基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)在線監(jiān)測(cè)與損傷評(píng)估方法研究

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0876 文章編號(hào)：0254-0096（2023）01-0265-08

摘 要：針對(duì)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行及基礎(chǔ)環(huán)式基礎(chǔ)風(fēng)致疲勞損傷特點(diǎn)，提出“上下聯(lián)動(dòng)，動(dòng)靜結(jié)合”的在線監(jiān)測(cè)和損傷評(píng)估方案，即基于基礎(chǔ)環(huán)水平度測(cè)量結(jié)果確定線性差分式位移傳感器（LVDT）位移計(jì)安裝位置，并將實(shí)時(shí)采集的位移信號(hào)接入風(fēng)力機(jī)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（SCADA）系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)與上部機(jī)組參數(shù)同步采集、分析與損傷評(píng)估?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，風(fēng)力機(jī)在啟停機(jī)、偏航、高中低速運(yùn)行平穩(wěn)段等常見(jiàn)工況下輪轂轉(zhuǎn)速與基礎(chǔ)環(huán)水平度的相關(guān)系數(shù)均為0.8及以上，為極強(qiáng)相關(guān)，故可將輪轂轉(zhuǎn)速視為基礎(chǔ)所受的“等效荷載”；通過(guò)繪制啟機(jī)工況下的輪轂轉(zhuǎn)速n-基礎(chǔ)環(huán)位移[Δ]曲線，確定臨界輪轂轉(zhuǎn)速下限[nd]和上限[nu]以及斜率[k]等曲線參數(shù)，可評(píng)估風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)疲勞損傷程度；通過(guò)繪制機(jī)頭方位角[θ]-基礎(chǔ)環(huán)最大水平度[Δmax]曲線，可確定下法蘭周邊混凝土磨損性空腔分布區(qū)域及大小，為后期基礎(chǔ)注漿提供明確的加固位置。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)環(huán)；風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)；監(jiān)測(cè)；輪轂轉(zhuǎn)速；水平度

中圖分類(lèi)號(hào)：TU475/ TK83 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著能源危機(jī)的迫近以及人們?nèi)找嬖鰪?qiáng)的環(huán)保意識(shí)，可再生能源的研究、開(kāi)發(fā)和利用已成為全球各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。風(fēng)能是世界公認(rèn)的清潔能源，且儲(chǔ)量巨大，易于利用，在設(shè)施建設(shè)、技術(shù)研究、投資成本等方面相比于開(kāi)發(fā)其他能源都具有較大的優(yōu)勢(shì)。早期陸上風(fēng)力機(jī)常采用基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)，即將風(fēng)力機(jī)塔架和基礎(chǔ)之間采用基礎(chǔ)環(huán)（即預(yù)埋塔架）進(jìn)行連接，如圖1所示。

由于長(zhǎng)期承受周期性往復(fù)風(fēng)荷載作用，基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)常出現(xiàn)主風(fēng)向的基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土的脫開(kāi)裂隙、壓潰以及冒漿等風(fēng)致疲勞損傷，如圖2所示。

2012年英國(guó)某風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力機(jī)塔筒底部出現(xiàn)較大的豎向振動(dòng)，監(jiān)測(cè)最大位移可達(dá)20 mm，通過(guò)內(nèi)窺鏡，清晰可見(jiàn)基礎(chǔ)環(huán)底法蘭上下兩側(cè)出現(xiàn)空洞［1］。馬人樂(lè)等［2］以亞健康狀態(tài)來(lái)描述風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)在疲勞荷載作用下的累積損傷和振動(dòng)加大。2013年中國(guó)沿海某風(fēng)電場(chǎng)多個(gè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)異常，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)破拆和混凝土鉆芯取樣，清晰可見(jiàn)下法蘭上方空腔［3］。2017—2019年，湖南江西和河北等多處風(fēng)電場(chǎng)問(wèn)題風(fēng)力機(jī)的內(nèi)窺鏡檢測(cè)儀亦可見(jiàn)清晰的基礎(chǔ)環(huán)周邊磨損空腔的存在［4-6］。綜上，國(guó)內(nèi)外風(fēng)力機(jī)塔筒豎向振動(dòng)是由主風(fēng)向基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土磨損性空腔的形成和發(fā)展所致。

