漂浮式风机基础结构强度设计

聂焱

(上海勘测设计研究院有限公司，上海200434)

随着社会的发展，能源需求日益旺盛。以煤碳为代表传统能源在给人们生活带来便利的同时，也给生态环境带来了非常严重的破坏。清洁能源的开发和研究变的越来越迫切,以风电为代表的可再生能源迎来历史性的发展机遇。

我国风能资源丰富，陆地风能和海上可开发风能储量巨大，其中以海上风能为主。随着近岸资源的开发趋于饱和，海上风电产业逐步向深远海发展。随着水深的增加，传统的固定式风机基础渐渐无法满足需求，漂浮式风机将成为风电产业发展的主要方向。漂浮式结构在海洋油气行业已经非常成熟，但是在风电领域运用还不多。漂浮式风机基础的重量和排水量都远小于石油平台，但是在设计难度上甚至要比油气平台难度更大，风载会对基础结构产生一个很大的风倾力矩，使整个系统处于一个不平衡的状态，需要靠锚泊系统来平衡，这就对锚泊系统的设计要求更加复杂，风机本身运行条件的限制也对基础结构的运动性能提出了更大挑战。

深远海风电场具有以下优势：风资源丰富，离岸远，减少噪声污染，对海洋环境影响小。但是由于离岸较远，风机后期的运维成本也会比较高，这就对风机基础结构的设计提出了更高的要求。

1浮式风机基础的类型

漂浮式风机基础结构主要分为单柱式、半潜式和张力腿[1]。

单柱式(spar)吃水很深，垂向波浪激励力小、垂荡运动小，因此单柱式基础有较好的垂荡性能，但是由于单柱式基础水线面对稳性的贡献小，所以它横摇和纵摇值较大。

图1漂浮式风机基础形式

半潜式(semi-submersible)基础是目前技术相对成熟的海上风电浮式基础，基础通常由甲板箱，立柱以及浮箱等组成。风机通常安装在基础结构的几何中心或者其中一个立柱上。支柱内部通常被划分成多个舱室，方便布置压载并调节结构平衡。处于漂浮状态时，立柱较大的水线面积可以提供风机系统需要的稳性。基础结构一般由一定数量的悬链线锚泊系统来防止结构水平漂移。半潜式基础吃水小，在运输和安装时具有良好的稳定性，移动灵活，运行可靠，具有较强的经济性。

张力腿平台与其他浮式平台相比，最大特点是张力腿平台排水量大于平台自身重量，需要通过张紧系泊的筋腱提供张力保持平衡。这样的设计使得张力腿平台垂向运动固有周期小于5 s，在典型波浪频率范围之外。另一方面，张力腿平台水平运动固有周期与传统半潜平台类似，大约100 s。

以上几种漂浮式结构各有特点，单柱式结构简单，波浪和结构动力响应小，由于吃水很深，所以不能用在浅水区域，对于国内这种大陆架延伸范围广、坡度缓的海域，适用性并不太好；张力腿平台固有频率容易与风机发生共振，系泊设计难度大，涉及到新技术较多，成本较高；本文以最成熟的,也是适用范围最广的半潜式平台为例，来讨论漂浮式风机基础的结构强度设计。

2半潜式风机基础概述

目前国外主流的半潜式漂浮风机基础结构是三立柱式，不同点在于三立柱之间的连接形式。一种是通过横撑和斜撑连接三个立柱，另一种是通过一个较强的甲板箱体连接三个立柱而取消斜撑。考虑到风机基础在投入使用之后会持续服役几十年，所以结构的疲劳寿命至关重要。多斜撑的结构在斜撑与立柱、斜撑之间的连接点处会形成疲劳敏感区，所以尽可能的减少斜撑的数量会减轻结构疲劳设计的压力。立柱间的斜撑系统的主要目的是为了限制立柱的相对变形，而相应的增加甲板箱体的刚度，同样可以实现这一目的。所以本文设计的结构形式只包含立柱间的水平横撑，如图2所示。模型坐标系如图3所示，z轴竖直向上。基础主尺度见表1。

图2三立柱半潜式风机基础模型

图3坐标系及波浪方向

表1风机基础结构主尺度

3载荷工况

漂浮式风机所承受的载荷主要包括风，浪，流和船舶撞击等。本文主要针对风机基础的初步设计进行讨论，所以载荷工况将进行如下简化：

1)为简便计算，风载荷只取风机塔底的极限载荷以点载荷的形式施加在风机与基础结构的连接点,本例选取某厂商5.5 MW的风机所产生的载荷；

2)流载荷主要使平台产生水平漂移，是锚泊系统设计时主要考虑的因素，在本文中将不做讨论；

3)船舶撞击载荷是考虑风电场运维检修船只的靠泊载荷。载荷的大小依据运维船只的排水量和规定的靠泊速度来决定。该载荷在详细设计阶段予以考虑，如果局部结构强度不够，可以通过局部加强的方式来解决。

4)波浪载荷。波浪载荷[2]的选取参考半潜式石油平台的设计波法。通过频域计算，在一系列浪向和周期的组合中搜索使结构产生最大特征载荷的波浪工况，用于结构强度分析。特征载荷通常包括横向撕裂力，纵向剪力，最大扭矩以及平台在x、y、z方向上的惯性力[3]。这六个特征载荷的短期预报图谱见图4，最终的设计波表格见表2，图谱与表格内数据按顺序一一对应。

图4短期预报图谱

表2短期预报特征载荷

4边界条件

在锚链和结构相连的位置施加弹簧约束，弹簧约束的刚度等于锚泊系统的刚度，以此来平衡风机载荷，并在此基础上对整个结构惯性释放。

5基础结构设计方法

基础结构设计依照DNVGL-ST-0119规范执行，采用载荷抗力系数法，计算工况只考虑极限载荷工况(ULS)。工况组合的载荷系数按照表3选取。

表3载荷系数

极限工况下，结构名义应力应满足以下要求：

其中[σ]通过材料屈服极限应力除以材料系数得到，极限工况下材料系数取1.15。本例中选用极限载荷为355 MPa的钢材。

6计算结果

风机基础结构强度分析结果见表4和图5。可见除了局部应力超限以外，整体结构强度满足规范要求。局部的应力超限是由于用于计算分析的模型没有考虑局部加强产生的，在详细设计时对风机和基础连接的高应力区做足够的加强方案即可。

表4图示热点位置应力极值

7结语

本文以三柱式风机基础结构为研究对象，参考半潜式油气平台的整体结构强度分析方法，联合风机载荷，对半潜式风机基础做了整体结构强度分析。由于风机参数都是商业机密，所以风机和基础结构的一体式载荷仿真无法完成。本文采用的是风机和基础结构分离式计算方法，即先由风机厂商提出塔底与基础结构连接处的载荷，然后施加在基础结构上，再考虑基础结构所承受的波浪载荷、锚泊系统刚度等因素来进行分析。这种分析方法无法考虑风和浪的耦合效应，只能用最大风载和基础结构所承受的其他载荷线性叠加，对于极限强度校核来说是偏保守的。从计算结果可见本文选取的结构形式的极限强度基本满足规范要求。

本文只讨论了极限强度的计算方法，但是对漂浮式风机来说疲劳寿命也至关重要。本文选取的结构形式减少了斜撑的数量，相应的减少了斜撑连接带来的疲劳敏感区，为后期的疲劳设计减轻了压力。

图5极限强度应力极值(0～300 MPa)

对于漂浮式结构设计来说，还应该考虑气隙[4]，波浪抨击[5]等因素，这里不做详细讨论。