法兰元件的制作方法
本发明涉及一种用于法兰连接的法兰元件，主要设计用于连接承受较大动态力的管道、管状物或圆锥形壳体。
背景技术：
1、独立式塔结构，例如风力涡轮机塔，通常很大，因此通过将塔的两个或多个塔段牢固地连接在一起而建造。塔段通常以便于搬运、运输到建筑工地和在建筑工地吊装的长度建造。风力涡轮机塔和类似的塔结构通常通过将塔的圆锥形段法兰连接在一起而建造。由于每天的风引起的载荷和振动，连接各段的螺栓接头上的载荷具有动态性质。此外，在暴风雨期间可能会经历极端的短期高载荷。由于组装塔段的最实用方法是使用螺栓法兰连接，多年来已经开发、建造和安装了许多不同的设计，但是对于此类塔结构的现有螺栓连接，该行业仍然面临着挑战。在海上安装的风力涡轮机塔中，以及在塔与支撑结构之间的接口处和承重结构本身中，结构上的动态载荷可能来自波浪和水流引起的动态响应。
2、大型塔结构(例如风力涡轮机塔)的螺栓法兰连接面临的最重要挑战与如下各项有关：连接塔段的法兰连接的结构强度、由于对风载荷的动态响应而导致的法兰连接抗疲劳性以及由于风流通过塔结构(包括大型涡轮机叶片)和海上支撑结构上的波浪引起的振动和整体动态激励导致的法兰连接螺栓螺母在操作过程中的松动。
3、通常通过为塔段提供法兰来连接塔段，其中两个相邻段上的两个对应法兰通过多个螺栓连接。由于风和/或水引起的不断变化的载荷，连接这种塔结构的两个相邻段形成的接头的螺栓上的载荷具有动态性质。因此，这种类型的螺栓连接存在几个问题。例如，螺栓疲劳，因为螺栓应力是动态的，与塔动态载荷有关。由于在极端塔负载下法兰开始部分地或全部地分离，因此由于螺栓的撬动效应而导致的额外的螺栓负载和局部弯曲也可能导致问题。此外，还存在由振动和动态负载引起的螺母松动问题。水进入螺栓导致螺栓腐蚀也是一个问题。具有内螺栓圆和外螺栓圆的t形法兰比l形法兰具有更高的容量。问题是现有技术的法兰通常不用于无法进行检查和维护的区域，并且外部螺栓圆通常无法接近。
4、本发明的目的是减轻现有技术方案的至少一个或一些问题。
5、本发明的另一个目的是提供一种用于大型塔结构的新型法兰连接，其能够处理由于风和/或水经过塔结构而产生的动态负载。
6、本发明的另一个目的是减少连接塔结构的塔段的螺栓的腐蚀问题。
技术实现思路
1、本发明描述了一种用于连接管状元件的环形法兰元件。法兰元件包括围绕中心轴线a布置的内周缘、围绕中心轴线a布置的外周缘和向外径向延伸至外周缘的外法兰部分。外法兰部分包括后侧的外部部分和具有用于连接到配合结构的外前表面的外前侧。法兰元件还包括向内径向延伸至内周缘的内法兰部分，其中内法兰部分包括后侧的内部部分和具有用于连接到配合结构的内前表面的内前侧。法兰元件还包括从后侧沿与内、外前表面相反的方向延伸的附接部分，其中附接部分适于牢固地附接到管状元件。在本文中，我们将管状元件理解为具有适合连接到法兰元件的边缘的任何类型的细长空心物体。管状元件的截面可以是圆形、椭圆形、多边形和其他形状，并且管状元件可以具有圆锥形。
2、根据本发明，内法兰部分和外法兰部分被至少一个环形槽部分地分开，所述环形槽在内法兰部分与外法兰部分之间从内、外前表面之间的位置延伸到距后侧一距离的位置。
3、在法兰元件的一个实施方式中，外前表面和内前表面的至少一部分与垂直于中心轴线a的平面p具有非零角度。
4、在法兰元件的另一个实施方式中，环形槽配置成允许内、外前表面之间的柔性运动，使得内、外前表面相对于平面(p)的非零角度可以在连接到配合结构期间从非零变为零。