為此，2015年Currie等［7］率先在風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)表面安裝無(wú)線位移計(jì)監(jiān)測(cè)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)的豎向位移，并與上部機(jī)組參數(shù)輪轂轉(zhuǎn)速一起分析，提出將基礎(chǔ)環(huán)豎向位移差5 mm作為預(yù)警值。Mcalorum等［8］則采用超長(zhǎng)光纖應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)混凝土裂縫的發(fā)展和變化情況；白雪等［9］對(duì)基礎(chǔ)環(huán)粘貼應(yīng)變計(jì)以獲取風(fēng)力機(jī)塔架和基礎(chǔ)的應(yīng)變變化，建立上部荷載和下部基礎(chǔ)響應(yīng)的相關(guān)關(guān)系。

綜合目前國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)變形監(jiān)控方法，盡管有學(xué)者將上部機(jī)組監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)變形參數(shù)結(jié)合起來(lái)一起分析，但未能有效參與到基礎(chǔ)損傷位置確定和評(píng)估中。同時(shí)，老舊風(fēng)力機(jī)的既有損傷亦未統(tǒng)一考慮。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出“上下聯(lián)動(dòng)、動(dòng)靜結(jié)合”風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)在線監(jiān)測(cè)策略，通過(guò)對(duì)江西某風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)2臺(tái)對(duì)比樣機(jī)進(jìn)行6個(gè)月的在線監(jiān)測(cè)，研究將輪轂轉(zhuǎn)速視為風(fēng)力機(jī)“等效荷載”的可行性，提出風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)風(fēng)載作用機(jī)理，建立以機(jī)頭方位角[θ]-基礎(chǔ)環(huán)水平度[Δmax]累積損傷曲線，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)混凝土風(fēng)致疲勞損傷定位和評(píng)估。

1 在線監(jiān)測(cè)策略與原理

1.1 陸上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)既有損傷評(píng)估

當(dāng)風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)混凝土損傷破壞到一定程度時(shí)，會(huì)造成風(fēng)力機(jī)塔架傾斜和豎向振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)將影響風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行。

關(guān)于風(fēng)力機(jī)塔架傾斜控制，《機(jī)械設(shè)備安裝工程施工及驗(yàn)收通用規(guī)范》［10］第3.0.4條有明確要求，即與其他機(jī)械設(shè)備有機(jī)械聯(lián)系的機(jī)械設(shè)備定位基準(zhǔn)面的標(biāo)高允許偏差為±1 mm。根據(jù)這一要求，目前，中國(guó)主機(jī)廠家普遍在預(yù)埋基礎(chǔ)環(huán)安裝時(shí)，要求其平面上水準(zhǔn)測(cè)量最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的差值控制在2～3 mm，之后簡(jiǎn)稱(chēng)為基礎(chǔ)環(huán)水平度Δ。實(shí)際工程中，問(wèn)題風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)的基礎(chǔ)環(huán)水平度檢測(cè)值較裝機(jī)時(shí)明顯偏大，故工程中該值可綜合反映風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)風(fēng)致疲勞損傷程度。如圖3所示，Δ與風(fēng)力機(jī)塔架整體傾斜的相互關(guān)系為：

式中：[D]——基礎(chǔ)環(huán)直徑，m；[H]——風(fēng)力機(jī)塔架高度，m；[X]——風(fēng)力機(jī)塔架因基礎(chǔ)環(huán)水平度偏差引起的頂部水平側(cè)移量，mm；[Δ]——基礎(chǔ)環(huán)水平度，mm。

《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組驗(yàn)收規(guī)范》［11］（GB/T 20319—2017）的附錄B規(guī)定，塔架傾斜度不應(yīng)大于8 mm/m，其中由于基礎(chǔ)不均勻沉降導(dǎo)致的塔架傾斜應(yīng)不大于3 mm/m；其他原因造成的塔架傾斜不應(yīng)大于5 mm/m。同時(shí)，《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［12］（GB 50135—2019）中對(duì)風(fēng)力發(fā)電塔因地基變形導(dǎo)致的傾斜[tanθ]允許值為0.004。上述標(biāo)準(zhǔn)均針對(duì)的是地基沉降引起的塔架傾斜，與該文研究的塔架傾斜原因盡管有所不同，但限值是近似的，故可作為參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)。

