淺析風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)開(kāi)裂及高流動(dòng)高聚物在基礎(chǔ)維護(hù)中的使用

摘要：風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，由于基礎(chǔ)環(huán)受到塔筒傳遞的復(fù)雜的交變載荷，以及風(fēng)機(jī)偏航振動(dòng)等方面的影響，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土與基礎(chǔ)法蘭之間出現(xiàn)間隙，雨水浸入縫隙之后，通過(guò)“呼吸”作用使基礎(chǔ)內(nèi)部混凝土流失而出現(xiàn)空腔，基礎(chǔ)會(huì)出現(xiàn)傾斜、壓潰等情況。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組;基礎(chǔ);開(kāi)裂;高聚物灌漿;流動(dòng)性

引言

我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大，隨著大型風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行年限的增加，風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組基礎(chǔ)因振動(dòng)、止水層破壞等原因造成的基礎(chǔ)翻漿、開(kāi)裂現(xiàn)象逐漸普遍，本文就實(shí)際案例的處置及風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)維護(hù)方面做簡(jiǎn)要探討。

1.案例研究

某風(fēng)電場(chǎng)投產(chǎn)于2013年，裝機(jī)容量100MW，單機(jī)容量2MW。風(fēng)電場(chǎng)投產(chǎn)至今，有2臺(tái)機(jī)組基礎(chǔ)出現(xiàn)嚴(yán)重的基礎(chǔ)混凝土壓潰、開(kāi)裂現(xiàn)象，其他機(jī)組不同程度出現(xiàn)翻漿現(xiàn)象（如圖1所示）。

經(jīng)過(guò)實(shí)地勘察，基礎(chǔ)環(huán)外部混凝土部分，在水平表面敲擊有空鼓現(xiàn)象，并且是圍繞基礎(chǔ)環(huán)一周均有，越靠近基礎(chǔ)環(huán)空鼓深度越深;基礎(chǔ)環(huán)與混凝土平臺(tái)結(jié)合處均出現(xiàn)不同程度翻漿現(xiàn)象，基礎(chǔ)環(huán)混凝土平臺(tái)結(jié)合處均出現(xiàn)4㎜左右間隙。

2.風(fēng)機(jī)運(yùn)行是載荷傳遞分析

風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)塔筒傳遞至基礎(chǔ)的荷載非常復(fù)雜，一般有豎向荷載、橫向荷載、彎矩等。謝冰冰[8]等研究了風(fēng)機(jī)在啟停時(shí)在風(fēng)向方向前后擺振的情況，如圖2所示。

此時(shí)塔筒傳遞給基礎(chǔ)的荷載對(duì)基礎(chǔ)的沖擊作用是很大的，基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土必然會(huì)受到不均勻的徑向應(yīng)力從而導(dǎo)致應(yīng)力集中，極有可能使混凝土壓碎、破裂，繼而產(chǎn)生裂縫，如圖3所示。

3.非均勻受力的探討

對(duì)于非均勻的徑向壓力，目前沒(méi)有明確的分布曲線，常用一些函數(shù)曲線近似表示荷載分布規(guī)律的不均勻性，如采用倍角余弦曲線的非均勻徑向壓力分布[5]，或采用單角正弦函數(shù)分布等，參考上述研究，謝冰冰等[8]結(jié)合風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的受力情況，提出基礎(chǔ)環(huán)周邊非均勻的徑向壓力的分布形式如式（1） 及圖3所示。

2q = q0 （1+ kcosθ）2 （1）

式（1） 中： q0 表示不均勻徑向壓力的最小點(diǎn)處的壓力;k ∈ （0，1）表示風(fēng)機(jī)擺振程度，擺振幅值越大 k值越大;θ ∈[0，2π]。

4.風(fēng)振效應(yīng)在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上的載荷作用分析

王軍[10]等針對(duì)風(fēng)電機(jī)組的受荷條件和振型分析，基于Davenport 脈動(dòng)風(fēng)速譜水平風(fēng)荷載Pd作用，又考慮塔筒-基礎(chǔ)動(dòng)力相互作用，分析基礎(chǔ)-土體結(jié)構(gòu)的載荷分布如圖5所示。

式中：H為輪轂至基礎(chǔ)頂面的高度，D為塔筒直徑，G為上部結(jié)構(gòu)自重， 為上部結(jié)構(gòu)的彈性參數(shù)。

基于王軍等的計(jì)算公式，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組實(shí)際工況，通過(guò)仿真（圖6、圖7）可以看出，在出現(xiàn)基礎(chǔ)空洞、基礎(chǔ)混凝土在局部區(qū)域有嚴(yán)重的應(yīng)力集中效應(yīng)，這種效應(yīng)會(huì)加劇混凝土基礎(chǔ)在運(yùn)行中的惡化，形成惡性循環(huán)。

