蒙東地區(qū)在役風電機組基礎加固技術

王亞超，田 野，李昕龍，范慧博

（蒙東協(xié)合新能源有限公司，內蒙古 通遼 028011）

近年來新裝機風電機組單機容量持續(xù)增大，同容量機組向著大風輪、長葉片方向發(fā)展。風電場為追求發(fā)電量提升而開展的葉片加長、附件增功和塔架增高等技改項目顯著增多，這都直接導致風電機組基礎承受的載荷增大，進而引發(fā)故障頻率明顯增加。同時，老舊小功率風電機組也有改造為大功率新型機組的需求，滿足增容要求的風電機組基礎及塔架再設計及加強問題亟待解決。

風電機組從開始運行服役起就承受巨大的剪力、彎矩和疲勞破壞，此外混凝土基礎也遭受環(huán)境作用等破壞。從風葉、發(fā)電機組、塔筒、基礎環(huán)到混凝土基礎，自上而下傳遞荷載。由于基礎環(huán)與水泥混凝土基礎之間的連接方式的特殊性，導致了風電機組在服役過程中，基礎環(huán)和混凝土基礎界面破壞頻繁發(fā)生。受風電機組混凝土基礎自身的性能原因影響，冒灰、返漿現(xiàn)象時有發(fā)生，加速混凝土基礎的破壞。需要采取必要手段來規(guī)避風險，例如清鑿、灌漿補強等。

風電機組基礎采用了鋼筋混凝土結構。然而，鋼筋混凝土結構的耐久性問題日益突出，其中鋼筋銹蝕是導致混凝土耐久性下降的主要原因之一。氯離子入侵、混凝土碳化和凍融循環(huán)作用等原因會引起鋼筋銹蝕，不僅會引起鋼筋橫截面積減小、力學性能劣化，還會影響鋼筋與混凝土間的黏結性能，并且引起保護層開裂、混凝土力學性能劣化。蒙東地區(qū)土壤漬化問題非常突出，本地區(qū)土壤中的鹽漬土類型以氯化型鹽漬土為主。當混凝土結構處于氯鹽環(huán)境下，氯離子會從混凝土外表面向內部擴散，并吸附于鋼筋表面。當pH 值小于4 時，鈍化膜逐步被破壞，鋼筋開始銹蝕。因此本項目在開展風電機組基礎結構分析時，需要考慮土壤及混凝土的電化學問題。

絕大多數(shù)情況下，風電機組基礎僅是局部受損，經(jīng)過有效加固之后可以繼續(xù)使用。依據(jù)在役風電機組基礎的現(xiàn)場檢測結果，針對基礎環(huán)周邊混凝土以灰漿形式被擠出和鋼立柱與混凝土之間出現(xiàn)松動、裂紋和破壞混凝土區(qū)域等問題，首先用灌漿法恢復基礎環(huán)周邊混凝土的密實度；采用高壓注入無機膠凝材料以及有機膠凝材料，填充基礎與鋼立柱之間的縫隙，同時改善混凝土的抗裂性和耐久性。灌漿加固的實質是將基礎環(huán)與混凝土基礎之間的縫隙填堵密實，以改善局部受力狀態(tài)。灌漿效果通過加固前后探地雷達的檢測結果評價。

1 技術路線

1.1 風電機組塔架鋼筋混凝土基礎銹蝕腐蝕與應力疲勞機理分析

通過深入研究風電機組基礎損傷機理，分析多場景不同外界離子對于塔架混凝土基礎化學侵蝕行為，即不同鹽溶液、酸溶液或堿溶液對于混凝土基礎本身的侵蝕行為以及對于內部鋼筋的化學腐蝕機理性分析，確定不同的混凝土保護層厚度和外涂層防護劑對于基礎匯總混凝土材料的抗腐蝕性提升作用。在進一步了解不同的腐蝕程度下，研究混凝土材料的疲勞損傷演化特征和表征損傷演化指標，形成基礎損傷現(xiàn)場檢驗技術、混凝土基礎技術監(jiān)督方案和損傷評定規(guī)則。

