Spar型浮式風(fēng)機(jī)疲勞性能的研究進(jìn)展

(武漢理工大學(xué) 湖北 武漢 430070)

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)根據(jù)安裝水域深淺程度分為：固定式基礎(chǔ)和浮式基礎(chǔ)。固定式基礎(chǔ)一般安裝在水深30m以內(nèi)的淺水區(qū)域，主要有重力式、單樁式、多樁承臺、三樁式、導(dǎo)管架式等基礎(chǔ)。當(dāng)水深超過50m時，浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的造價成本比固定基礎(chǔ)更經(jīng)濟(jì)，主流的浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)有Spar型基礎(chǔ)、Barge型基礎(chǔ)、Semi型基礎(chǔ)和TLP型基礎(chǔ)。

各種浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在構(gòu)造上存在著明顯的差異，其適用條件和受力特點也有著較大的區(qū)別，本文重點對Spar型浮式風(fēng)機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

一、Spar型浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的特點

浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)主要由葉片、機(jī)艙、塔架、浮式平臺和系泊系統(tǒng)構(gòu)成。如圖1所示。浮式風(fēng)機(jī)所處海洋環(huán)境復(fù)雜，其中風(fēng)、波浪和流冰荷載是作用在海上浮式風(fēng)機(jī)的主要荷載。

塔架由三部分組成，上下部分為兩段不同直徑的圓柱，中間以圓臺連接過渡，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)吃水深度為120m，浮式基礎(chǔ)上部分與塔架連接，通過調(diào)整壓載艙使浮心位置在重心之上，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系泊系統(tǒng)采用了3根錨鏈懸鏈線定位的方法，每根錨鏈與基礎(chǔ)相連。

圖1 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模型

二、Spar型風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

海上浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)不僅會受到風(fēng)、波浪、海流、以及流冰等載荷作用，與陸上風(fēng)機(jī)相比，海上風(fēng)機(jī)還會受到腐蝕、凍融、海生物附著等多種環(huán)境因素的相互作用，其受力情況更加復(fù)雜。針對浮式風(fēng)機(jī)所承受的這些載荷，海內(nèi)外許多專家和學(xué)者做了大量的分析研究。

高巍等[1]利用動力學(xué)分析軟件對空氣-水動力耦合時域研究，分析了在風(fēng)浪流耦合作用下Spar基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)的動力響應(yīng)，比較了在不同工況作用下對系泊系統(tǒng)的影響。蒙宣伊[2]等利用海洋工程浮體分析軟件對Spar式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行時域分析，研究了幾種特殊工況作用下系統(tǒng)的運動響應(yīng)。成欣等[3]利用水動力軟件ANSYS/AQWA研究了Spar基礎(chǔ)在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的頻域特性和時域動力響應(yīng)，并分析了各波浪力成分隨頻率的變化規(guī)律，得出附加阻尼力是Spar基礎(chǔ)的主要波浪力成分。

海上風(fēng)機(jī)受到多種環(huán)境荷載耦合作用，為了探究哪種荷載的影響更大，張毅[4]等基于Kaimal 風(fēng)速譜模擬風(fēng)載荷計算，采用K?rn?冰力譜模擬冰載荷計算，最后對比風(fēng)荷載和冰荷載分別單獨作用下和風(fēng)冰聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。為了探究冰載對結(jié)構(gòu)的影響，黃焱等做了許多關(guān)于冰與帶抗冰錐體結(jié)構(gòu)物的相互作用模型試驗，研究發(fā)現(xiàn)[5]：冰荷載是由幾種頻率成分構(gòu)成的，當(dāng)冰與結(jié)構(gòu)作用時，冰荷載中的任一種成分與風(fēng)機(jī)的自振頻率相差小于±10%時，將會引起結(jié)構(gòu)的共振效應(yīng)，極易造成結(jié)構(gòu)損壞。

浮式風(fēng)機(jī)承受風(fēng)、波浪、流冰等多種荷載耦合作用，浮式風(fēng)機(jī)在這些復(fù)雜荷載的作用下極易產(chǎn)生疲勞損傷。章海亮[6]等利用有限元軟件對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位建立子模型，利用多邊界插值法計算了不同工況下關(guān)鍵節(jié)點的應(yīng)力時程，最后基于線性損傷理論和S-N曲線預(yù)測了各關(guān)鍵節(jié)點的疲勞壽命。劉超[7]等分析了導(dǎo)管架平臺的動力響應(yīng)，利用雨流計數(shù)法和Miner線性累積損傷理論，評估了導(dǎo)管架平臺在各海況作用下的疲勞壽命，得出短期海況對結(jié)構(gòu)疲勞壽命影響十分顯著。方磊[8]采用挪威船級社SESAM軟件建立Spar平臺有限元模型，對錨鏈頻域響應(yīng)譜進(jìn)行分析，基于S-N曲線和斷裂力學(xué)方法評估結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

在風(fēng)機(jī)運行期間，系泊系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)連接部位是最容易發(fā)生疲勞損傷的部位，在復(fù)雜的海洋環(huán)境作用下，一旦導(dǎo)纜孔發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，便會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞損傷破壞的發(fā)生，造成嚴(yán)重的安全事故。為了研究浮式基礎(chǔ)運動響應(yīng)和錨鏈張力的變化規(guī)律，鄧露[9]等通過改變導(dǎo)纜孔的位置以及錨鏈之間的夾角，分析這些參數(shù)對風(fēng)機(jī)發(fā)電效率、平臺運動響應(yīng)和錨鏈張力的影響。李夢陽[10]等計算了不同環(huán)境條件下風(fēng)機(jī)平臺受到的載荷，通過改變預(yù)張力的大小、導(dǎo)纜孔位置及導(dǎo)纜孔布置形式，分析這些參數(shù)對系泊系統(tǒng)位移和錨鏈張力的影響。

三、結(jié)論

目前，對于浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的研究，主要是通過足尺縮尺實驗和有限元數(shù)值模擬等方式來實現(xiàn)的，雖然國內(nèi)外學(xué)者做了大量的模擬研究，但對風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)導(dǎo)纜孔結(jié)構(gòu)的疲勞性能研究性對較少。導(dǎo)纜孔作為浮式風(fēng)機(jī)塔架和系泊系統(tǒng)重要的連接部位，其結(jié)構(gòu)特殊且容易造成損傷，是浮式風(fēng)機(jī)的薄弱部位。在風(fēng)機(jī)運行期間，導(dǎo)纜孔是最易產(chǎn)生疲勞損傷的位置，一旦導(dǎo)纜孔發(fā)生疲勞破壞，將會加速浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)失效，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。由于導(dǎo)纜孔一直處于海洋環(huán)境中，極易產(chǎn)生銹蝕，應(yīng)分析銹蝕狀態(tài)下，導(dǎo)纜孔在荷載作用下的疲勞性能，從而保證浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在服役過程中的安全性。