CN108180117B - 防腐蚀海上风电塔筒组合结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种防腐蚀海上风电塔筒组合结构，包括竖直依次连接的若干塔筒段，塔筒段两两之间通过固连在各自端部的法兰盘及穿过法兰盘的若干紧固件连接；塔筒段的外侧面包覆有浇筑成形的高延性纤维增强水泥基复合材料层，塔筒段的外侧面上设有若干复合材料层连接件以提高高延性纤维增强水泥基复合材料层与塔筒段外侧面的包覆连接强度，复合材料层连接件凸出于塔筒段外侧面的长度小于高延性纤维增强水泥基复合材料层的厚度。本发明的风电塔筒安装方便，每段塔筒段的长度较短便于运输和制造，塔筒段统一采用外侧面包覆ECC材料的防腐方式，简化了防腐处理工序，使用ECC材料作为保护层防腐效果好，不会造成海洋污染和金属污染。
Description
技术领域
本发明属于风力发动机中安装结构技术领域，具体涉及一种防腐蚀海上风电塔筒组合结构。
背景技术
风力发电作为一种可再生的绿色清洁能源，已受到了人们的广泛关注并应用在沿海、高山、平原等各个风能充足的地方。
风力发电机组中是最主要的组成部分是叶片、风电机及塔筒。其中，塔筒是连接风电机、叶片的塔杆，起到主要的支撑作用。塔筒的结构形式采用最多的是钢结构形式，但钢制塔筒长期暴露于大气环境中，容易受到腐蚀并锈蚀，从而对风力发电机组的正常运行造成威胁，一旦塔筒破坏，风力发电机组将不能正常工作，进而带来一系列经济损失。
特别是当塔筒处在海洋环境时，由于环境湿度大、盐分高、腐蚀介质多，使得塔筒相比陆地使用更容易受到腐蚀危害。目前，针对塔筒在海洋环境的使用及腐蚀情况，将其沿竖向分为5个不同的区域-大气区、浪溅区、水位变动区、全浸区及泥下区，塔筒不同区域的腐蚀情况也不尽相同，其中以浪溅区和水位变动区的腐蚀最为严重；对于处于塔筒的不同区域，采用了不同的防腐措施，大气区通过刷涂料进行防腐，浪溅区及水位变动区通过在表面覆盖保护套对该区域进行保护和防腐，全浸区及泥下区通过牺牲阴极法进行防腐；同时还需要定期对塔筒腐蚀情况进行检查检修。
现有的海洋环境使用的塔筒防腐方式，存在以下不足：（1）针对塔筒不同区域采用不同的防腐措施，施工工序复杂，且各区域交界处处理十分困难，处理不当反而会加快腐蚀；（2）后期检查检修工序复杂、施工难度大、成本高，检查检修时风电机需停机也会造成经济损失；（3）防腐采用的各种涂料，多为各种有机物，使用过程中易脱落于海洋中，很难发生降解，造成海洋环境的有机物污染，用于保护塔筒采用的金属材料，成本高，降解于海洋中也会造成金属污染。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种防腐蚀海上风电塔筒组合结构，避免现有针对海洋环境使用的塔筒的防腐方式存在上述不足的问题，取得工序简单，防腐效果好，便于运输安装，减少在风力发电机组的使用寿命周期内对塔筒的维护，降低对海洋的污染的效果。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
防腐蚀海上风电塔筒组合结构，包括竖直依次连接的若干塔筒段，所述塔筒段两两之间通过固连在各自端部的法兰盘及穿过所述法兰盘的若干紧固件连接；所述塔筒段的外侧面包覆有浇筑成形的高延性纤维增强水泥基复合材料层，所述塔筒段的外侧面上设有若干复合材料层连接件以提高所述高延性纤维增强水泥基复合材料层与塔筒段外侧面的包覆连接强度，所述复合材料层连接件凸出于塔筒段外侧面的长度小于高延性纤维增强水泥基复合材料层的厚度。
