海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)防撞型式及浮式防撞設(shè)施技術(shù)難點(diǎn)分析

程子碩 晁鵬飛 何杰 孔先輝 馬洪巖

摘要：為歸納海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)防撞設(shè)施的基本型式及浮式防撞型式的應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)，以福建省興化灣海上試驗(yàn)風(fēng)場為例，概述了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)被動(dòng)防撞、主動(dòng)防御型式的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件。針對浮式防撞設(shè)施的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合研究海域的水文環(huán)境、氣候條件等因素，重點(diǎn)探討了浮式防撞設(shè)施在海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)防撞應(yīng)用中面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題，給出了防撞標(biāo)準(zhǔn)、耐撞性能、疲勞損壞及環(huán)境適應(yīng)性等方面的研究方向及建議。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)基礎(chǔ);海上風(fēng)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(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.008

文章編號：1006 - 0081（2021）07 - 0040 - 05

海上風(fēng)電因節(jié)約土地、風(fēng)資源儲(chǔ)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(fēng)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(fēng)機(jī)基礎(chǔ)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(fēng)機(jī)基礎(chǔ)將可能發(fā)生失穩(wěn)、傾斜等問題，影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，造成較大的發(fā)電量損失和產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)，且船舶也會(huì)因碰撞造成損傷，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(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(yùn)用非線性有限元模擬船舶側(cè)向撞擊海上風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架、單樁基礎(chǔ)的碰撞過程，表明不利條件下撞擊事故會(huì)造成風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)損傷，但沒有給出主動(dòng)防御或被動(dòng)防撞型式的具體措施以減少碰撞損害。楊思遠(yuǎn)[5]模擬分析了有無防撞設(shè)施的船撞基礎(chǔ)過程，結(jié)果表明：有防撞設(shè)施的碰撞過程時(shí)間延長，最大撞擊力降低，但文中主要研究了防撞設(shè)施材料的性能參數(shù)，并沒有涉及防撞標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境適應(yīng)性等關(guān)鍵指標(biāo)的研究。

中國近海深水風(fēng)電場建設(shè)處于起步階段，技術(shù)尚未完全成熟，對海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)浮式防撞設(shè)施研究不多，也較少有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可供參考。本文在分析了國內(nèi)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)防撞型式及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹了不同防撞型式的適用范圍，重點(diǎn)探討了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)浮式防撞設(shè)施關(guān)鍵指標(biāo)、防撞體耐撞性、連接件性能及疲勞損壞機(jī)理等方面的技術(shù)難題，并給出了研究的基本思路和方向，可供海上風(fēng)電相關(guān)研究人員參考。

1 防撞設(shè)施基本型式及適用性

1.1 主動(dòng)防御

一般認(rèn)為，主動(dòng)防御是依靠安裝在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上的探測裝置、攝像工具等，在撞擊事故發(fā)生之前及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(jìn)而構(gòu)建全天候海上風(fēng)場船舶航行的監(jiān)控、預(yù)警系統(tǒng)。主動(dòng)防御的主要特點(diǎn)是基于AIS數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)等對海上風(fēng)場區(qū)域通航的船舶行為預(yù)測分析，在考慮風(fēng)、浪、流等外界環(huán)境干擾的影響下，預(yù)測某段時(shí)間范圍內(nèi)船舶的航行軌跡，并判斷船舶通行危險(xiǎn)區(qū)域，確定風(fēng)機(jī)安全范圍。福建興化灣海上試驗(yàn)風(fēng)場的主動(dòng)防御系統(tǒng)包括雷達(dá)、AIS、VHF（甚高頻電波）、CCTV（閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)）、掃海燈和服務(wù)器等，設(shè)備主要功能和作用見表1。該主動(dòng)防御系統(tǒng)自投入使用以來，在實(shí)際應(yīng)用中較好地預(yù)警了進(jìn)入風(fēng)場周邊的風(fēng)險(xiǎn)船舶，避免了碰撞事故的發(fā)生。

主動(dòng)防御的難點(diǎn)在于如何準(zhǔn)確及時(shí)發(fā)現(xiàn)靠近的船舶，尤其是發(fā)現(xiàn)缺少或關(guān)閉船舶自動(dòng)識別系統(tǒng)的漁船等船舶，并評估與風(fēng)場基礎(chǔ)發(fā)生碰撞的可能性。此外，在船舶失去控制的情況下，主動(dòng)防御預(yù)警攔截方案將不再適用，此時(shí)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(dòng)防御方案在應(yīng)對不受控制的船舶、漂浮物等碰撞風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)事故方面需要進(jìn)一步研究。