為此，論文以某額定功率2 MW、塔高80 m的風(fēng)力機(jī)為例，底段塔直徑[D=4.4] m，根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［12］計(jì)算可得基礎(chǔ)環(huán)水平度參考限值［[Δ]］為17.6 mm。實(shí)際工程中，該限值過(guò)于寬松，不助于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)。因此，實(shí)際工程中可參考《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定的底部塔架傾斜應(yīng)不大于3 mm/m的標(biāo)準(zhǔn)［11］。

1.2 “上下聯(lián)動(dòng)，動(dòng)靜結(jié)合”在線監(jiān)測(cè)策略

針對(duì)問(wèn)題風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)豎向變形監(jiān)控，提出既考慮上部機(jī)組參數(shù)參與，又考慮既有損傷的“上下聯(lián)動(dòng)，動(dòng)靜結(jié)合”的在線監(jiān)測(cè)和損傷評(píng)估方案，具體如下：

1.2.1 “上下聯(lián)動(dòng)”

“上下聯(lián)動(dòng)”是指將被監(jiān)測(cè)風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)環(huán)的最高和最低點(diǎn)的豎向位移信號(hào)接入到風(fēng)力機(jī)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（supervisory control and dnta acquisition，SCADA）系統(tǒng)，與風(fēng)力機(jī)機(jī)組輸出功率、輪轂轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、風(fēng)向角及偏航誤差等與風(fēng)荷載相關(guān)參數(shù)一起同步采集，以分析風(fēng)荷載與基礎(chǔ)環(huán)豎向位移間的內(nèi)在聯(lián)系。

1.2.2 “動(dòng)靜結(jié)合”

所謂的“靜”是指風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)中已存在的疲勞損傷，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)水平度檢測(cè)和外觀觀測(cè)予以確定。所謂的“動(dòng)”是指通過(guò)“靜”的檢測(cè)確定實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控位移計(jì)的安裝位置，以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)環(huán)動(dòng)態(tài)水平度的實(shí)時(shí)在線采集和監(jiān)控。

1.2.3 具體步驟

1）如圖4所示，首先對(duì)被監(jiān)測(cè)風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)環(huán)進(jìn)行基礎(chǔ)環(huán)水平度檢測(cè)，以確定最高和最低點(diǎn)；安裝線性差分式位移傳感器（linear variable differential transformer， LVDT）動(dòng)態(tài)位移計(jì)，并將位移信號(hào)接入SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)環(huán)豎向位移與上部機(jī)組參數(shù)同步采集。

2）每隔1年，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)基礎(chǔ)環(huán)水平度再次檢測(cè)，以確定新的最高和最低點(diǎn)，并將動(dòng)態(tài)位移計(jì)調(diào)整至新的位置上，以保證動(dòng)態(tài)位移計(jì)始終采集到基礎(chǔ)環(huán)的最大豎向位移和水平度，確保監(jiān)測(cè)結(jié)果始終跟蹤風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)最大損傷位置處，以充分考慮風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)混凝土的既有損傷。

1.3 風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)“等效荷載”驗(yàn)證

1.3.1 “等效荷載”

風(fēng)力機(jī)塔架底部及基礎(chǔ)變形源于上部機(jī)組載荷，而載荷參數(shù)與風(fēng)力機(jī)高度、風(fēng)速、空氣密度、葉片和塔風(fēng)力系數(shù)等參數(shù)有關(guān)，通過(guò)在塔架底部粘貼應(yīng)變片的方式可較準(zhǔn)確地推算得到風(fēng)力機(jī)塔架底部實(shí)時(shí)荷載［7］，但大量的動(dòng)態(tài)采集并不是每臺(tái)風(fēng)力機(jī)都能實(shí)現(xiàn)的，且應(yīng)變片亦不適用于長(zhǎng)期監(jiān)控。