本发明的风电塔筒由若干塔筒段首尾连接组合而成，安装方便，每段塔筒段的长度较短便于运输和制造；在各塔筒段外侧面包覆高延性纤维增强水泥基复合材料层以用于防腐，海上钢制塔筒发生腐蚀的一个重要的原因在于氯离子的渗透，而高延性纤维增强水泥基复合材料（engineered cementitious composites，ECC）是近年发展起来的一种新型纤维增强水泥基复合材料，具有超强的抗开裂和裂宽控制能力，其包含大量未水化的水泥，在产生裂缝时，会发生二次水化效应，实现自修复功能，及时主动的封闭裂缝，将裂缝宽度控制在微米级别（微米级别的裂缝被视为“无害裂缝”），从而避免海洋中的腐蚀性物质（如氯离子等）通过裂缝渗透造成塔筒腐蚀；ECC材料在荷载作用下还具有超强的延性与韧性，将其作为海上风电塔筒的防腐保护层，不仅可以完全实现对钢制塔筒的防腐保护，还可以起到承担部分荷载的作用，对应的就可以减小钢制塔筒的壁厚，减少金属用量，降低成本；ECC材料作为防腐材料使用，寿命长达20年以上，可以保证在风力发电机组使用寿命周期内对塔筒实现全面保护，减少检查频次，基本无需检修，降低后期维护的难度和成本；ECC材料还是绿色建材，可降解于海洋中且不会造成环境污染，其包覆住钢制塔筒，也避免了金属接触并降解于海洋中造成金属污染的问题；各塔筒段的长度较短且统一采用外侧面包覆ECC材料的防腐方式，简化了防腐处理工序，避免了不同防腐方式处理带来的区域交界处处理困难的问题。复合材料层连接件设于塔筒段外侧面上并嵌入高延性纤维增强水泥基复合材料层中，不影响外观且提高包覆连接强度，具体实施为：先完成塔筒段制造，包括与法兰盘和复合材料层连接件的连接，然后将塔筒段置于模具中并浇筑高延性纤维增强水泥基复合材料，实现对塔筒段外侧面的包覆防腐处理。
进一步完善上述技术方案，所述塔筒段为中空的锥台形，所述复合材料层连接件至少在两个不同高度的水平面上呈等分均布围设于塔筒段的外侧面上。
这样，将复合材料层连接件连接于塔筒段外侧面上现在多使用数控设备找连接点位，等分均布形式符合对数控设备的使用习惯，简化数控设备的程序编制过程，也使提高包覆连接强度的效果均匀；由于塔筒段的长度较长，所以选择复合材料层连接件至少在两个不同高度的水平面上布置，也是为了使提高包覆连接强度的效果均匀有效。
进一步地，所述法兰盘连接于塔筒段的外侧面上，所述法兰盘上设有呈等分均布且竖向贯穿的若干通孔，所述紧固件穿过所述通孔；所述高延性纤维增强水泥基复合材料层还包覆法兰盘的外侧面且设有与所述通孔对应的竖向的让位孔。
这样，便于塔筒段之间的组合安装，在塔筒外部实施安装连接，空间大且抬升人员或安装设备的机械可选择性广，方便实施，降低了抬升机械使用成本，提高了安装效率。
优选地，所述法兰盘沿塔筒段的轴向朝向外的面上设有与法兰盘同轴的环槽，两个相互抵接的法兰盘的环槽的槽宽对应且相对设置以形成环形空腔从而提高塔筒段相互连接后的抗屈曲能力；所述紧固件穿过所述环形空腔。
这样，可有效增强塔筒段通过法兰盘连接的刚性，进而提高风电塔筒的抗屈曲能力。
可选择地，所述法兰盘连接于塔筒段的内侧面上，所述法兰盘上设有呈等分均布且竖向贯穿的若干通孔；所述法兰盘沿塔筒段的轴向朝向外的面上设有与法兰盘同轴的环槽，两个相互抵接的法兰盘的环槽的槽宽对应且相对设置以形成环形空腔从而提高塔筒段相互连接后的抗屈曲能力；所述紧固件穿过所述通孔和环形空腔；所述塔筒段的内侧面通过若干水平杆连接有竖向爬梯以便于人在塔筒段内上行，所述法兰盘沿塔筒段的轴向朝向内的面上通过若干竖向杆连接有环形杆以便于安装检修时人的钩挂把持；竖向爬梯与塔筒段的内侧面之间设有竖向滑杆以便于人在塔筒段内下行，所述竖向滑杆的上下端折弯并通过折弯端连接于塔筒段的内侧面或竖向爬梯。
这样，由于维护风力发电机组中的风电机时，可选择从塔筒内通过爬梯爬升以避免每次维护风电机时都需要调用抬升机械，对应的，将法兰盘连接于塔筒段的内侧面上，通过竖向爬梯爬升、爬出竖向爬梯后再钩挂把持于环形杆以实施塔筒段之间的安装维护；竖向滑杆的设置是为了方便人在风电塔筒内的下行，下行时将人身上的安全钩环钩在竖向滑杆上，由于竖向滑杆的上下端折弯并通过折弯端连接于塔筒段的内侧面或竖向爬梯，所以每次只能主动下滑（或意外掉落）一个塔筒段的距离，就需要将安全钩环取出再钩到下一塔筒段的竖向滑杆上才能继续下滑以保证安全。
