Spar型浮式風機疲勞性能的研究進展

(武漢理工大學 湖北 武漢 430070)

風機基礎根據安裝水域深淺程度分為：固定式基礎和浮式基礎。固定式基礎一般安裝在水深30m以內的淺水區域，主要有重力式、單樁式、多樁承臺、三樁式、導管架式等基礎。當水深超過50m時，浮式風機基礎的造價成本比固定基礎更經濟，主流的浮式風機基礎有Spar型基礎、Barge型基礎、Semi型基礎和TLP型基礎。

各種浮式風機基礎在構造上存在著明顯的差異，其適用條件和受力特點也有著較大的區別，本文重點對Spar型浮式風機的研究現狀進行綜述。

一、Spar型浮式風機結構的特點

浮式風機系統主要由葉片、機艙、塔架、浮式平臺和系泊系統構成。如圖1所示。浮式風機所處海洋環境復雜，其中風、波浪和流冰荷載是作用在海上浮式風機的主要荷載。

塔架由三部分組成，上下部分為兩段不同直徑的圓柱，中間以圓臺連接過渡，風機系統吃水深度為120m，浮式基礎上部分與塔架連接，通過調整壓載艙使浮心位置在重心之上，保證系統的穩定性。系泊系統采用了3根錨鏈懸鏈線定位的方法，每根錨鏈與基礎相連。

圖1 風機系統模型

二、Spar型風機結構的研究現狀

海上浮式風機系統不僅會受到風、波浪、海流、以及流冰等載荷作用，與陸上風機相比，海上風機還會受到腐蝕、凍融、海生物附著等多種環境因素的相互作用，其受力情況更加復雜。針對浮式風機所承受的這些載荷，海內外許多專家和學者做了大量的分析研究。

高巍等[1]利用動力學分析軟件對空氣-水動力耦合時域研究，分析了在風浪流耦合作用下Spar基礎風機的動力響應，比較了在不同工況作用下對系泊系統的影響。蒙宣伊[2]等利用海洋工程浮體分析軟件對Spar式風機基礎進行時域分析，研究了幾種特殊工況作用下系統的運動響應。成欣等[3]利用水動力軟件ANSYS/AQWA研究了Spar基礎在風浪流聯合作用下的頻域特性和時域動力響應，并分析了各波浪力成分隨頻率的變化規律，得出附加阻尼力是Spar基礎的主要波浪力成分。

海上風機受到多種環境荷載耦合作用，為了探究哪種荷載的影響更大，張毅[4]等基于Kaimal 風速譜模擬風載荷計算，采用K?rn?冰力譜模擬冰載荷計算，最后對比風荷載和冰荷載分別單獨作用下和風冰聯合作用下結構的動力響應。為了探究冰載對結構的影響，黃焱等做了許多關于冰與帶抗冰錐體結構物的相互作用模型試驗，研究發現[5]：冰荷載是由幾種頻率成分構成的，當冰與結構作用時，冰荷載中的任一種成分與風機的自振頻率相差小于±10%時，將會引起結構的共振效應，極易造成結構損壞。

浮式風機承受風、波浪、流冰等多種荷載耦合作用，浮式風機在這些復雜荷載的作用下極易產生疲勞損傷。章海亮[6]等利用有限元軟件對結構關鍵部位建立子模型，利用多邊界插值法計算了不同工況下關鍵節點的應力時程，最后基于線性損傷理論和S-N曲線預測了各關鍵節點的疲勞壽命。劉超[7]等分析了導管架平臺的動力響應，利用雨流計數法和Miner線性累積損傷理論，評估了導管架平臺在各海況作用下的疲勞壽命，得出短期海況對結構疲勞壽命影響十分顯著。方磊[8]采用挪威船級社SESAM軟件建立Spar平臺有限元模型，對錨鏈頻域響應譜進行分析，基于S-N曲線和斷裂力學方法評估結構的疲勞壽命。

在風機運行期間，系泊系統與風機基礎連接部位是最容易發生疲勞損傷的部位，在復雜的海洋環境作用下，一旦導纜孔發生應力集中現象，便會導致風機結構疲勞損傷破壞的發生，造成嚴重的安全事故。為了研究浮式基礎運動響應和錨鏈張力的變化規律，鄧露[9]等通過改變導纜孔的位置以及錨鏈之間的夾角，分析這些參數對風機發電效率、平臺運動響應和錨鏈張力的影響。李夢陽[10]等計算了不同環境條件下風機平臺受到的載荷，通過改變預張力的大小、導纜孔位置及導纜孔布置形式，分析這些參數對系泊系統位移和錨鏈張力的影響。

三、結論

目前，對于浮式風機結構的研究，主要是通過足尺縮尺實驗和有限元數值模擬等方式來實現的，雖然國內外學者做了大量的模擬研究，但對風機系泊系統導纜孔結構的疲勞性能研究性對較少。導纜孔作為浮式風機塔架和系泊系統重要的連接部位，其結構特殊且容易造成損傷，是浮式風機的薄弱部位。在風機運行期間，導纜孔是最易產生疲勞損傷的位置，一旦導纜孔發生疲勞破壞，將會加速浮式風機結構失效，造成嚴重的經濟損失。由于導纜孔一直處于海洋環境中，極易產生銹蝕，應分析銹蝕狀態下，導纜孔在荷載作用下的疲勞性能，從而保證浮式風機結構在服役過程中的安全性。