考慮到風(fēng)力機(jī)機(jī)械傳動(dòng)路徑中，輪轂是其中重要部件，Currie等［7］在其監(jiān)控項(xiàng)目中提出輪轂轉(zhuǎn)速及其變化是基礎(chǔ)豎向位移的重要因素，并在其研究中進(jìn)行了詳細(xì)分析。鑒于此，擬將輪轂轉(zhuǎn)速[n]視為風(fēng)力機(jī)“等效荷載”，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算予以驗(yàn)證。

1.3.2 輪轂轉(zhuǎn)速-基礎(chǔ)環(huán)豎向位移相關(guān)系數(shù)分析

相關(guān)系數(shù)是研究變量之間相關(guān)程度的量，目前常采用Pearson線性和Spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù)反映［13］。

Pearson線性相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式：

Spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式：

式中：[x、][y]——需分析的相關(guān)變量，為現(xiàn)場(chǎng)同步采集到的基礎(chǔ)環(huán)位移和輪轂轉(zhuǎn)速；[N]——采樣點(diǎn)數(shù)量；[n]——等級(jí)個(gè)數(shù)，即采樣點(diǎn)大小或其他原則排列的先后次序；[d]——二列成對(duì)變量的等級(jí)差數(shù)，即[x，y]的差值。其中相關(guān)性系數(shù)為0.80～1.00是極強(qiáng)相關(guān)；相關(guān)性系數(shù)為0.60～0.79是強(qiáng)相關(guān)；相關(guān)系數(shù)為0.40～0.59是中程度相關(guān)；0.20～0.39是低度相關(guān)；0.00～0.19是極低相關(guān)。

1.3.3 驗(yàn)證樣機(jī)

選擇在江西某風(fēng)電場(chǎng)的12#和15#風(fēng)力機(jī)進(jìn)行對(duì)比實(shí)測(cè)分析，如表1所示，其中12#風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)較15#嚴(yán)重破損很多。

1.3.4 結(jié)果分析

對(duì)12#和15#風(fēng)力機(jī)6個(gè)月實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并從中提取啟停機(jī)、偏航、各速度平穩(wěn)段等6個(gè)常見(jiàn)工況數(shù)據(jù)，通過(guò)式（2）和式（3）分別計(jì)算基礎(chǔ)環(huán)水平度與輪轂轉(zhuǎn)速的Pearson線性相關(guān)和Spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù)，如表2所示。由表2可知，12#和15#風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)環(huán)水平度與輪轂轉(zhuǎn)速的相關(guān)系數(shù)數(shù)值上略有區(qū)別，但總體差異不大。

由表2計(jì)算結(jié)果可知：

1）在啟機(jī)、停機(jī)及偏航等載荷變化大的工況時(shí)，基礎(chǔ)環(huán)水平度與輪轂轉(zhuǎn)速的相關(guān)系數(shù)均大于0.8，啟停機(jī)工況甚至在0.9以上，均為極強(qiáng)相關(guān)，表明在上述3個(gè)狀態(tài)下，基礎(chǔ)環(huán)水平度與輪轂轉(zhuǎn)速為同向極強(qiáng)相關(guān)變化，將輪轂轉(zhuǎn)速視為“等效荷載”是可行的。

2）8～10 r/min和12～14 r/min正常運(yùn)行階段，輪轂由低轉(zhuǎn)速段向高轉(zhuǎn)速段變化時(shí)，基礎(chǔ)環(huán)水平度與輪轂轉(zhuǎn)速的相關(guān)性較啟機(jī)、停機(jī)及偏航等工況略有下降，主要是啟機(jī)、停機(jī)及偏航工況中輪轂轉(zhuǎn)速變化較大，對(duì)塔筒及基礎(chǔ)有較大的沖擊效應(yīng)。盡管如此，上述工況的相關(guān)系數(shù)均在0.8及以上，為極強(qiáng)相關(guān)。

3）14～16 r/min超額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行階段，當(dāng)輪轂轉(zhuǎn)速接近或大于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)機(jī)組會(huì)通過(guò)調(diào)整葉片角度，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速，以保證運(yùn)行安全，此時(shí)風(fēng)力機(jī)塔架所受載荷增大顯著，但葉片迎風(fēng)面的減少使輪轂轉(zhuǎn)速不能有效地反映風(fēng)力機(jī)所受到的實(shí)際載荷，使得輪轂轉(zhuǎn)速與基礎(chǔ)環(huán)水平度的相關(guān)系數(shù)有所下降，略低于0.8，兩者間相關(guān)性仍較強(qiáng)。