5.初步原因分析

5.1機(jī)組驅(qū)動(dòng)、非驅(qū)動(dòng)方向的震動(dòng)

機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，因受風(fēng)力的影響，出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)方向和非驅(qū)動(dòng)方向的震動(dòng)，機(jī)組振動(dòng)幅度在機(jī)艙位置最大，塔筒會(huì)產(chǎn)生一定的撓度，但受到的力會(huì)通過(guò)塔筒最終傳導(dǎo)到基礎(chǔ)環(huán)，基礎(chǔ)環(huán)受到縱向傳導(dǎo)的驅(qū)動(dòng)與非驅(qū)動(dòng)方向振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)環(huán)與混凝土出現(xiàn)一定的間隙。

5.2機(jī)組偏航低頻振動(dòng)

該風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組偏航過(guò)程中，會(huì)帶壓力（俗稱抱閘）偏航，抱閘偏航過(guò)程中，偏航摩擦片與偏航大齒圈之間會(huì)產(chǎn)生低頻高幅值振動(dòng)波，振動(dòng)波會(huì)通過(guò)塔筒縱向?qū)虻交A(chǔ)環(huán)，導(dǎo)致基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間逐漸出現(xiàn)裂隙，基礎(chǔ)平臺(tái)混凝土也因該低頻振動(dòng)而逐漸損壞，國(guó)內(nèi)曾出現(xiàn)過(guò)多起因偏航振動(dòng)過(guò)大而導(dǎo)致基礎(chǔ)損壞的案例。

5.3雨水浸入

基礎(chǔ)環(huán)的擺動(dòng)使底法蘭側(cè)面與混凝土產(chǎn)生相對(duì)“錯(cuò)動(dòng)”，破壞了止水層，當(dāng)基礎(chǔ)環(huán)與平臺(tái)混凝土之間出現(xiàn)裂隙時(shí)，在下雨天會(huì)有雨水逐漸浸入，浸入基礎(chǔ)的雨水會(huì)逐漸堆積在其縫隙內(nèi)，首先浸泡與之接觸部分的混凝土，使混凝土逐漸失效，在“呼吸”作用下，粗糙的混凝土被研磨成細(xì)小顆粒，在雨水中形成泥漿，在“呼吸”作用下被擠出裂縫;其次，浸入基礎(chǔ)內(nèi)的雨水在一些狹小的空間內(nèi)積聚后，因塔筒的擺動(dòng)，而使其在狹小空間內(nèi)受到極大的壓迫力，雨水通過(guò)傳導(dǎo)這種壓迫力，進(jìn)一步腐蝕混凝土，從而形成惡性循環(huán)，逐步擴(kuò)大基礎(chǔ)的損壞程度。

6.基礎(chǔ)開(kāi)裂環(huán)氧樹(shù)脂灌漿處理

6.1基礎(chǔ)糾偏

基礎(chǔ)出現(xiàn)開(kāi)裂之后，由于基礎(chǔ)內(nèi)部出現(xiàn)空腔，因此可能出現(xiàn)基礎(chǔ)傾斜，在基礎(chǔ)進(jìn)行灌漿處理前應(yīng)進(jìn)行基礎(chǔ)糾偏。基礎(chǔ)糾偏時(shí)，可在基礎(chǔ)內(nèi)放置液壓千斤頂頂起基礎(chǔ)法蘭（如圖8所示），實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)糾偏，然后再鉆孔注漿。

6.2高聚物注漿

對(duì)于大型混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)，業(yè)內(nèi)有比較成熟的方案。一般選用對(duì)基礎(chǔ)混凝土內(nèi)部空腔進(jìn)行注漿處理。注漿步驟可分為孔位布置、鉆孔、埋管、灌前檢查、化學(xué)灌漿、表面恢復(fù)等幾個(gè)步驟。高聚物注漿技術(shù)的基本原理是按一定配比，向病害處治區(qū)內(nèi)注射多組高聚物流體材料，材料迅速發(fā)生反應(yīng)后，體積急劇膨脹并固化，達(dá)到快速填充固化、加固結(jié)構(gòu)、防滲堵漏的目的。

一般情況下，材料采用“非水反應(yīng)高聚物”，采用A、B雙組份按特定比例混合而成，48小時(shí)凝固抗壓強(qiáng)度不小于60Mp，2小時(shí)強(qiáng)度達(dá)到70%以上。