1.2 在役風電機組基礎風致疲勞損傷快速檢測技術

考慮到風電機組基礎常年處于外界環(huán)境侵蝕和上端風電場結構傳遞載荷作用，基礎內部與上部連接件由于銹蝕和應力疲勞，會導致一定程度的不可逆損傷，并呈現(xiàn)出逐年虐化性和不可逆性等問題，以上情況將會大大降低基礎的耐久性。為了明確混凝土內部基礎損傷情況，通過結合先進無損測試技術，非線性介質中聲速傳播的散射和衍射規(guī)律存在區(qū)別的科學理論，對不同服役周期混凝土基礎內部結構進行檢測分析，形成先進風電機組基礎疲勞損傷快速檢測技術。

1.3 基于局部加強的基礎加固技術

通過對不同構造方案的基礎環(huán)栓釘、穿孔板組合剪力鍵進行縮比模型疲勞試驗，研究組合剪力鍵的荷載-滑移曲線，揭示組合剪力鍵的剪切受力及破壞機理，提出在役風電機組基礎加固設計方法。

1.4 “風電機組增容”的混凝土基礎及局部塔架再設計和加強等技術

結合現(xiàn)場實際工程，通過對不同構造的“小改大”方案，進行連接區(qū)域受力狀態(tài)優(yōu)化分析、混凝土化學侵蝕和疲勞載荷下的失效分析、靜力極限載荷測試與仿真模擬，提出滿足增容要求的風電機組基礎及塔架再設計及加強方案。

2 實施方案

處于自然環(huán)境下的風機塔架鋼筋混凝土基礎，會遭受到氯鹽、硫酸鹽、二氧化碳及其他鹽溶液的侵蝕，而導致混凝土開裂及鋼筋銹蝕。確定不同侵蝕介質下混凝土的腐蝕程度，用氯鹽和硫酸鹽溶液浸泡混凝土，放入碳化試驗箱進行碳化侵蝕，得到侵蝕后的混凝土。劣化后的混凝土在長期風荷載的作用下，更容易產(chǎn)生彎曲疲勞。通過提高混凝土密實度、保護層厚度和防護涂層的方法，延緩和防止混凝土開裂和鋼筋腐蝕。

針對基礎銹蝕腐蝕與應力疲勞機理分析和防護方法，從氯鹽鋼筋銹蝕、硫酸鹽混凝土劣化、應力疲勞及基礎防護方法4 個方面進行研究。

2.1 氯鹽導致鋼筋銹蝕機理分析

濱海及海洋環(huán)境下的混凝土易受到氯鹽的侵蝕，氯離子通過滲透或擴散作用進入混凝土，在鋼筋表面聚積到一定濃度，降低鋼筋表面附近混凝土的pH 值，隨著濃度升高，鋼筋表面鈍化膜被破壞，在鋼筋表面形成銹蝕原電池，未破壞鈍化膜的位置與鈍化膜被破壞的位置形成電位差，變成原電池，出現(xiàn)坑蝕現(xiàn)象，氯離子在這一電化學反應過程中周而復始，最終使蝕坑連成一片。

2.1.1 實驗手段

混凝土抗氯離子滲透性能的試驗方法有電通量法和氯離子快速遷移RCM 法，由于RCM 法測定滲透深度時有人為因素導致的偏差存在，采用電通量法評價混凝土的抗氯離子滲透能力，根據(jù)電通量實驗結果，通過經(jīng)驗公式換算出氯離子擴散系數(shù)，便于數(shù)值模擬。