綜上，12#和15#風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)在監(jiān)測(cè)期間啟停機(jī)、偏航、高低速運(yùn)行平穩(wěn)段等6個(gè)常見(jiàn)工況下，輪轂轉(zhuǎn)速與基礎(chǔ)環(huán)水平度的Pearson和Spearman相關(guān)系數(shù)均在0.8及以上，為極強(qiáng)相關(guān)，表明以輪轂轉(zhuǎn)速視為等效荷載是可行的。

2 風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)在線監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.1 風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)風(fēng)載作用機(jī)理

如前所述，若將輪轂轉(zhuǎn)速[n]視為“等效荷載”，則12#問(wèn)題風(fēng)力機(jī)啟機(jī)過(guò)程可類(lèi)似于結(jié)構(gòu)的加載過(guò)程，如圖5所示，風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)風(fēng)載作用過(guò)程可描述為：

1）[0lt;nlt;nd，Mlt;Mg]，基礎(chǔ)環(huán)水平度不發(fā)生變化，風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。[nd]為臨界輪轂轉(zhuǎn)速下限；[M]為基礎(chǔ)環(huán)底部所受彎矩；[Mg]為自重抵抗彎矩。

2）[nd≤n≤nu，Mg≤M≤Mg+Mf]，基礎(chǔ)環(huán)水準(zhǔn)度隨輪轂轉(zhuǎn)速變化而顯著變化，問(wèn)題風(fēng)力機(jī)則出現(xiàn)驟升驟降，處于驟變狀態(tài)。[nu]為臨界輪轂轉(zhuǎn)速上限；[Mf]為破損空腔內(nèi)摩阻力產(chǎn)生的抵抗彎矩。

3）[nult;n≤nw，Mg+ Mflt;M≤Mw]，正常運(yùn)行階段，常疲勞階段，基礎(chǔ)環(huán)水平度將處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，其值在某一恒定值附近微小波動(dòng)，后期可能因長(zhǎng)期反復(fù)作用導(dǎo)致混凝土進(jìn)一步破壞而進(jìn)入新的恒定值。[Mw]為額定轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)力機(jī)底部所受彎矩，[nw]為輪轂額定轉(zhuǎn)速。

4）[nwlt;n，Mwlt;M]，超限運(yùn)行工況，強(qiáng)疲勞荷載階段，基礎(chǔ)環(huán)水平度處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，其值仍在某一恒定值附近微小波動(dòng)，但極有可能出現(xiàn)新的混凝土疲勞破損，進(jìn)入新的恒定值。

相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)和驟變階段在風(fēng)力機(jī)全壽命中出現(xiàn)次數(shù)較少，常疲勞階段為主要的發(fā)電生產(chǎn)階段，基礎(chǔ)混凝土的疲勞破損則主要是在這一階段形成。超載疲勞階段時(shí)，風(fēng)力機(jī)所受載荷大，基礎(chǔ)混凝土新的疲勞破損可能在這一階段出現(xiàn)。

2.2 各工況分析

2.2.1 啟機(jī)工況

如圖5所示，12#問(wèn)題風(fēng)力機(jī)在啟機(jī)運(yùn)行過(guò)程中輪轂轉(zhuǎn)速與基礎(chǔ)環(huán)水平度的相互關(guān)系可分為3個(gè)階段：

1）輪轂轉(zhuǎn)速由0逐漸提升至6.6 r/min，其中6.6 r/min為臨界輪轂轉(zhuǎn)速下限[nd]，由于轉(zhuǎn)速較低，風(fēng)力機(jī)塔架所受載荷較小，未能克服塔架自重抵抗彎矩[Mg]，基礎(chǔ)環(huán)水平度處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。

2）輪轂轉(zhuǎn)速達(dá)到并超過(guò)11.6 r/min，該值為臨界輪轂轉(zhuǎn)速上限[nu]，此時(shí)基礎(chǔ)環(huán)水平度可達(dá)到動(dòng)態(tài)極值水平度Δmax，并隨輪轂轉(zhuǎn)速變化而做微小波動(dòng)，如圖5中局部放大所示。