5、在法兰元件的又一个实施方式中，环形槽布置成使得当连接到配合结构时，在内、外前表面移动期间，附接部分处于固定位置。
6、在法兰元件的又一实施方式中，外法兰部分还包括：外法兰楔，包括位于外前表面的最外部分的外法兰楔表面，以及外法兰跟，包括位于外前表面的最内部分的外法兰跟表面。内法兰部分还包括：内法兰楔，包括位于内前表面的最内部分的内法兰楔表面，以及内法兰跟，包括位于内前表面的最外部分的内法兰跟表面。内、外法兰楔表面与平面p分别形成楔表面角γ1和γ2，内、外法兰跟表面与平面p分别形成内、外跟表面角β1和β2，其中内、外抵接表面位于环形槽的相应侧，靠近环形槽，其中内、外法兰闭合角α1和α2分别由平面p与相应内、外抵接表面和相应内、外法兰楔表面之间的直线之间的角度定义。所述角度为正，因为所述角度的顶点最靠近环形槽(而不是楔表面)。换句话说，在连接两个管状物时，内、外抵接表面(即内、外跟表面的最靠近环形槽的部分)将首先接触配合结构(在拧紧螺栓之前)。所述管状物在其端部安装有根据本发明的法兰元件。
7、楔表面角在螺栓预加载期间控制内、外法兰部分的旋转，并且具有多个优点。楔表面角使得法兰部分在法兰连接的组装期间像碟形弹簧一样弯曲，从而法兰部分被施加预应力，主要由环向应力决定。对于任何给定的塔设计负载，法兰部分的弯曲预应力确保法兰部分不会在螺栓所在的法兰凹部之外松动，这防止水渗入法兰凹部形成的环形开口并导致布置在螺栓孔中的螺栓腐蚀。此外，法兰部分的内部预应力对在法兰连接中拧到螺栓上的螺母产生分离力，因此螺母不会由于振动或其他动态负载而自行松动。螺栓预应力是静态的，这提供了优越的疲劳性能。静态螺栓应力允许更高的螺栓预应力和法兰元件更高的设计负载阻力。此外，在法兰分离发生之前，不会对螺栓产生撬动效应，当载荷超过法兰连接的设计载荷时，法兰分离就会发生。
8、在法兰元件的又一个实施方式中，内法兰部分包括均匀分布在中心轴线a周围的多个内螺栓孔，外法兰部分还包括均匀分布在中心轴线a周围的多个外螺栓孔。螺栓孔沿与中心轴线基本平行的方向延伸。
9、在法兰元件的又一个实施方式中，外法兰部分包括位于外法兰跟与外法兰楔之间的外环形凹部，其中多个外螺栓孔位于凹部中，并且内法兰部分还包括位于内法兰跟与内法兰楔之间的内环形凹部，其中多个内螺栓孔位于内法兰凹部中。
10、在法兰元件的又一实施方式中，至少一个环形槽包括一个环形槽，该环形槽沿与中心轴线a平行的方向从内、外前表面之间的位置延伸至距附接部分一距离的位置。
11、在法兰元件的又一实施方式中，环形槽在任何给定深度处的宽度(w)至少为：w＝d×sin(β1)+d×sin(β2)，其中d是从给定深度到环形槽内端的距离。
12、在法兰元件的又一实施方式中，多个内、外螺栓孔分别具有增大的半径δri和δro，以便于插入并允许内、外法兰部分(30，31)旋转而不弯曲螺栓，其中内螺栓孔的δri至少为：δri＝ti×sin(α1)，其中外螺栓孔的δro至少为：δro＝to×sin(α2)，其中ti和to分别是内、外法兰元件的厚度，α1和α2分别是内、外闭合角。
13、在法兰元件的又一实施方式中，环形槽从内、外前表面向后侧表面延伸至少一半，更优选地延伸大致三分之二。
14、在法兰元件的又一实施方式中，至少一个环形槽包括具有向内方向分量的内槽和具有向外方向分量的外槽，并且两个槽均具有在内、外法兰跟表面之间的共同开口。
15、在法兰元件的又一实施方式中，后侧的内部、外部部分的表面与平面p具有一角度，该角度对应于内、外闭合表面的角度α1和α2。