进一步地，所述复合材料层连接件为螺栓，螺栓的大端沿塔筒段的径向朝向外。
这样，螺栓标准件成本低，大端朝外以在高延性纤维增强水泥基复合材料层内形成反扣的形式以进一步提高包覆连接强度。
优选地，所述塔筒段的内侧面上设有至少一个水平环形加强筋，所述塔筒段的内侧面上设有呈等分均布的若干竖向加强筋。
这样，增加风电塔筒的整体强度，减少风电塔筒因外界力量或外界力量与自身风电机振动接合共振造成变形垮塌的危险，延长风电塔筒的使用寿命。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的风电塔筒由若干塔筒段首尾连接组合而成，安装方便，每段塔筒段的长度较短便于运输和制造。
2、本发明的塔筒段的长度较短且统一采用外侧面包覆ECC材料的防腐方式，简化了防腐处理工序。
3、本发明的风电塔筒可以保证在风力发电机使用寿命周期内的有效支撑作用，减少检查频次，基本无需检修，降低后期维护的难度和成本。
4、本发明使用ECC材料作为保护层防腐效果好，该材料可降解于海洋中且不会造成环境污染，其包覆住钢制塔筒，也避免了金属接触并降解于海洋中造成金属污染的问题。
5、本发明的风电塔筒强度高，具有较高的抗屈曲能力，使用安全。
附图说明
图1-本发明具体实施例一的结构示意图；
图2-图1的A-A剖面图；
图3-本发明具体实施例二的结构示意图；
图4-图2的B-B剖视图；
其中，塔筒段1，法兰盘2，高延性纤维增强水泥基复合材料层3，让位孔31，螺栓4，法兰连接螺栓5，螺母6，环槽7，水平杆8，竖向爬梯9，竖向杆10，环形杆11，竖向滑杆12，折弯端121。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
实施例一：
参见图1，某海上风力发电基地的防腐蚀海上风电塔筒组合结构，总高六十米，包括竖直依次连接的四个塔筒段1，每个塔筒段1高十五米，所述塔筒段1为中空的锥台形，各竖直依次连接的塔筒段1的锥度呈线性连接，所述塔筒段1两两之间通过固连在各自端部的法兰盘2连接；所述塔筒段1的外侧面包覆有浇筑成形的高延性纤维增强水泥基复合材料层3，所述塔筒段1的外侧面上设有若干复合材料层连接件以提高所述高延性纤维增强水泥基复合材料层3与塔筒段1外侧面的包覆连接强度，所述复合材料层连接件凸出于塔筒段1外侧面的长度小于高延性纤维增强水泥基复合材料层3的厚度。
参见图1、图2，其中，所述复合材料层连接件为螺栓4，高低方向每间隔三米在塔筒段1的外侧面上水平地等分均布地围设一圈共计二十四个螺栓4，对于十五米高的塔筒段1，高低方向共设四圈（上下端部不设置）共计九十六个螺栓4。螺栓4的小端（螺纹端）固连在塔筒段1的外侧面上，大端沿塔筒段1的径向朝向外。
其中，所述法兰盘2连接于塔筒段1的外侧面上，所述法兰盘2上设有呈等分均布且竖向贯穿的若干通孔，法兰连接螺栓5穿过相抵接的两法兰盘2上的通孔并配合螺母6实施两塔筒段1的连接；所述高延性纤维增强水泥基复合材料层3还包覆法兰盘2的外侧面且设有与所述通孔对应的竖向的让位孔31以便于法兰连接螺栓5和螺母6的安装，法兰连接螺栓5和螺母6的安装完成后，可选择使用泡沫塞将所述让位孔31封堵以防止法兰连接螺栓5和螺母6的腐蚀。
实施例二：
参见图3，某海上风力发电基地的防腐蚀海上风电塔筒组合结构，总高六十米，包括竖直依次连接的四个塔筒段1，每个塔筒段1高十五米，所述塔筒段1为中空的锥台形，各竖直依次连接的塔筒段1的锥度呈线性连接，所述塔筒段1两两之间通过固连在各自端部的法兰盘2连接；所述塔筒段1的外侧面包覆有浇筑成形的高延性纤维增强水泥基复合材料层3，所述塔筒段1的外侧面上设有若干复合材料层连接件以提高所述高延性纤维增强水泥基复合材料层3与塔筒段1外侧面的包覆连接强度，所述复合材料层连接件凸出于塔筒段1外侧面的长度小于高延性纤维增强水泥基复合材料层3的厚度。