1.2 被動(dòng)防撞

被動(dòng)防撞是在發(fā)生船舶撞擊風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)事故時(shí)，能夠依靠自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度盡量減小基礎(chǔ)損傷的結(jié)構(gòu)型式。常見的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)附著式被動(dòng)防撞設(shè)施主要采用橡膠護(hù)舷、靠船柱等固定式防護(hù)結(jié)構(gòu)，即依靠風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)附屬結(jié)構(gòu)提供靠泊抵抗力。這種設(shè)計(jì)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(yīng)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)越來越高的防撞性能要求。另一方面，護(hù)舷等結(jié)構(gòu)的主要作用是風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)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(fēng)機(jī)基礎(chǔ)四周各個(gè)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(dǎo)致保護(hù)基礎(chǔ)范圍有限。

另一種提高海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)被動(dòng)防撞性能的方法是增加基礎(chǔ)自身剛度，優(yōu)化基礎(chǔ)型式，依靠基礎(chǔ)自身強(qiáng)度抵抗船舶撞擊力。這種方式會(huì)造成風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)剛度富裕，樁基鋼管壁厚變大，需要耗費(fèi)大量鋼材，增加基礎(chǔ)造價(jià)，進(jìn)而影響整個(gè)風(fēng)場的經(jīng)濟(jì)可行性。且此種方法設(shè)計(jì)的防撞能力一般較低，因壁厚過大導(dǎo)致的邊際效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)，提出了海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)浮式防撞設(shè)施的概念[6-8]。浮式防撞設(shè)施屬于被動(dòng)防撞的一種特殊型式，主要由防撞體、連接件、附屬結(jié)構(gòu)等構(gòu)成，最大優(yōu)點(diǎn)是能夠隨水面上下浮動(dòng)，防撞性能高，結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，從而達(dá)到節(jié)省材料，降低造價(jià)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(jià)比的基礎(chǔ)上，使基礎(chǔ)保護(hù)范圍足夠大。作為柔性防護(hù)的一種常用結(jié)構(gòu)型式，浮式防撞不僅能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)基礎(chǔ)起到較好的保護(hù)作用，同時(shí)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(jìn)一步擴(kuò)大。

1.3 不同防撞結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性

不同的海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)防撞結(jié)構(gòu)型式具有不同的優(yōu)點(diǎn)和適用性（表2），主動(dòng)防御可以做到提前預(yù)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(yīng)答設(shè)備齊全、風(fēng)場毗鄰航線的近、遠(yuǎn)海風(fēng)電場;以附著式和依靠自身剛度為代表的被動(dòng)防撞型式因其方案簡單易用、施工方便仍有一定的運(yùn)用價(jià)值，考慮到其防撞能力不高，因此該方案往往應(yīng)用于航行船舶噸位小、潮差變化小的近海淺水風(fēng)電場;作為一種新型柔性防撞結(jié)構(gòu)，浮式防撞具有防護(hù)范圍大、防撞能力高、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，但目前應(yīng)用技術(shù)不夠成熟，面臨的一些技術(shù)難題亟待解決。

2 浮式防撞設(shè)施應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)

2.1 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)防撞標(biāo)準(zhǔn)

浮式防撞設(shè)施的根本作用在于發(fā)生船舶撞擊風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)事故時(shí)，避免基礎(chǔ)發(fā)生不可修復(fù)的損壞，影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常功能，以及可在一定程度上降低撞擊事故對船舶產(chǎn)生的損傷。因此在進(jìn)行浮式防撞設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的防撞標(biāo)準(zhǔn)必須明確。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)防撞標(biāo)準(zhǔn)是進(jìn)行防撞設(shè)計(jì)的首要條件，只有根據(jù)防撞指標(biāo)設(shè)計(jì)浮式防撞設(shè)施，才能達(dá)到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的效果。

目前，國內(nèi)海上風(fēng)電場的被動(dòng)防撞設(shè)施主要參考DNVGL、ISO19902、API等海洋結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范推薦的指導(dǎo)方法設(shè)計(jì)[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(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到防護(hù)基礎(chǔ)的作用。以福建興化灣海上試驗(yàn)風(fēng)場為例，工程海域防撞標(biāo)準(zhǔn)的確定（圖2），首先，需要分析AIS數(shù)據(jù)獲得通航船舶的速度、噸位、頻次、船型、偏航角等參數(shù)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(shù);其次，統(tǒng)計(jì)工程海域的水文資料、水流速度、波浪參數(shù)、防撞水位、航道概況等參數(shù)，基于數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)，確定不同基礎(chǔ)型式的經(jīng)濟(jì)可行的防撞標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 防撞體耐撞性能及結(jié)構(gòu)型式