16、在法兰元件的又一实施方式中，压力测试通道从法兰元件的外表面延伸到环形槽的一部分，当法兰元件完全安装时，该部分与周围环境流体隔离。
17、在法兰元件的又一个实施方式中，当法兰元件完全安装时，环形槽的该部分与周围环境流体隔离。环形槽可以通过被基座元件阻挡或仅与配合法兰元件的环形槽流体连接而与周围环境隔离。环形槽通常包括一个连续槽，但在一些实施方式中，分段槽是可以想到的。
18、在本发明的另一个方面，描述了一种将法兰元件连接到配合结构的方法。配合结构具有与环形法兰元件的螺栓孔配合的内、外环螺栓。这种配合结构的示例可以是用于连接到风力涡轮机塔架的第一管的基座元件，或设计用于安装在风力涡轮机塔架顶部的风力涡轮机外壳的底部。该方法涉及如第[0013]点所述的法兰元件，包括以下步骤：将法兰元件和配合结构对齐，使得螺栓环与螺栓孔环对齐；以及将法兰元件和配合结构朝向彼此移动，使得内、外抵接表面接触配合结构，并且螺栓环进入螺栓孔环。该方法还包括以下步骤：拧紧螺栓，使得内、外楔角γ1和γ2)、内、外闭合角α1和α2以及内、外跟角β1和β2均为零。
19、本发明的另一个方面描述了一种将法兰元件连接到配合结构的方法。配合结构具有与法兰元件的螺栓孔配合的内、外螺栓孔环。优选地，配合结构是如第[0013]点所述的本发明的环形法兰元件，可以设想，配合结构是具有配合螺栓孔的现有技术法兰连接。该方法包括以下步骤：对准法兰元件和配合结构，使得法兰元件的螺栓孔环与配合结构的螺栓孔环对准；朝向配合结构移动法兰元件，使得内、外抵接表面接触配合结构；以及将螺栓插入螺栓孔中。该方法还包括以下步骤：拧紧螺栓，使得内、外楔角α1和α2)、内、外闭合角γ1和γ2以及内、外跟角β1和β2均为零。
20、本发明的另一个方面描述了一种用于测试法兰元件和配合结构之间的连接的完整性的方法。环形槽的至少一部分必须与周围环境流体隔离。该方法包括以下步骤：通过压力测试通道向环形槽的该部分施加压力，直到环形槽中的压力达到预定的测试压力，并观察压力是否随时间下降。
技术特征：
1.一种用于连接管状元件(26)的环形法兰元件(20)，所述法兰元件(20)包括：
2.根据权利要求1所述的法兰元件(20)，其中，所述外前表面(31)和所述内前表面(30)的至少一部分相对于与所述中心轴线(a)垂直的平面p具有非零角度。
3.根据权利要求2所述的法兰元件(20)，其中，所述至少一个环形槽(70)配置成允许所述内前表面与所述外前表面之间的柔性运动，使得所述内前表面与所述外前表面相对于所述平面(p)的非零角度在连接到所述配合结构期间可以从非零变为零。
4.根据前述权利要求中任一项所述的法兰元件，其中，所述环形槽布置成使得当连接到所述配合结构时，在所述内前表面与所述外前表面的运动期间，所述附接部分处于固定位置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的法兰元件(20)，其中，所述外法兰部分(44)还包括：
6.根据前述权利要求中任一项所述的法兰元件(20)，其中，所述内法兰部分(21)包括均匀分布在所述中心轴线a周围的多个内螺栓孔(38)，并且所述外法兰部分(44)还包括均匀分布在所述中心轴线a周围的多个外螺栓孔(39)。