3）但輪轂轉(zhuǎn)速在［[nd，nu]］范圍內(nèi)變化時(shí)，基礎(chǔ)環(huán)水平度基本呈直線變化，定義為驟變階段，該階段基礎(chǔ)環(huán)水平度驟變值可反映該基礎(chǔ)內(nèi)部混凝土磨損空腔的大小，可評(píng)估風(fēng)致疲勞損傷程度。

如圖6所示，在15#啟機(jī)機(jī)工況中，因?yàn)檩嗇炥D(zhuǎn)速的不穩(wěn)定，且多次進(jìn)入到驟變階段，導(dǎo)致基礎(chǔ)環(huán)水平度出現(xiàn)多次明顯的驟升和驟降。

由圖5、圖6可知，15#風(fēng)力機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速[nd]和[nu]明顯較12#大，且基礎(chǔ)環(huán)水平度變化值亦相對(duì)較小，表明其損傷程度較12#明顯偏小。

如表3所示，12#和15#風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)極值水平度Δmax均大于其靜態(tài)水平度較多，表明基礎(chǔ)混凝土內(nèi)部損傷，特別是磨損性空腔，只能通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)試才能被準(zhǔn)確采集，而靜態(tài)檢測(cè)則不能反映。

綜合12#和15#風(fēng)力機(jī)啟機(jī)工況中，當(dāng)輪轂轉(zhuǎn)速在（nu，nd）范圍內(nèi)，均出現(xiàn)了基礎(chǔ)環(huán)水平度的驟變，即陡增或陡降，且數(shù)值越小表明基礎(chǔ)混凝土內(nèi)部空腔越大，風(fēng)致疲勞損傷程度越嚴(yán)重，因此nu和nd可用于評(píng)估風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)損傷程度。

2.2.2 停機(jī)工況

如圖7所示，與啟機(jī)工況不同的是，12#停機(jī)工況中輪轂轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，當(dāng)處于（[nd，nu]）內(nèi)基礎(chǔ)環(huán)水平度則進(jìn)入驟變；當(dāng)輪轂轉(zhuǎn)速大于下限[nd]時(shí)，哪怕是很小的一段，也會(huì)立即達(dá)到基礎(chǔ)環(huán)動(dòng)態(tài)極值水平度Δmax，表明12#風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)存在較大的磨損空腔。

2.2.3 偏航工況

如圖8所示，偏航工況中輪轂轉(zhuǎn)速變化較大，基本上處于（[nd，][nu]）的范圍內(nèi)，因此只要輪轂轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較大的波動(dòng)，基礎(chǔ)環(huán)水平度立即產(chǎn)生相應(yīng)的驟變。

2.2.4 正常運(yùn)行工況

如圖9～圖11所示，當(dāng)輪轂轉(zhuǎn)速處于8～16 r/min的平穩(wěn)運(yùn)行范圍時(shí)，風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)環(huán)水平度隨輪轂轉(zhuǎn)速變化的一致性非常明顯。

2.3 啟機(jī)工況下輪轂轉(zhuǎn)速n-基礎(chǔ)環(huán)水平度Δ曲線

圖12為12#和15#風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)水平度-輪轂轉(zhuǎn)速曲線，其中12#具有明顯“彈塑性”變形特征，具體如下：

1）OA“彈性段”，風(fēng)荷載彎矩（輪轂轉(zhuǎn)速視為“等效荷載”）未能克服風(fēng)力機(jī)自重抵抗彎矩[Mg]；

2）AB“彈塑性段”，風(fēng)荷載彎矩逐步克服風(fēng)力機(jī)自重抵抗彎矩[Mg]與內(nèi)部摩擦力抵抗彎矩[Mf]之和；

3）BC“塑性段”，基礎(chǔ)環(huán)水平度進(jìn)入驟變階段，該段水平長(zhǎng)度可準(zhǔn)確反映出基礎(chǔ)混凝土內(nèi)部磨損空腔的大小，實(shí)現(xiàn)混凝土風(fēng)致?lián)p傷程度評(píng)估。

