海上風電機組基礎結構典型管節點疲勞分析

文 | 季曉強，王健，高宏飆，唐永衛，王濱

近年來，隨著海上風力發電在新能源領域中的技術日漸成熟，海上風電機組的容量不斷增大，風電機組的尺寸和重量也都大幅度增加，對于其支撐結構——海上風電機組基礎結構的要求也在不斷提高。在風電機組設計壽命服役期內，海上風電機組基礎結構長期處于復雜而惡劣的海洋環境中，遭受來自上部風電機組和海洋環境引起的交變應力循環次數可達109之多，結構中的薄弱環節，尤其是管節點部位易受到疲勞破壞的影響。因此，為保證海上風電機組基礎結構的安全性和經濟性，在風電機組基礎結構設計過程中，需要對典型管節點進行疲勞研究。目前對于風電機組上部荷載和波浪荷載聯合作用下典型管節點的疲勞損傷，一般先計算單獨載荷作用下的疲勞損傷，然后采用簡單相加法、等幅荷載法和直接公式法等方法進行組合計算，三種分析方法各有局限性，因此，需要根據基礎結構實際情況選擇合適的方法進行疲勞分析。

本文以江蘇某實際海上風電項目為背景，三樁導管架基礎為研究對象，結合該海域環境特點，分析了風電機組上部荷載或波浪荷載單獨作用以及聯合作用下的基礎結構典型管節點疲勞損傷，給出了分析流程和三種方法的計算結果對比，最終得到適合該項目的海上風電機組基礎結構疲勞分析方法。本文研究旨在為我國海上風電機組基礎結構疲勞分析提供參考，以及為保障海上風電機組結構的長期安全服役提供技術支撐。

聯合作用下的疲勞損傷理論

本文研究對象為某實際3.6MW風電機組，葉片風輪直徑122.9m，輪轂高度90m，風電機組基礎為三樁導管架結構型式。在陸上風電機組疲勞分析中，通常僅考慮風電機組荷載對結構影響；但對于海上風電機組，還需考慮海洋環境荷載，否則結構將存在較大誤差。海上風電機組基礎承受的風電機組荷載與波浪荷載在時間和空間上都具有多變性，風電機組荷載引起的疲勞損傷由確定性方法計算，波浪荷載引起的疲勞損傷通過譜分析方法得到；如將兩種荷載引起的疲勞損傷進行簡單組合，將導致計算結果與實際情況偏差較大。最理想的方法是能夠得到結構在聯合作用下的真實響應，由響應值計算結構的總損傷，但這在結構設計階段是無法完成的，在結構運行階段也因存儲量過大、傳感器耐久性等原因而難以實現。本文采用簡單相加法、等幅荷載法和直接公式法開展海上風電機組基礎結構的疲勞損傷對比評估，以期為海上風電機組基礎結構設計提供技術支持。

一、簡單相加法

計算不同荷載單獨作用下結構產生的疲勞損傷，取二者損傷之和作為聯合作用下結構總損傷。該方法操作簡單，具有一定的參考價值，但理論上存在缺陷，計算結果較真實結果偏小，易造成安全隱患。

二、等幅荷載法

對兩種荷載作用產生的應力幅值進行疊加，根據疊加后的應力幅值計算總疲勞損傷，其數學表達式如下：

式中，D為結構發生疲勞時總損傷量；A、m為所用S-N曲線的兩個參數；ni為結構在應力范圍Si交變應力作用下實際循環次數；Si為第i個荷載作用下的結構應力范圍幅值。

式中，D1為高頻響應的疲勞損傷；D2為低頻響應的疲勞損傷；v1為高頻響應的平均跨零率；v2為低頻響應的平均跨零率。

等幅荷載法適用于確定性荷載引起的疲勞損傷分析，且計算結果較真實結果偏大，偏于保守。本文將波浪荷載引起的疲勞損傷轉化為確定性等效波浪荷載引起的疲勞損傷，等效波浪荷載的周期采用波浪長期分布的平均周期，將波浪等效荷載與塔筒底部等效風電機組荷載進行聯合作用分析。

三、直接公式法

采用窄帶高斯響應過程疲勞損傷計算公式進行總疲勞損傷計算：

式中，Dz為聯合響應的疲勞損傷。

直接公式法適用于窄帶隨機荷載聯合作用引起的疲勞損傷分析，計算中將隨機荷載分布等效成高斯分布。由于風荷載長期分布服從威布爾分布，其計算結果與真實結果雖存在偏差，但偏差不大。因此，本文將塔筒底部等效風電機組荷載轉化為服從高斯分布的塔筒底部隨機荷載，結合波浪隨機荷載進行聯合作用分析。

典型管節點疲勞損傷分析

一、分析流程

本文用確定性方法分析風電機組上部等效荷載引起的基礎結構疲勞損傷，用譜分析方法分析由波浪荷載引起的基礎結構疲勞損傷，并計算上部等效荷載與波浪荷載聯合作用下基礎結構疲勞損傷，流程圖如圖1所示。

二、建立有限元模型

風電機組三樁導管架基礎結構桿件連接處是應力集中區域，本文將上斜撐與主筒體交接處、斜撐與樁套管連接處、水平撐與主筒體連接處設置為熱點應力關注位置，如圖2所示，其熱點應力采用應力集中系數SCF和名義應力的乘積來計算，應力集中系數根據Efthymiou公式計算得到，并參照DNV規范設置最小應力集中系數為1.5。