7.根据权利要求5所述的法兰元件(20)，其中，所述外法兰部分(44)包括位于所述外法兰跟(42)与所述外法兰楔(40)之间的外环形凹部(37)，其中，所述多个外螺栓孔(38)位于所述凹部中，并且其中，所述内法兰部分(44)还包括位于所述内法兰跟(34)与所述内法兰楔(32)之间的内环形凹部(36)，其中，所述多个内螺栓孔(39)位于所述内法兰凹部(36)中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的法兰元件(20)，其中，所述至少一个环形槽包括一个环形槽(70)，所述环形槽沿与所述中心轴线a平行的方向从所述内前表面和所述外前表面(30，31)之间的位置延伸至距所述附接部分一距离的位置。
9.根据权利要求5和7所述的法兰元件(20)，其中，所述环形槽(70)在任何给定深度处的宽度(w)至少为：w＝d×sin(β1)+d×sin(β2)，其中，d是从所述给定深度到所述环形槽(70)的内端(71)的距离。
10.根据权利要求4和7所述的法兰元件(20)，其中，所述多个内螺栓孔和所述外螺栓孔(38，39)分别具有增大的半径δri和δro，以便于螺栓插入并允许所述内法兰部分和所述外法兰部分(30，31)旋转而不弯曲螺栓，其中，所述内螺栓孔的δri至少为：δri＝ti×sin(α1)，并且其中，所述外螺栓孔的δro至少为：δro＝to×sin(α2)，其中，ti和to分别是所述内法兰元件和所述外法兰元件(30，31)的厚度，
11.根据前述权利要求中任一项所述的法兰元件(20)，其中，所述环形槽(70)从所述内前表面和所述外前表面(30，31)向所述后侧(22)的表面延伸至少一半，更优选地延伸大致三分之二。
12.根据前述权利要求中任一项所述的法兰元件(20)，其中，所述至少一个环形槽(70)包括向内倾斜的内槽和向外倾斜的外槽，所述内槽和所述外槽在所述内法兰跟表面和所述外法兰跟表面(35，43)之间具有共同开口。
13.根据权利要求5所述的法兰元件，其中，所述后侧(25)的所述内部部分和所述外部部分(25a，25b)的表面相对于所述平面p具有与相应的内法兰闭合角和外法兰闭合角α1和α2对应的角度。
14.根据前述权利要求中任一项所述的法兰元件(20)，其中，压力测试通道(75)从所述法兰元件的外表面延伸到所述环形槽(70)的一部分，当所述法兰元件完全安装时，所述部分与周围环境是流体隔离的。
15.将根据权利要求5所述的法兰元件(20)连接到具有与所述法兰元件的螺栓孔(39，38)配合的内环螺栓和外环螺栓(73'，72')的方法，包括以下步骤：
16.将根据权利要求5所述的法兰元件(20)连接到具有与所述法兰元件的所述螺栓孔(39，38)配合的内螺栓孔和外环螺栓孔(39'，38')的方法，包括以下步骤：
17.一种用于测试根据权利要求14所述的法兰元件(20)与配合结构之间的连接的完整性的方法，包括以下步骤：
技术总结
本发明描述了一种用于连接管状元件(26)的环形法兰元件(20)，其包括径向向外延伸的外法兰部分(44)，所述外法兰部分包括具有用于连接到配合结构的外前表面(31)的外前侧(28)。所述法兰元件(20)还包括径向向内延伸的内法兰部分(21)，其包括具有用于连接到配合结构的内前表面(30)的内前侧(29)，以及从后侧(25)延伸的附接部分(22)，适于牢固地附接至所述管状元件(26)。所述内法兰部分和外法兰部分(21，44)被至少一个环形槽(70)部分地分开，所述环形槽在所述内法兰部分和外法兰部分(21，44)之间延伸，从所述内前表面和外前表面(30，31)之间的位置朝向距所述后侧(22)一距离的位置。
技术研发人员：苏尔·拉塞森
受保护的技术使用者：TP产品股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5