海上風機基礎防撞型式及浮式防撞設施技術難點分析

程子碩 晁鵬飛 何杰 孔先輝 馬洪巖

摘要：為歸納海上風機基礎防撞設施的基本型式及浮式防撞型式的應用技術難點，以福建省興化灣海上試驗風場為例，概述了風機基礎被動防撞、主動防御型式的優(yōu)缺點和適用條件。針對浮式防撞設施的結構特點，結合研究海域的水文環(huán)境、氣候條件等因素，重點探討了浮式防撞設施在海上風機基礎防撞應用中面臨的關鍵技術難題，給出了防撞標準、耐撞性能、疲勞損壞及環(huán)境適應性等方面的研究方向及建議。

關鍵詞：風機基礎;海上風電;防撞型式;浮式防撞;船樁碰撞;疲勞損壞

中圖法分類號：TK83文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.008

文章編號：1006 - 0081（2021）07 - 0040 - 05

海上風電因節(jié)約土地、風資源儲備量大及靠近用電市場等天然優(yōu)勢，得到了快速發(fā)展。海上風電場場址范圍與海上航線、傳統(tǒng)漁場等區(qū)域逐漸靠近甚至交叉存在，船舶與海上風機基礎發(fā)生碰撞的概率也隨之大大增加[1]。一旦發(fā)生船舶碰撞事故，風機基礎將可能發(fā)生失穩(wěn)、傾斜等問題，影響風力發(fā)電機的正常運行，造成較大的發(fā)電量損失和產生安全風險，且船舶也會因碰撞造成損傷，嚴重時甚至會發(fā)生燃料泄露和沉船事故，造成重大環(huán)境污染和人員傷亡事件[2]。

李艷貞[3]、Bela[4] 等分別運用非線性有限元模擬船舶側向撞擊海上風機導管架、單樁基礎的碰撞過程，表明不利條件下撞擊事故會造成風機基礎損傷，但沒有給出主動防御或被動防撞型式的具體措施以減少碰撞損害。楊思遠[5]模擬分析了有無防撞設施的船撞基礎過程，結果表明：有防撞設施的碰撞過程時間延長，最大撞擊力降低，但文中主要研究了防撞設施材料的性能參數，并沒有涉及防撞標準、環(huán)境適應性等關鍵指標的研究。

中國近海深水風電場建設處于起步階段，技術尚未完全成熟，對海上風機基礎浮式防撞設施研究不多，也較少有標準規(guī)范可供參考。本文在分析了國內海上風機基礎防撞型式及特點的基礎上，介紹了不同防撞型式的適用范圍，重點探討了風機基礎浮式防撞設施關鍵指標、防撞體耐撞性、連接件性能及疲勞損壞機理等方面的技術難題，并給出了研究的基本思路和方向，可供海上風電相關研究人員參考。

1 防撞設施基本型式及適用性

1.1 主動防御

一般認為，主動防御是依靠安裝在風機基礎上的探測裝置、攝像工具等，在撞擊事故發(fā)生之前及時發(fā)現靠近的船舶，并通過監(jiān)控中心發(fā)出警告等方式提醒靠近的船舶注意避讓，進而構建全天候海上風場船舶航行的監(jiān)控、預警系統(tǒng)。主動防御的主要特點是基于AIS數據、雷達數據等對海上風場區(qū)域通航的船舶行為預測分析，在考慮風、浪、流等外界環(huán)境干擾的影響下，預測某段時間范圍內船舶的航行軌跡，并判斷船舶通行危險區(qū)域，確定風機安全范圍。福建興化灣海上試驗風場的主動防御系統(tǒng)包括雷達、AIS、VHF（甚高頻電波）、CCTV（閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)）、掃海燈和服務器等，設備主要功能和作用見表1。該主動防御系統(tǒng)自投入使用以來，在實際應用中較好地預警了進入風場周邊的風險船舶，避免了碰撞事故的發(fā)生。

主動防御的難點在于如何準確及時發(fā)現靠近的船舶，尤其是發(fā)現缺少或關閉船舶自動識別系統(tǒng)的漁船等船舶，并評估與風場基礎發(fā)生碰撞的可能性。此外，在船舶失去控制的情況下，主動防御預警攔截方案將不再適用，此時失事船舶噸位可能更大，速度也相對更快，一旦發(fā)生碰撞事故造成的損失較大。因此，主動防御方案在應對不受控制的船舶、漂浮物等碰撞風機基礎事故方面需要進一步研究。