7.高聚物流動(dòng)性探討

在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)出現(xiàn)壓潰、開(kāi)裂的情況下，一般需要緊急修復(fù)。高聚物注漿修復(fù)對(duì)時(shí)限要求、強(qiáng)度要求就較為迫切、嚴(yán)格，因此在修復(fù)時(shí)一般會(huì)在基礎(chǔ)上鉆孔注漿，孔徑一般為30㎜～40㎜，注射壓力一般為0.5Mp左右，靠流體自身的流動(dòng)性和毛細(xì)血管作用是無(wú)法注滿空腔的。緊急修復(fù)時(shí)使用的高聚物基本指標(biāo)如下（表1）：

通常緊急搶修時(shí)使用的高聚物有KD-506、KD-798、KD-508等多種環(huán)氧樹(shù)脂，因其初始粘度較大，流動(dòng)性差，所以才需帶壓灌注;由于流動(dòng)性差、粘度大、固化時(shí)間短，所以可操作時(shí)間也非常短，具體對(duì)比如下表（表2）。

8.高聚物在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土年度維護(hù)方面的使用探討

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土出現(xiàn)裂紋、止水層損壞后，如果不及時(shí)處理，缺陷持續(xù)擴(kuò)展，基礎(chǔ)失去自持力，塔筒晃動(dòng)擺幅增加，塔筒承受破壞性的載荷，可能發(fā)生異常傾斜甚至傾倒;基礎(chǔ)環(huán)和混凝土之間發(fā)生邊界腐蝕，腐蝕將嚴(yán)重?fù)p傷基礎(chǔ)環(huán)強(qiáng)度;基礎(chǔ)環(huán)和混凝土的分離部位埋深一般都貫穿到了基礎(chǔ)環(huán)下部T型法蘭處，進(jìn)行修復(fù)的難度較大、費(fèi)用較高、修復(fù)周期長(zhǎng)，缺陷嚴(yán)重時(shí)，風(fēng)機(jī)將無(wú)法運(yùn)行，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

為了避免風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重龜裂、止水損壞等情況，可利用高流動(dòng)性高聚物進(jìn)行年度維護(hù)。高流動(dòng)性高聚物與緊急維修時(shí)的高聚物相比較，流動(dòng)性要大很多，但凝固時(shí)間較長(zhǎng)，一般可操作時(shí)間會(huì)長(zhǎng)達(dá)770分鐘。因其灌注基本靠高聚物自身的流動(dòng)性和毛細(xì)血管效應(yīng)，因此其粘度非常低。根據(jù)某廠商送檢材料，國(guó)家建筑材料試驗(yàn)中心試驗(yàn)的結(jié)果，其初始粘度只有10 mPa·s，而在完全硬化后其抗壓強(qiáng)度也接近70MPa，符合風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)混凝土強(qiáng)度要求。

從經(jīng)濟(jì)方面對(duì)比，基礎(chǔ)混凝土緊急處理周期一般為8-10天，每臺(tái)處理費(fèi)用從20萬(wàn)元人民幣-80萬(wàn)元人民幣不等;如果使用高流動(dòng)性高聚物，固化時(shí)間為24小時(shí)左右，每臺(tái)維護(hù)成本約2000元-4000元不等，極大地節(jié)約了成本，因此運(yùn)行時(shí)間3年以上的風(fēng)電場(chǎng)可考慮將基礎(chǔ)混凝土維護(hù)納入年度維護(hù)范圍。

9.結(jié)論

（1）風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土在風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，受到復(fù)雜的交變載荷作用，而因混凝土與基礎(chǔ)環(huán)因彈性模量不一致，使其結(jié)合處防水、止水層出現(xiàn)破損;防水、止水層破壞后，混凝土因水的沖刷，以及“呼吸”作用而流失，基礎(chǔ)內(nèi)部形成空腔。

（2）一般性高聚物灌漿修復(fù)方案，能滿足基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度要求，但成本較高、修復(fù)周長(zhǎng)較長(zhǎng)。

（3）為防止基礎(chǔ)環(huán)出現(xiàn)嚴(yán)重的壓潰、空腔等情況，基礎(chǔ)混凝土以及防水、止水層因納入年度維護(hù)范圍內(nèi)，可用比較經(jīng)濟(jì)的高流動(dòng)性高聚物進(jìn)行年度維護(hù)。

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作者簡(jiǎn)介：張峰峰（1983年），男，工程師，風(fēng)電場(chǎng)安全及生產(chǎn)運(yùn)行管理。