15#風(fēng)力機(jī)啟機(jī)工況數(shù)據(jù)因?yàn)榇嬖谳嗇炥D(zhuǎn)速的多次往復(fù)變化，因此取其基礎(chǔ)水平度-輪轂轉(zhuǎn)速滯回曲線的骨架曲線。該曲線則呈明顯的“雙折線”，且較12#曲線剛度及承載力高出不少，具體如下：

1）O′A′段：斜率同12#，但更長(zhǎng)，表明不同損傷程度風(fēng)力機(jī)的基礎(chǔ)早期受力剛度是一致的；

2）A′B′段：因15#內(nèi)部空腔未形成，摩擦力較大，其剛度明顯較12#的AB段大，且呈現(xiàn)彈性；

3）無(wú)明顯水平“塑性段”，表明15#風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)混凝土內(nèi)部無(wú)明顯空腔形成，風(fēng)致疲勞損傷程度較低，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。

綜上，通過(guò)繪制啟機(jī)工況的風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)水平度-輪轂轉(zhuǎn)速曲線，可根據(jù)曲線形狀，能清楚直觀地對(duì)風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)疲勞損傷程度進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，可適用于實(shí)際工程。

2.4 機(jī)頭方位角θ-基礎(chǔ)環(huán)水平度Δmax曲線

固定測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)環(huán)水平度在每個(gè)機(jī)頭方位角θ角度上因不同時(shí)間段所受載荷大小不同而差異較大，當(dāng)輪轂轉(zhuǎn)速大于或等于[nu]時(shí)，機(jī)頭方位在風(fēng)力機(jī)損傷范圍內(nèi)時(shí)，基礎(chǔ)環(huán)水平度均會(huì)達(dá)到該方位角上的最大值。為此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)6個(gè)多月的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（圖13），對(duì)每個(gè)機(jī)頭方位角θ上全部基礎(chǔ)環(huán)水平度Δ進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從中篩選最大值Δmax，并繪制機(jī)頭方位角[θ]和Δmax的極坐標(biāo)曲線。其中，機(jī)頭方位角[θ]按式（4）計(jì)算。

[θ=α-β] （4）

式中：[α]——風(fēng)向角；[β]——偏航誤差角。[α]和[β]均可由SCADA系統(tǒng)同步采集到。

如圖13可知，12#風(fēng)力機(jī)在0°～71.4°之間Δmax普遍在10 mm以上，最大達(dá)11.6 mm；15#風(fēng)力機(jī)在270°～60°之間Δmax普遍在5 mm以上，最大達(dá)5.6 mm。對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果可知，12#風(fēng)力機(jī)在0°～71.4°區(qū)段顯示的Δmax較大區(qū)域與現(xiàn)場(chǎng)混凝土破損分布區(qū)域基本一致。同時(shí)，12#在主風(fēng)向迎面?zhèn)瘸拭黠@扇形分布，且數(shù)值較15#明顯偏大，表明12#風(fēng)力機(jī)在相關(guān)區(qū)域基礎(chǔ)環(huán)下法蘭周邊存在磨損性空腔分布。因此，機(jī)頭方位角θ-基礎(chǔ)環(huán)水平度Δmax曲線有助于清楚地確定基礎(chǔ)混凝土損傷扇區(qū)和最大損傷量。

3 風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)在線監(jiān)測(cè)和評(píng)估技術(shù)路線

綜上，6個(gè)多月的基礎(chǔ)環(huán)位移與上部機(jī)組參數(shù)的同步數(shù)據(jù)采集與分析結(jié)果表明“上下聯(lián)動(dòng)，動(dòng)靜結(jié)合”風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)健康檢測(cè)方案和分析方法可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)風(fēng)致疲勞損傷程度的監(jiān)測(cè)和評(píng)估，實(shí)際工程中風(fēng)力機(jī)在線監(jiān)控和評(píng)估技術(shù)路線可按圖14和圖15執(zhí)行。

4 結(jié) 論

1）提出基于水平度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果確定基礎(chǔ)環(huán)動(dòng)態(tài)位移計(jì)的安裝位置，并將實(shí)時(shí)采集到的動(dòng)態(tài)位移信號(hào)接入風(fēng)力機(jī)SCADA系統(tǒng)中，與上部機(jī)組參數(shù)同步采集和分析，可實(shí)現(xiàn)“上下聯(lián)動(dòng)，動(dòng)靜結(jié)合”的風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)風(fēng)致疲勞損傷程度的在線監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

