海上風電工程結構監(jiān)測技術應用

宋守勇

摘 要：在風電場運營階段，如何對海上風電機組進行有效維護，特別是在惡劣天氣下如何準確判斷風機等海上建筑物及機電設備的運行狀況，需要在風電場建設階段設置針對樁基礎及上部結構的安全監(jiān)測項目，埋設合適的電測傳感器，根據(jù)海上建筑物的實際運行狀態(tài)進行針對性的維護，達到事半功倍的有效運維策略，因此，對海上風電工程的監(jiān)測技術進行分析和研究，有利于準確了解結構運行期內(nèi)部與外部的變形，進而為結構優(yōu)化提供參考數(shù)據(jù)。

關鍵詞：海上風電；工程結構；監(jiān)測技術；應用

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）16-0168-02

1 工程監(jiān)測的必要性

海上風電工程結構承受強風、大浪、海流、浮冰等復雜的海洋環(huán)境荷載及海上鹽霧、潮寒、臺風等惡劣天氣影響，且風、浪荷載具有交變性和隨機性，在這些復雜荷載聯(lián)合作用下結構可能會產(chǎn)生整體傾覆、斷裂失效、屈曲失穩(wěn)、振動疲勞損傷、地基沖刷、液化和弱化等破壞或風險，嚴重影響和威脅海上風電工程的安全性和耐久性。

我國現(xiàn)階段海上風電場運行監(jiān)控和狀態(tài)評價主要參考陸上風機，只進行風機的運行狀態(tài)監(jiān)測，僅在試驗風機的基礎和塔筒的少量部位進行了應力應變監(jiān)測，遠未實現(xiàn)針對海上風電場結構體系的狀態(tài)監(jiān)測，不能滿足對海上風電場結構體系進行狀態(tài)評價的要求。通過振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，海上風機在風、浪等海洋環(huán)境荷載以及風機運行振動作用下，會出現(xiàn)明顯的結構振動，因此對包括結構振動、受力特性和位移變形等在內(nèi)的海上風機結構體系的運行狀態(tài)進行監(jiān)測非常重要。

對于近海高承臺樁風機運行期的安全監(jiān)測國內(nèi)外尚無系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析。為了監(jiān)控風機運行期樁基礎、基礎承臺的應力應變、塔筒過渡段的傾斜情況及塔筒的振動狀態(tài)。通過對風機樁基礎及承臺的應力狀態(tài)、塔筒傾斜及振動分析，可以得出施工期及運行期風機基礎的受力狀態(tài)及運行期風機塔筒振動情況對基礎承臺的影響。

2 監(jiān)測項目設置

本文以多樁承臺基礎的風電場監(jiān)測項目為例設置監(jiān)測項目，其它基礎型式和構筑物可參考設置監(jiān)測項目。

2.1 差異沉降監(jiān)測

一般布置在混凝土承臺頂部，均勻布置4個監(jiān)測點，其中一對監(jiān)測點布置在主風向上。人工監(jiān)測通常采用高精度的幾何水準測量法，自動化監(jiān)測通常安裝靜力水準儀，將傳感器納入自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 傾斜監(jiān)測

一般布置在混凝土承臺頂部、每節(jié)塔筒頂部及機艙內(nèi)，監(jiān)測儀器采用雙向傾角儀，其中一個測試方向為順主風向，另一個測試方向為垂直于主風向。

2.3 振動監(jiān)測

一般布置在混凝土承臺頂部、每節(jié)塔筒頂部及機艙內(nèi)，與傾角儀配套布置，監(jiān)測儀器采用二向加速度計，其中一個測試方向為順主風向，另一個測試方向為垂直于主風向，機艙內(nèi)的加速度計可考慮采用三向加速度計。

2.4 應力、應變監(jiān)測

一般布置在應力計算值較大、結構復雜、薄弱和易損傷的部位，主要有樁基礎、承臺、過渡段及塔筒。監(jiān)測儀器根據(jù)監(jiān)測對象和安裝位置確定，分別是鋼板應變計、鋼筋計、混凝土應變計等。

2.5 腐蝕監(jiān)測

一般是在浪濺區(qū)、水位變動區(qū)和水下區(qū)選擇具有代表性的位置，在鋼結構和混凝土承臺中布置相應的監(jiān)測儀器。

2.6 環(huán)境量監(jiān)測

主要是監(jiān)測影響海上建筑物安全的外因，如風向、風速、氣溫、濕度、海浪波高、海浪波周期、海浪沖擊力、水下地形、冰壓力等，根據(jù)研究或管理的需要選擇有代表性的位置布置監(jiān)測點。風向、風速監(jiān)測，一般是采用風速風向儀，安裝部位通常在風機機艙頂部；氣溫及海浪等監(jiān)測，一般是采用海洋水文綜合觀測系統(tǒng)。

2.7 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

在海上塔筒過渡段內(nèi)設置自動化采集設備，在岸上集控中心內(nèi)設置采集計算機，自動化采集設備與采集計算機之間利用海底光纜進行通訊。自動化采集設備，根據(jù)傳感器原理與信號分類，不同類型的傳感器采用不同的自動化采集設備。各傳感器根據(jù)儀器類型接入相應的自動化采集設備，采集計算機內(nèi)安裝采集軟件，對各自動化采集設備進行控制與管理，如需對監(jiān)測數(shù)據(jù)進一步整理、分析或共享，可開發(fā)監(jiān)測管理軟件，或將監(jiān)測成果納入到風電場SCADA系統(tǒng)中。

3 監(jiān)測成果

筆者在幾個海上風電工程安裝埋設了一定數(shù)量的電測傳感器，獲取了風機基礎及上部結構的變形、振動、傾斜成果，并對部分實測數(shù)據(jù)進行了分析研究。

