)境、操作空間和可實(shí)施性，選擇合理有效的處理方案，建議首選法蘭墊片墊平方案。

（2）法蘭磨平方案，當(dāng)法蘭凹陷情況比較小的情況下采用，可以快速對(duì)凹陷進(jìn)行修復(fù)。同時(shí)，需要通過(guò)詳細(xì)的有限元分析磨平厚度對(duì)法蘭強(qiáng)度的影響，由分析結(jié)果可知，法蘭磨平后仍可有效保證法蘭的強(qiáng)度；

（3）法蘭墊片墊平方案，可以采取相同材料的墊片進(jìn)行墊平處理，需要根據(jù)法蘭凹陷情況給出詳細(xì)的墊片加工制造方案；

（4）加強(qiáng)法蘭制造的質(zhì)量檢測(cè)和過(guò)程控制，確保法蘭產(chǎn)品的合格率。