2.1.2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬部分通過COMSOL Multiphysics 軟件擴散模塊實現(xiàn)，以外界環(huán)境的濃度作為邊界條件，實驗測試擴散系數(shù)作為參數(shù)輸入，根據(jù)表面氯離子濃度值、環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度、水化程度和水灰比等參數(shù)對菲克第二定律進行修正，作為擴散方程，以鋼筋表面達到臨界濃度作為侵蝕程度的評價指標。

2.2 硫酸鹽導致混凝土劣化機理分析

硫酸鹽分布廣泛，主要來源于濱海鹽土壤和內陸鹽土壤，置于土下的風電基礎受到硫酸鹽侵蝕。硫酸鹽侵蝕引起的混凝土結構劣化破壞，表現(xiàn)為侵蝕性離子通過與混凝土中水化產(chǎn)物發(fā)生反應，生成膨脹性物質，造成混凝土開裂、剝落，使更多的侵蝕性介質進入混凝土內部，進一步造成結構劣化和承載力降低。

2.2.1 實驗手段

以棱柱體砂漿試件作為研究對象，進行了其在硫酸鹽作用下的膨脹率試驗研究。通過研究風電基礎混凝土在不同硫酸鹽侵蝕齡期下的膨脹率，得到硫酸鹽侵蝕環(huán)境下水泥砂漿膨脹作用機理及提高抗硫酸鹽侵蝕作用的方式途徑。

2.2.2 數(shù)值模擬

利用ABAQUS 軟件，對包含隨機骨料的混凝土試件在硫酸鹽侵蝕下的損傷破壞過程進行模擬。侵蝕破壞過程主要分為3 個部分：硫酸根離子在混凝土內的擴散，混凝土體積膨脹以及混凝土的損傷演化。首先模擬硫酸根離子在混凝土內的擴散過程，得到任一時刻混凝中的硫酸根離子濃度分布情況。運用“等效溫度法”，將模型中各節(jié)點處的硫酸根離子濃度折算成節(jié)點等效溫度，進一步將節(jié)點溫度場施加于模型上，最終得到硫酸鹽侵蝕下腐蝕環(huán)境下混凝土中的損傷演化期情況。

2.3 混凝土應力疲勞機理分析

建立腐蝕環(huán)境下的混凝土，以硫酸鹽為例，將混凝土試件完全浸泡在5%硫酸鈉溶液，通過室內試驗得到不同硫酸鹽侵蝕齡期下的混凝土，進行靜力試驗和疲勞試驗，靜力試驗包括28 d 抗壓強度和抗折強度；疲勞試驗在UTM 試驗機上進行，施加的動荷載為正弦荷載，加載形式為三分點加載，以疲勞壽命作為混凝土材料疲勞損傷演化指標，分析應力疲勞機理。

2.4 風機塔架鋼筋混凝土基礎防護方法

針對風機塔架鋼筋混凝土基礎防護，分為新建基礎和現(xiàn)有基礎防護2 類，對于新建基礎，進行配合比設計，提高混凝土的密實度以及抗氯鹽、硫酸鹽侵蝕能力；進行結構優(yōu)化，增大保護層厚度，延長侵蝕介質滲透路徑。對于現(xiàn)有基礎，在原混凝土表面涂刷防護層，有效阻止酸、鹽等腐蝕介質向混凝土內部的滲入，延緩和防止混凝土的劣化和鋼筋的腐蝕。

2.5 在役風電機組基礎風致疲勞損傷快速檢測的具體方法

根據(jù)風電機組基礎風致?lián)p傷具有主風方向性、逐年虐化性和不可逆性等特點以及傳統(tǒng)的單一檢測方式不能迅速有效地檢測出風致?lián)p傷的情況，綜合多種方法研究一套有效的快速檢測技術。參考《風力發(fā)電機組延壽技術規(guī)范》，陸上風電機組基礎重點關注基礎與塔架連接附近的裂縫、混凝土強度、水平度進行檢測、沉降等數(shù)據(jù)，結合基礎內部的密實度無損探傷檢測結果進行綜合分析，形成一個風電機組基礎損傷評估技術規(guī)范，實現(xiàn)對基礎的風致疲勞損傷情況進行快速檢測。具體包括如下方面。