2）通過(guò)對(duì)12#和15#風(fēng)力機(jī)在啟停機(jī)、偏航、高、中及低速運(yùn)行平穩(wěn)段等6個(gè)常見(jiàn)工況下，輪轂轉(zhuǎn)速與基礎(chǔ)環(huán)水平度的同步信號(hào)分析，結(jié)果表明，上述2組參數(shù)的Pearson和Spearman相關(guān)系數(shù)均在約0.8及以上，為極強(qiáng)相關(guān)，表明將輪轂轉(zhuǎn)速視為等效荷載是可行的。

3）通過(guò)研究12#問(wèn)題風(fēng)力機(jī)啟機(jī)工況下輪轂轉(zhuǎn)速與基礎(chǔ)環(huán)水平度的關(guān)系曲線，提出風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)在風(fēng)荷載作用下，可經(jīng)歷相對(duì)靜止階段、驟變階段、常疲勞階段和超載疲勞階段共4個(gè)階段。其中驟變階段的輪轂轉(zhuǎn)速上、下限[nu、nd]和動(dòng)態(tài)極值水平度Δmax等均可作為評(píng)估風(fēng)力機(jī)風(fēng)致疲勞損傷程度重要參數(shù)。

4）分析結(jié)果表明，通過(guò)繪制啟機(jī)工況下的輪轂轉(zhuǎn)速n-基礎(chǔ)環(huán)位移曲線Δ，并依據(jù)曲線形狀（“雙折線”或“彈塑性”曲線）以及斜率等相關(guān)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)風(fēng)致疲勞損傷程度的準(zhǔn)確評(píng)估。

5）通過(guò)繪制機(jī)頭方位角[θ-]基礎(chǔ)環(huán)動(dòng)態(tài)極值水平度Δmax曲線，可確定風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)下法蘭周邊混凝土磨損性空腔分布扇區(qū)及大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土風(fēng)致疲勞損傷位置及程度的評(píng)估。

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RESEARCH ON METHOD OF ON-LINE MONITORING AND DAMAGE ASSESSMENT OF WIND TURBINE CONCRETE FOUNDATIONS WITH EMBEDDED RING

Lyu Weirong1，Zhao Sitai1，Yao Shuai2，F(xiàn)u Qiuyun2，Jiang Haoyun1，Qi Jingjing1

（1. School of Civil Engineering， Hunan University of Science and Technology， Xiangtan 411201， China；

2. School of Mechanical Engineering， Hunan University of Science and Technology， Xiangtan 411201， China；

3. Harbing Electric Corporation Wind Power Co.， Ltd.， Xiangtan 411201， China）

Abstract ： According to the characteristics of wind turbine operation and the wind-induced fatigue damage of the embedded ring foundation， an online monitoring and damage assessment scheme of \"upper and lower linkage， dynamic and static combination\" is proposed. In other words ， the installation position of the LVDT displacement sensor is determined based on the measurement results of the embedded ring levelness， and the displacement signals collected in real time are connected to the SCADA system of the wind turbine， which can realize synchronous acquisition， analysis and damage assessment with upper unit parameters. The field monitoring results show that the correlation coefficient between hub speed and embedded ring levelness is 0.8 or above under common working conditions such as start and stop， yaw， stable operation at high， medium and low speeds， which is extremely correlated. Therefore， it is feasible to regard the hubspeed as the \"equivalent load on the foundation of the wind turbine. The fatigue damage degree of wind turbine foundation can be evaluated by drawing the curve of hub speed N-foundation ring displacement Δ and determining the curve parameters of critical hub speed， such as lower limit nd and upper limit nu and slope. By drawing the curveof the azimuth angle of wind turbine head [θ] and the maximum level of the embedded ring Δmax， the distribution area and size of the concrete wear cavity around the lower flange can be determined， which provides a clear reinforcement position for the later foundation grouting.

Keywords：embedded ring； wind turbine foundation； monitoring； hub speed； levelness