1.2 被動防撞

被動防撞是在發(fā)生船舶撞擊風機基礎事故時，能夠依靠自身的結構強度盡量減小基礎損傷的結構型式。常見的風機基礎附著式被動防撞設施主要采用橡膠護舷、靠船柱等固定式防護結構，即依靠風機基礎附屬結構提供靠泊抵抗力。這種設計方案簡單易用，但限制也同樣突出。一方面防撞能力過小，難以適應海上風機基礎越來越高的防撞性能要求。另一方面，護舷等結構的主要作用是風機基礎的登乘系統(tǒng)，僅具備某些方向——大多是漲潮或者落潮方向的防撞能力，無法防范來自風機基礎四周各個方向的船舶撞擊（圖1），且由于漲落潮水位變化大，固定式的防撞型式導致保護基礎范圍有限。

另一種提高海上風機基礎被動防撞性能的方法是增加基礎自身剛度，優(yōu)化基礎型式，依靠基礎自身強度抵抗船舶撞擊力。這種方式會造成風機基礎剛度富裕，樁基鋼管壁厚變大，需要耗費大量鋼材，增加基礎造價，進而影響整個風場的經濟可行性。且此種方法設計的防撞能力一般較低，因壁厚過大導致的邊際效應、經濟性等原因造成防撞性能上限提高幅度不大，只能抵擋能量較小的船舶碰撞，留下了安全隱患。

近期，一些研究人員借鑒跨海大橋橋墩防撞型式結構，提出了海上風機基礎浮式防撞設施的概念[6-8]。浮式防撞設施屬于被動防撞的一種特殊型式，主要由防撞體、連接件、附屬結構等構成，最大優(yōu)點是能夠隨水面上下浮動，防撞性能高，結構質量輕，從而達到節(jié)省材料，降低造價的目的。浮式防撞尤其適用于潮差變化大、浪涌變化幅度小的區(qū)域，可在較高性價比的基礎上，使基礎保護范圍足夠大。作為柔性防護的一種常用結構型式，浮式防撞不僅能夠對風機基礎起到較好的保護作用，同時也能夠最大程度降低撞擊船舶的損傷，避免撞擊事故造成的損失進一步擴大。

1.3 不同防撞結構型式的優(yōu)缺點及適用性

不同的海上風機基礎防撞結構型式具有不同的優(yōu)點和適用性（表2），主動防御可以做到提前預警，最大程度避免撞擊事故發(fā)生，但其在防御失控船舶、大型漂浮物等方面作用不大，因此適用于船舶應答設備齊全、風場毗鄰航線的近、遠海風電場;以附著式和依靠自身剛度為代表的被動防撞型式因其方案簡單易用、施工方便仍有一定的運用價值，考慮到其防撞能力不高，因此該方案往往應用于航行船舶噸位小、潮差變化小的近海淺水風電場;作為一種新型柔性防撞結構，浮式防撞具有防護范圍大、防撞能力高、適應性強的特點，但目前應用技術不夠成熟，面臨的一些技術難題亟待解決。

2 浮式防撞設施應用技術難點

2.1 海上風機基礎防撞標準

浮式防撞設施的根本作用在于發(fā)生船舶撞擊風機基礎事故時，避免基礎發(fā)生不可修復的損壞，影響風力發(fā)電機組正常功能，以及可在一定程度上降低撞擊事故對船舶產生的損傷。因此在進行浮式防撞設施設計時，風機基礎的防撞標準必須明確。海上風機基礎防撞標準是進行防撞設計的首要條件，只有根據防撞指標設計浮式防撞設施，才能達到技術可行、經濟合理的效果。

目前，國內海上風電場的被動防撞設施主要參考DNVGL、ISO19902、API等海洋結構相關規(guī)范推薦的指導方法設計[9-11]，一般給定船舶失控速度為0.5 m/s，即使在極限工況下，船舶失控速度也僅按工程所在海域的潮流速度控制，約為2.0 m/s，遠遠達不到防護基礎的作用。以福建興化灣海上試驗風場為例，工程海域防撞標準的確定（圖2），首先，需要分析AIS數據獲得通航船舶的速度、噸位、頻次、船型、偏航角等參數的概率分布，確定可能發(fā)生撞擊事故的船舶速度、噸位和撞擊發(fā)生位置等參數;其次，統(tǒng)計工程海域的水文資料、水流速度、波浪參數、防撞水位、航道概況等參數，基于數值模擬和模型試驗，確定不同基礎型式的經濟可行的防撞標準。

2.2 防撞體耐撞性能及結構型式

浮式防撞設施通過延長碰撞時間，緩沖消減船舶撞擊力峰值[12]，使最終傳遞到基礎的撞擊力小于基礎設計荷載，進而保護風機基礎安全。海上風機基礎多種型式并存，不同的基礎型式對防撞性能及結構型式的要求不同，如導管架基礎、單樁基礎和浮式風機基礎等就需要分別考慮不同的防撞型式及性能要求。防撞系統(tǒng)如何與不同基礎實現良好的兼容性，即在不影響風機基礎主體功能的前提下，又具備良好的防撞功能，需要特別關注。對防撞系統(tǒng)整體防撞性能的研究需要綜合考慮風機基礎型式、風浪條件、水位變化以及通航船舶噸級、碰撞速度等因素[13]，根據海上風機基礎-船舶碰撞特點，確定經濟安全的結構型式。