参见图2，其中，所述复合材料层连接件为螺栓4，高低方向每间隔三米在塔筒段1的外侧面上水平地等分均布地围设一圈共计二十四个螺栓4，对于十五米高的塔筒段1，高低方向共设四圈（上下端部不设置）共计九十六个螺栓4。螺栓4的小端（螺纹端）固连在塔筒段1的外侧面上，大端沿塔筒段1的径向朝向外。
参见图3，其中，所述法兰盘2连接于塔筒段1的内侧面上，所述法兰盘2上设有呈等分均布且竖向贯穿的八个通孔，法兰连接螺栓5穿过相抵接的两法兰盘2上的通孔并配合螺母6实施两塔筒段1的连接；所述法兰盘2沿塔筒段1的轴向朝向外的面上设有与法兰盘2同轴的环槽7，两个相互抵接的法兰盘2的环槽7的槽宽对应且相对设置以形成环形空腔从而提高塔筒段1相互连接后的抗屈曲能力；所述法兰连接螺栓5也穿过所述环形空腔。
参见图3、图4，其中，所述塔筒段1的内侧面通过四根水平杆8连接有竖向爬梯9以便于人在塔筒段1内上行，所述法兰盘2沿塔筒段1的轴向朝向内的面上通过四根竖向杆10连接有环形杆11以便于安装检修时人的钩挂把持；竖向爬梯9与塔筒段1的内侧面之间设有竖向滑杆12以便于人在塔筒段1内下行，所述竖向滑杆12的上下端折弯并通过折弯端121连接于塔筒段1的内侧面。
其中，所述塔筒段1的内侧面、高低方向的中部设有一个水平环形加强筋（图中未示出），所述塔筒段1的内侧面上还设有呈等分均布的八条竖向加强筋（图中未示出），所述竖向加强筋的上下端分别与对应端的法兰盘2连接且连接于法兰盘2上的相邻通孔的中间位置。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.防腐蚀海上风电塔筒组合结构，包括竖直依次连接的若干塔筒段，所述塔筒段两两之间通过固连在各自端部的法兰盘及穿过所述法兰盘的若干紧固件连接；其特征在于：所述塔筒段的外侧面包覆有浇筑成形的高延性纤维增强水泥基复合材料层，所述塔筒段的外侧面上设有若干复合材料层连接件以提高所述高延性纤维增强水泥基复合材料层与塔筒段外侧面的包覆连接强度，所述复合材料层连接件凸出于塔筒段外侧面的长度小于高延性纤维增强水泥基复合材料层的厚度；
所述塔筒段为中空的锥台形，所述复合材料层连接件至少在两个不同高度的水平面上呈等分均布围设于塔筒段的外侧面上；
所述复合材料层连接件为螺栓，螺栓的大端沿塔筒段的径向朝向外；
所述法兰盘沿塔筒段的轴向朝向外的面上设有与法兰盘同轴的环槽，两个相互抵接的法兰盘的环槽的槽宽对应且相对设置以形成环形空腔从而提高塔筒段相互连接后的抗屈曲能力；所述紧固件穿过所述环形空腔；
所述塔筒段的内侧面上设有至少一个水平环形加强筋，所述塔筒段的内侧面上设有呈等分均布的若干竖向加强筋。
2.根据权利要求1所述防腐蚀海上风电塔筒组合结构，其特征在于：所述法兰盘连接于塔筒段的外侧面上，所述法兰盘上设有呈等分均布且竖向贯穿的若干通孔，所述紧固件穿过所述通孔；所述高延性纤维增强水泥基复合材料层还包覆法兰盘的外侧面且设有与所述通孔对应的竖向的让位孔。
3.根据权利要求1所述防腐蚀海上风电塔筒组合结构，其特征在于：所述法兰盘连接于塔筒段的内侧面上，所述法兰盘上设有呈等分均布且竖向贯穿的若干通孔；所述紧固件穿过所述通孔；所述塔筒段的内侧面通过若干水平杆连接有竖向爬梯以便于人在塔筒段内上行，所述法兰盘沿塔筒段的轴向朝向内的面上通过若干竖向杆连接有环形杆以便于安装检修时人的钩挂把持；竖向爬梯与塔筒段的内侧面之间设有竖向滑杆以便于人在塔筒段内下行，所述竖向滑杆的上下端折弯并通过折弯端连接于塔筒段的内侧面或竖向爬梯。
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