3.1 差異沉降監(jiān)測

觀測時，以測點1為基準點，觀測其他3個監(jiān)測點的相對于測點1的高差，后續(xù)工況所觀測高差與初始高差之差即為測點1、2、3相對測點的差異沉降。如圖1所示，風機自吊裝完成后，各測點的差異沉降量較小，基本在±2.0mm之內(nèi)；從測值過程線上看，未發(fā)現(xiàn)不均勻沉降量在某一方向有持續(xù)增大的趨勢。

3.2 風機傾斜及振動監(jiān)測

通過2015年8～11月期間的傾斜度監(jiān)測數(shù)據(jù)診斷風機塔筒在該月是否存在較大的傾斜變化。當日傾斜度為記錄的24h平均值，當月傾斜度變化值為月末日傾斜度與月初傾斜度之差值。見表1，風機塔筒在2015年8～11月期間的永久傾斜值累計值，最大為0.055°。為分析日常工作狀態(tài)下各風機塔的振動強度，統(tǒng)計了2015年8～11月期間的最大加速度幅值、有效值、振動烈度、報警次數(shù)等參量情況，統(tǒng)計結果見表2。此風機塔筒在2015年8～11月期間的振動比較大，如圖2所示。最大振動加速度接近或超過了3.5m/s2，每月超過8°的烈度報警次數(shù)較多，8月的報警次數(shù)達到了3098次，主要因8月份臺風頻次高，風機塔筒振動明顯。

3.3 結構應力、應變監(jiān)測

某多樁承臺風機在鋼管樁、鋼管樁填芯混凝土、承臺內(nèi)鋼筋及混凝土、過渡段塔筒等位置均設置了監(jiān)測點，分類說明監(jiān)測成果。

（1）承臺底面混凝土應力、應變監(jiān)測。受上部塔筒、風機及風葉荷載影響，承臺混凝土底面鋼筋應力初期表現(xiàn)為較小的拉應力，后隨上部荷載增長而增長，過程中出現(xiàn)的拉應力最大值約為21.1MPa；當樁身位移基本完成后，樁頂對承臺底部形成一定約束，承臺底部鋼筋應力逐漸減小，達到平衡后逐漸穩(wěn)定，末期測值基本在零值附近。應變計所測壓應變較前期有所增長；監(jiān)測后期，非構造荷載出現(xiàn)的應變數(shù)值不大，最大值約為-100με。將無應力計自動化監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行應變-溫度擬合，得到混凝土的溫度線膨脹系數(shù)為8.14×10-6/℃，對所測承臺混凝土底面鋼筋應力進行了修正，扣除了非外部荷載應變對鋼筋應力測值影響。（2）承臺頂面混凝土應力應變監(jiān)測。風機吊裝前，承臺頂面水平向鋼筋拉應力不大，測值大部分在15.6MPa以下，該工況承臺鋼筋應力主要受外部溫度影響，澆筑時環(huán)境溫度高，隨著溫度減低表現(xiàn)出混凝土收縮產(chǎn)生的拉應力，1#CR3-3曾經(jīng)出現(xiàn)的最大拉應力約為31.5MPa，測值不合理，可能與埋設工藝不當有關；后續(xù)鋼筋拉應力減小且趨于平穩(wěn)，末期測值基本在-10～10MPa之間；頂面豎向應變計測值繼續(xù)增大，末期最大壓應變約為400με；水平向應變出現(xiàn)減小趨勢，末期壓應變約為100με。（3）承臺結構混凝土內(nèi)管樁外壁及旁側混凝土應力應變監(jiān)測。鋼管樁外壁和旁側混凝土初期受壓，主要由自重荷載作用所致，后續(xù)壓應變的變化表現(xiàn)出季節(jié)特性，冬季收縮壓應變增大，夏季膨脹壓應變減小，自重荷載的壓應變大致在-100～-200με之間，其余部位為溫度應變。鋼管樁外壁和旁側的混凝土應變相差不大，變形基本協(xié)調(diào)，末期環(huán)境溫度降低，壓應變處于增長狀態(tài)。（4）風機過渡段塔筒應變。對于過渡段頂部，一條連線上（1#G2-2、1#G2-3）出現(xiàn)明顯的壓應變情形，壓應變約為230με；另外一條連線上（1#G2-1、1#G2-4）應變值基本在零值附近，估計監(jiān)測時段出現(xiàn)的風向主要為E向所致。對于過渡段底部，一條連線上（1#G3-1、1#G2-3，順主導方向風向NNE）應變值基本在零值附近，另外一條連線上的1#G2-4（垂直于主導方向NE）應變值在監(jiān)測后期出現(xiàn)明顯的壓應變情形，估計與基礎頂面對過渡段的約束有關。監(jiān)測時段內(nèi)塔筒振動烈度多次出現(xiàn)報警現(xiàn)象，但過渡段塔筒頂部與底部基本表現(xiàn)為壓應變，說明過渡段塔筒應變主要由自重荷載影響，風荷載影響甚微，過渡段塔筒在混凝土約束下自身具有較大的剛度。

4 結語

海上風電場開發(fā)建設符合我國能源發(fā)展政策和社會發(fā)展需求，魯能新能源公司將繼續(xù)總結現(xiàn)有海上風電開發(fā)建設經(jīng)驗，持續(xù)深入加大海上風電科技研發(fā)，降低海上風電開發(fā)建設成本，進一步優(yōu)化海上風電場運營策略，努力提升海上風電經(jīng)營效益，做海上風電開發(fā)領跑者。

參考文獻

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