防撞體通常由起支撐作用的鋼骨架，高彈性、低密度、吸能好的填充物，耐高鹽、耐防腐的表層復合材料組成[6，8]。耐撞性能的研究需要給出量化指標，如防撞結構在一定的受力變形下，能夠吸收多大的撞擊能量，產生多大范圍的反力等關鍵參數。由于船-防撞結構-風機基礎相互作用下的船撞動態(tài)響應屬于高度非線性行為，選用材料也是非標構件，現有規(guī)范和簡化公式無法解決該問題，需通過模型試驗驗證數值仿真結果，以獲得理想的材料參數、單元尺寸及失效模型[5]，為風機基礎船撞損傷研究提供數據支撐。

2.3 連接件性能及疲勞損壞機理

近海深水區(qū)域海洋水文條件惡劣，環(huán)境荷載復雜，對浮式防撞設施的連接件性能要求較高，以保證防撞系統(tǒng)的可靠性及安全性。浮式防撞設施體積龐大，往復波浪載荷是其主要受力，連接處在波浪彎矩的長期作用下會產生疲勞損傷。這些損傷隨著時間推移逐漸加重，最終導致防撞系統(tǒng)的損毀及失效。風機基礎設計使用年限在25 a左右，如果無法解決連接處的疲勞損壞問題，浮式防撞設施的規(guī)模應用將處處受限。

考慮到實物模型試驗花費較大，費時費力，可通過數值分析方法，模擬浮式防撞結構在波浪和靜水力作用下的受力情況，得到整體結構和連接節(jié)點的彎矩、剪力等數據，進而研究有效措施保證正常使用工況下防撞結構的安全。模擬過程中，波浪譜的輸入選擇非常重要，越貼近實際工況，分析結果將越準確。

2.4 環(huán)境適應性和運維便利性

海上施工條件較為艱苦，施工效率低，存在安全風險，加之施工窗口期較少，作業(yè)時間大幅降低[14]。這就要求浮式防撞設施應當結構安全可靠、運輸簡便、安裝容易、拆卸方便，并便于養(yǎng)護維修。海上浮式防撞設施客觀上所面臨的惡劣自然環(huán)境包括鹽霧腐蝕、紫外線照射、海浪沖擊、臺風破壞等。因此防撞設施結構本身要具備較強的海上環(huán)境適應性、較高的耐腐蝕性、抗疲勞損壞以及結構強度，應當較長時間內不用拆換或者養(yǎng)護，除連接部位的抗疲勞損壞外，防腐性能及相關優(yōu)化也值得開展專題研究。

3 結 語

隨著國內海上風電進入大規(guī)模開發(fā)期，風場場址不可避免地會與傳統(tǒng)漁業(yè)區(qū)、航線等相互毗鄰，船舶撞擊風機基礎的風險客觀存在。目前，國內對于海上風機基礎防撞方面的研究還不夠充分，包括業(yè)主、設計單位在內的參建各方還沒有意識到防撞設計的重要性，以至于防撞設計理念大大落后于風機基礎設計理念，在防撞設施與風機基礎一體化設計方面進展緩慢，無法達到最優(yōu)的防撞結構型式。海上風機基礎受到船舶撞擊會影響風機發(fā)電效益，嚴重時甚至造成風機癱瘓。浮式防撞設施可有效提高風機基礎的防撞能力，在海上風電場應用中的技術難題值得深入研究。本文在歸納總結海上風機基礎防撞基本型式及特點的基礎上，針對浮式防撞設施在海上風機基礎防撞應用方面面臨的關鍵技術難題展開探討，提出了進一步研究的方向，并給出了研究的基本思路。

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（編輯：江 文）

Analysis of anti-collision type and floating anti-collision facilities for offshore wind turbine foundation

CHENG Zishuo，CHAO Pengfei，HE Jie，KONG Xianhui，MA Hongyan

（Fujian Yongzheng Construction Quality Inspection Co.， Ltd.， Fuzhou? 350012， China）

Abstract：In order to summarize basic types of anti-collision facilities of offshore wind turbine foundation and the application technical difficulties of floating anti-collision type， taking Xinghua Bay offshore test wind farm in Fujian Province as an example， the advantages， disadvantages and applicable conditions of wind turbine foundation with passive anti-collision type and active defense type were analyzed.? According to the structural characteristics of floating anti-collision facilities， combining with the hydrological environment and climatic conditions of the research sea area，we discussed the key technical issues of floating anti-collision facilities of offshore wind turbine foundation in application， and gave the research direction and suggestions of anti-collision standards， anti-collision performance， fatigue damage and environmental adaptability.

Key words：wind turbine foundation;offshore wind power;anti-collision type;floating anti-collision;ship-pile collision;fatigue damage