2.5.1 基礎與塔架連接附近的裂縫分布圖繪制

依據(jù)《混凝土結構工程施工質量驗收規(guī)范》，進行機組基礎整體外觀檢測：重點檢查基礎與塔架連接附近出現(xiàn)的脫開裂隙、裂紋、壓潰現(xiàn)象，若有混凝土裂縫則進行長度、寬度、深度及走向測量，繪制裂縫分布圖。

2.5.2 采用超聲波檢測儀或地質雷達檢測風電機組基礎的混凝土密實度

依據(jù)《雷達法檢測混凝土結構技術標準》，進行基礎混凝土雷達密實度檢測，利用機組周圍的開闊地帶，對基礎混凝土進行雷達掃描，以檢測混凝土的密實度及內部缺陷。

2.5.3 基礎水平傾斜情況的評定

依據(jù)《風電機組地基基礎設計規(guī)定》《建筑變形測量規(guī)范》，進行基礎沉降檢測，評定基礎水平傾斜情況。

2.5.4 基礎環(huán)水平度、塔架垂直度測量

依據(jù)《風力發(fā)電機組 驗收規(guī)范》，采用基礎環(huán)水平度測量方法沿著風電機組基礎環(huán)均勻布置若干個水準測點測量風電機組基礎環(huán)水平度。采用全站儀進行風電機組塔架垂直度檢測，用以評定機組基礎沉降和塔架變形綜合情況。

2.5.5 基礎安全在線監(jiān)測裝置

對風電機組，或技改、小改大的機組安裝基礎在線監(jiān)測裝置，機組運行過程中基礎環(huán)豎向位移量進行現(xiàn)場測量，通過換算得到實時基礎環(huán)水平度值?；A安全在線監(jiān)測需現(xiàn)場水平度靜態(tài)測試，以確定最高和最低點，并現(xiàn)場布置LVDT 動態(tài)位移計，以實現(xiàn)動態(tài)基礎環(huán)水平度參數(shù)的現(xiàn)場采集。同時，在規(guī)定時間內定期進行基礎環(huán)水平度靜態(tài)測試，以確定新的最高和最低點，并將動態(tài)位移計調整至新的位置上，確定動態(tài)測試始終是基礎環(huán)最大的豎向位移值和水平度，以保證監(jiān)控結果的有效性。

基于以上對基礎的監(jiān)測結果，結合風電機組輸出功率、輪轂轉速、風速、風向角及偏航誤差等參數(shù)一起同步采集，采用Stacking 集成學習方法，以多種不同檢測方法結果為輸入來訓練一個預測模型，最終得到一個高精度損傷預測輸出結果。

2.6 風電機組基礎加固技術

僅局部受損，而未全面被破壞的風電機組基礎，對其進行有效加固后可繼續(xù)使用。

針對基礎環(huán)周邊混凝土以灰漿形式被擠出和鋼立柱與混凝土松動問題，首先用灌漿法恢復基礎環(huán)周邊混凝土的密實度；采用高壓注入高強混凝土灌漿料，填充基礎與鋼立柱之間的縫隙。灌漿加固的實質是將基礎環(huán)與混凝土基礎之間的縫隙填堵密實，以改善局部受力狀態(tài)。然而，灌漿加固只能起到恢復基礎環(huán)周邊混凝土承載力的作用。當基礎環(huán)的連接承載力不足時，需要在灌漿加固完成后，運用局部穿孔板、栓釘組合剪力鍵加固，為風機塔筒提供新的支撐。

2.6.1 理論研究

基于無腹筋梁的混凝土桁架-鋼筋拉桿模型，揭示穿孔板剪力鍵的剪切受力機理，確定其合理的間距及穿孔鋼筋參數(shù)。研究穿孔鋼板間栓釘群剪切傳力特點，明確栓釘群不均勻受力分布規(guī)律，確定栓釘群剪切受力的不均勻系數(shù)，建立穿孔板、栓釘組合剪力鍵抗剪承載力計算方法。