海上風電機組基礎在服役期間，表面通常會有海洋生物附著，影響風電機組結構的質量分布與受力，本文基于DNV規范確定海生物附著的厚度、密度和糙率等參數。

風電機組上部荷載或波浪荷載單獨作用引起的疲勞損傷

一、 風電機組上部荷載引起的疲勞損傷

風電機組上部結構受到風荷載及內部運轉等多方面聯合作用，傳遞至基礎法蘭面處的應力歷時過程相當復雜，在本文中，風電機組上部荷載主要以塔筒底部等效荷載為主，通過雨流計數法將基礎法蘭面處荷載等效成多級交變荷載，每一級荷載可用正弦荷載等效，等效周期為荷載歷時過程的平均周期。

圖1 風電機組疲勞分析流程圖

圖2 風電機組基礎熱點應力區域示意圖

圖3 年疲勞損傷值時間變化曲線（風電機組上部荷載引起）

基于風電機組塔筒底部各級等效荷載，采用S-N曲線和Miner線性累積疲勞損傷準則，并考慮基礎結構腐蝕狀況，計算得到熱點應力關注位置處塔筒底部等效荷載引起的疲勞損傷平均期望隨時間變化情況。由圖3可見，②位置疲勞損傷最為嚴重，①位置疲勞損傷次之，③位置疲勞損傷最輕；同一位置處年疲勞損傷值隨腐蝕程度加劇呈現非線性增加變化趨勢，抗疲勞性能下降。

二、波浪荷載引發的疲勞損傷

波浪主要是由風作用引起的，具有時間和空間的隨機性。為了研究過程中描述方便，一般采用波浪譜形式，波浪譜主要有JONSWAP譜、P-M譜、布氏譜等，本文基于DNVGL規范采用JONSWAP譜。

風電機組基礎結構由波浪荷載產生的疲勞損傷是長期歷時產生的損傷，故采用波浪的長期分布。在設計壽命期內對疲勞損傷產生貢獻的主要是出現頻率高的波浪，本次計算根據工程場區所在海域的年統計波浪要素，得到如圖4和圖5的JONSWAP譜，由圖可知，各海況波浪能量主要集中在角頻率0.6～9.15rad/s范圍內。

波浪荷載導致的典型管節點疲勞損傷采用譜分析法，通過ASAS軟件進行計算，分析中根據DNV規范考慮疲勞修正，并依據基礎結構腐蝕情況，得出波浪荷載引起的風電機組基礎結構熱點位置疲勞損傷平均期望隨時間的變化趨勢，計算結果見圖6。

由圖6可知，②位置疲勞損傷最為嚴重，③位置疲勞損傷次之，①位置疲勞損傷最輕；同一位置處年疲勞損傷值隨著腐蝕程度加劇而增加，抗疲勞性能下降。

三、 聯合作用下風電機組基礎的疲勞損傷

風電機組運營過程中受到風電機組上部荷載和波浪荷載的聯合作用，其疲勞損傷亦是塔筒底部等效荷載和波浪荷載聯合作用的結果；在已知塔筒底部等效荷載和波浪荷載引起的疲勞損傷的基礎上，采用簡單相加法、等幅荷載法、直接公式法，對風電機組基礎進行聯合荷載作用下的疲勞損傷分析，并對其結果進行比較，如圖7所示。

由圖7可見，無論是哪種組合方法，②位置疲勞損傷最為嚴重，①、③位置疲勞損傷相差不大；同一位置處年疲勞損傷值隨著腐蝕程度加劇而增加，抗疲勞性能下降；等幅疊加法的計算結果最大、直接公式法次之、簡單相加法最小。

簡單相加法忽略了荷載時間上的同步性，僅將各荷載引起的損傷簡單相加，計算結果較小，易造成抗疲勞性能的高估；等幅疊加法忽略了聯合荷載作用下應力過程的復雜性，僅單純對應力幅值進行疊加，忽略了荷載周期和相位的影響，計算結果較大，易造成經濟上的浪費；直接公式法從譜分析入手疊加應力譜，進而分析結構總疲勞損傷，理論上計算結果更為精確，偏差僅取決于實際應力分布與高斯分布的差別。本工程風電機組荷載和波浪荷載的本質均為隨機荷載，引起的結構應力分布與高斯分布相差不大，因此直接公式法的計算結果更為合適。

圖4 Hs=0.7m、Tz=1.55s時的JONSWAP譜

圖5 Hs=0.7m、Tz=4.55s時的JONSWAP譜

圖6 年疲勞損傷值時間變化曲線（波浪荷載引起）

由圖7還可以看出，對于直接公式法，疲勞損傷最為嚴重的②位置在聯合荷載作用下受海洋腐蝕影響較為明顯，年疲勞損傷值隨著腐蝕程度加深而加劇，管節點抗疲勞性能隨之降低；通過上述疲勞損傷歷時曲線，可以預測出其疲勞壽命為27.1年，超過風電機組基礎設計壽命25年，滿足設計要求。

圖7 聯合作用下年疲勞損傷值時間變化曲線

攝影：李新星

結論

本文以江蘇海域某實際海上風電項目三樁導管架基礎為例開展疲勞分析方法研究，在計算得到風電機組上部荷載及波浪荷載單獨作用下的年疲勞損傷值的基礎上，研究不同組合方法對聯合荷載作用下年疲勞損傷值的影響，并得到以下結論：

（1）風電機組上部荷載或波浪荷載單獨作用及兩者聯合作用下，均為樁套管與撐桿連接處的疲勞損傷最嚴重。

（2）風電機組基礎結構疲勞損傷受海洋腐蝕影響較為明顯，同一位置處年疲勞損傷值隨著腐蝕程度加深而加劇，管節點抗疲勞性能隨之降低。

（3）對于本示例海上風電機組結構疲勞損傷分析，直接公式法的計算結果更為合適，計算得到本示例海上風電機組基礎結構疲勞壽命為27.1年，超過設計壽命期25年，滿足設計要求。