浮式防撞設(shè)施通過延長碰撞時(shí)間，緩沖消減船舶撞擊力峰值[12]，使最終傳遞到基礎(chǔ)的撞擊力小于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)荷載，進(jìn)而保護(hù)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)安全。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)多種型式并存，不同的基礎(chǔ)型式對防撞性能及結(jié)構(gòu)型式的要求不同，如導(dǎo)管架基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)和浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)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(chǔ)實(shí)現(xiàn)良好的兼容性，即在不影響風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主體功能的前提下，又具備良好的防撞功能，需要特別關(guān)注。對防撞系統(tǒng)整體防撞性能的研究需要綜合考慮風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式、風(fēng)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(jù)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)-船舶碰撞特點(diǎn)，確定經(jīng)濟(jì)安全的結(jié)構(gòu)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(fù)合材料組成[6，8]。耐撞性能的研究需要給出量化指標(biāo)，如防撞結(jié)構(gòu)在一定的受力變形下，能夠吸收多大的撞擊能量，產(chǎn)生多大范圍的反力等關(guān)鍵參數(shù)。由于船-防撞結(jié)構(gòu)-風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)相互作用下的船撞動(dòng)態(tài)響應(yīng)屬于高度非線性行為，選用材料也是非標(biāo)構(gòu)件，現(xiàn)有規(guī)范和簡化公式無法解決該問題，需通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值仿真結(jié)果，以獲得理想的材料參數(shù)、單元尺寸及失效模型[5]，為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)船撞損傷研究提供數(shù)據(jù)支撐。

2.3 連接件性能及疲勞損壞機(jī)理

近海深水區(qū)域海洋水文條件惡劣，環(huán)境荷載復(fù)雜，對浮式防撞設(shè)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(shè)施體積龐大，往復(fù)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(huì)產(chǎn)生疲勞損傷。這些損傷隨著時(shí)間推移逐漸加重，最終導(dǎo)致防撞系統(tǒng)的損毀及失效。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(shè)施的規(guī)模應(yīng)用將處處受限。

考慮到實(shí)物模型試驗(yàn)花費(fèi)較大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，可通過數(shù)值分析方法，模擬浮式防撞結(jié)構(gòu)在波浪和靜水力作用下的受力情況，得到整體結(jié)構(gòu)和連接節(jié)點(diǎn)的彎矩、剪力等數(shù)據(jù)，進(jìn)而研究有效措施保證正常使用工況下防撞結(jié)構(gòu)的安全。模擬過程中，波浪譜的輸入選擇非常重要，越貼近實(shí)際工況，分析結(jié)果將越準(zhǔn)確。

2.4 環(huán)境適應(yīng)性和運(yùn)維便利性

海上施工條件較為艱苦，施工效率低，存在安全風(fēng)險(xiǎn)，加之施工窗口期較少，作業(yè)時(shí)間大幅降低[14]。這就要求浮式防撞設(shè)施應(yīng)當(dāng)結(jié)構(gòu)安全可靠、運(yùn)輸簡便、安裝容易、拆卸方便，并便于養(yǎng)護(hù)維修。海上浮式防撞設(shè)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(tái)風(fēng)破壞等。因此防撞設(shè)施結(jié)構(gòu)本身要具備較強(qiáng)的海上環(huán)境適應(yīng)性、較高的耐腐蝕性、抗疲勞損壞以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，應(yīng)當(dāng)較長時(shí)間內(nèi)不用拆換或者養(yǎng)護(hù)，除連接部位的抗疲勞損壞外，防腐性能及相關(guān)優(yōu)化也值得開展專題研究。

3 結(jié) 語

隨著國內(nèi)海上風(fēng)電進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)期，風(fēng)場場址不可避免地會(huì)與傳統(tǒng)漁業(yè)區(qū)、航線等相互毗鄰，船舶撞擊風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的風(fēng)險(xiǎn)客觀存在。目前，國內(nèi)對于海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)防撞方面的研究還不夠充分，包括業(yè)主、設(shè)計(jì)單位在內(nèi)的參建各方還沒有意識到防撞設(shè)計(jì)的重要性，以至于防撞設(shè)計(jì)理念大大落后于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理念，在防撞設(shè)施與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)一體化設(shè)計(jì)方面進(jìn)展緩慢，無法達(dá)到最優(yōu)的防撞結(jié)構(gòu)型式。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受到船舶撞擊會(huì)影響風(fēng)機(jī)發(fā)電效益，嚴(yán)重時(shí)甚至造成風(fēng)機(jī)癱瘓。浮式防撞設(shè)施可有效提高風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的防撞能力，在海上風(fēng)電場應(yīng)用中的技術(shù)難題值得深入研究。本文在歸納總結(jié)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)防撞基本型式及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對浮式防撞設(shè)施在海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)防撞應(yīng)用方面面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題展開探討，提出了進(jìn)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