2.6.2 實驗手段

針對目前國內基礎環(huán)式風電機組基礎常采用的形式，采用縮比例推出模型試件，研究組合剪力鍵中穿孔鋼板、穿孔鋼筋、栓釘應變分布規(guī)律以及荷載-位移曲線特點，揭示組合剪力鍵剪切傳力及破壞機理，建立基于銷栓破壞的組合剪力鍵剪切受力模型。根據(jù)實際情況設計不同的方案，分別進行靜載破壞試驗和等幅200 萬次疲勞試驗。

2.6.3 精細化有限元分析

基于ANSYS 程序，對于鋼板與混凝土間采用面面接觸對單元考慮兩者的接觸摩擦，由此建立與模型試驗相對應的精細化有限元模型，通過與試驗結果進行對比，驗證有限元分析方法的正確性。通過對穿孔板間距、穿孔鋼筋直徑大小、栓釘間距及直徑等參數(shù)進行大量的參數(shù)分析，提出基于栓釘破壞的穿孔板、栓釘組合剪力鍵構造方案。

2.6.4 現(xiàn)場測試

運用局部穿孔板、栓釘組合剪力鍵對某問題風電機組基礎進行了加固，對風電機組基礎的基礎環(huán)水平度進行跟蹤監(jiān)測并及時地對風電機組基礎設計方法進行反饋。

2.7 面向“風電機組增容”的混凝土基礎、塔架再設計和加強技術

風電機組增容的一個直接結果是導致機組載荷整體性增大。在即有的原型機與基礎條件下，評估混凝土地基與塔架性能，給出達到綜合性能優(yōu)化的再設計與加強方案是一個復雜過程，其涉及理論研究、實驗手段、載荷計算與精細化有限元分析等環(huán)節(jié)。

2.7.1 理論研究

考慮環(huán)境、設計使用年限、荷載，結合既有基礎狀況和“小改大”改良結構及材料，針對不同構造方案的“小改大”方案，計算地基承載力、基礎抗滑穩(wěn)定和抗傾覆穩(wěn)定、基礎沉降和傾斜變形、驗算基礎的裂縫寬度、驗算基礎內力、配筋和材料強度，提出滿足增容要求的風電機組基礎及塔筒再設計及加強方案。

2.7.2 載荷計算

詳細考慮風的隨機性、脈動性、湍流度與剪切特征，計入地形地貌和地表粗糙度等微觀地質特征，利用商業(yè)軟件GH Bladed 建立“小改大”風電整機多體動力學分析模型，進一步采用瞬態(tài)求解算法完成載荷求解計算，獲得多個評估位置的載荷時序譜和極值。

2.7.3 實驗手段

針對風電機組擴容轉換筒的特點，采用縮比例模型試件，研究擴容轉換筒中鋼支撐、轉換筒的應變分布規(guī)律以及荷載-位移曲線特點，揭示組合轉換筒傳力及破壞機理，建立基于鋼支撐破壞的擴容轉換筒的組合受力模型。根據(jù)實際情況設計不同的方案，分別進行靜載破壞試驗和等幅200 萬次疲勞試驗。

3 結束語

本文找出了蒙東地區(qū)風電機組基礎及關鍵結構件受氯鹽環(huán)境侵蝕的原因和機理，建立了用于加強和改善在役風電機組鋼筋混凝土基礎性能的一整套方法和實用施工技術，開發(fā)了風電機組塔筒損傷在線檢測裝置。有效解決了蒙東地區(qū)風電場存在的風電機組基礎增容問題，本項目研究將風電機組增容和基礎強化的成本壓低約40%，使該地區(qū)風電場的風資源利用率、土地利用率均得到大幅度提高。