渤海冰區(qū)風(fēng)電場建設(shè)的思考

田利勇，趙玉琢，王懷明，周升明，憲 凱，張 野，劉亞杰

（華電重工股份有限公司，北京100070）

唐山樂亭菩提島海上風(fēng)電場300MW示范工程項目是我國渤海灣海域開工建設(shè)的首個海上風(fēng)電項目，布置75臺4兆瓦風(fēng)電機組。依據(jù)海冰劃分圖，處在第六冰區(qū)與第八冰區(qū)交界位置，該區(qū)域每年冬季冰情相對其它區(qū)域較重。項目開發(fā)過程中，針對風(fēng)場的抗冰防冰對策，國內(nèi)外專家、設(shè)計院以及中國船級社等單位進行了廣泛討論與論證。作者基于此項目的建設(shè)經(jīng)歷，討論了風(fēng)機結(jié)構(gòu)的抗冰與防冰對策以及目前面臨的挑戰(zhàn)，以期對渤海冰區(qū)后續(xù)海上風(fēng)電場建設(shè)起到參考作用。

1 海冰與結(jié)構(gòu)物的相互作用

1.1 直立結(jié)構(gòu)的冰荷載與響應(yīng)

海冰與結(jié)構(gòu)相互作用時，會出現(xiàn)多種破壞形式，主要有劈裂、彎曲、屈曲和擠壓等，其中擠壓破壞對結(jié)構(gòu)的影響最大[1]。因此，對于迎冰面為直立形式的海洋工程結(jié)構(gòu)物，抗冰性能分析主要考慮海冰的擠壓破碎過程[2]，并重點關(guān)注可能導(dǎo)致平臺傾覆的最大靜冰力和引起平臺振動的交變冰力。

1.1.1 最大靜冰力

最大靜冰力是結(jié)構(gòu)抗冰性能分析時首先需要考慮的問題，以確保結(jié)構(gòu)有足夠的強度和剛度[2]。中國海洋石油總公司于2002年頒布的《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》（Q/HSn3000-2002）規(guī)定作用于垂直和接近垂直的孤立柱上的水平總冰力F=PGDh，單位為KN，其中D和h分別為結(jié)構(gòu)寬度和冰厚，下同，單位為m；平均冰壓力PG=MIfcσc，σc為海冰的單軸壓縮強度，單位為MPa。M、I和fc分別為形狀、嵌入和接觸系數(shù)，由經(jīng)驗公式，Ifc=3.57h0.1/D0.5。此外，由美國石油學(xué)會API-RP-2N規(guī)范，可令R=mIfc表示折減系數(shù)，取值0.3～0.7。針對渤海海域，由現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)實際中易出現(xiàn)海冰擠壓同時破壞[3]，R保守取值應(yīng)大于1.0。值得注意的是，此公式的適用范圍為D≤2.5m?？紤]到風(fēng)機單樁基礎(chǔ)直徑顯著大于油氣平臺，而海冰與結(jié)構(gòu)接觸面積越大，極值冰力越小，理論上風(fēng)機結(jié)構(gòu)極值荷載的折減系數(shù)要小于石油平臺結(jié)構(gòu)。

國外方面，歐美石油公司以及研究機構(gòu)自2003年聯(lián)合開展了極區(qū)海洋工程結(jié)構(gòu)工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)ISO 19906的編制工作，并于2010年發(fā)布《ISO 19906：Petroleum and natural gas industries-Arctic offshore structures》標(biāo)準(zhǔn)（簡稱ISO 19906）[4]。該標(biāo)準(zhǔn)提供的平均冰壓力計算公式為PG=CR（h/h1）（nw/h）m，其中，CR為海冰強度系數(shù)，亞極區(qū)推薦取值1.8MPa；h1為參考冰厚，取1m；w為冰與結(jié)構(gòu)接觸寬度；n為冰厚效應(yīng)的經(jīng)驗系數(shù)，當(dāng)冰厚小于1m，取值為-0.5+h/5，當(dāng)冰厚大于1m，推薦值為-0.3；m為接觸寬度效應(yīng)的經(jīng)驗系數(shù)，規(guī)范推薦值為-0.16，針對渤海，有研究[5]根據(jù)模型試驗建議將m的推薦值修正為-0.19。

1.1.2 交變冰力

海冰的周期性擠壓破碎可形成交變冰力。在此方面，考慮冰速的快慢，交變冰力可以分為：準(zhǔn)靜態(tài)冰力、穩(wěn)態(tài)冰力和隨機冰力。三者中，準(zhǔn)靜態(tài)冰力（冰速小于2cm/s，由渤海遼東灣石油平臺獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，后同）由于周期遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的固有振動周期，幾乎不引起結(jié)構(gòu)物的動力效應(yīng)，可視為靜冰力加載過程[2]；隨著冰速的增加，海冰的破碎過程可能會與結(jié)構(gòu)物振動產(chǎn)生耦合，此時穩(wěn)態(tài)冰力（冰速2～4cm/s）頻率鎖定在結(jié)構(gòu)一階固有頻率附近，可致使結(jié)構(gòu)發(fā)生簡諧形式的自激振動[3]，振動幅值較大且會持續(xù)比較長的時間，產(chǎn)生動力放大現(xiàn)象；而隨機冰力條件下（冰速大于4cm/s），海冰與直立結(jié)構(gòu)迎冰面發(fā)生快速連續(xù)的脆性擠壓破碎[6]，由于此時冰力周期出現(xiàn)很大的隨機性，結(jié)構(gòu)響應(yīng)變?yōu)殡S機激勵下的受迫隨機振動。

考慮到冰致自激振動可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不能正常運行或者疲勞失效，穩(wěn)態(tài)冰力對結(jié)構(gòu)安全影響最大。歷史上，美國阿拉斯加庫克灣的鉆井平臺、加拿大的大型沉箱式采油平臺，以及渤海JZ9和JZ20油田導(dǎo)管架平臺等都曾遭受到不同程度的冰激振動危害[7]。此外，對于海冰條件也有較嚴(yán)格的要求，需要大面積的平整冰在特定的冰速下擠壓結(jié)構(gòu)。

1.2 錐體結(jié)構(gòu)的冰力與響應(yīng)

研究發(fā)現(xiàn)，海冰的彎曲強度約為壓縮強度的1/3[8]。在孤立柱的冰作用位置安裝破冰錐體，可使冰與直立結(jié)構(gòu)作用由擠壓破壞改變?yōu)閺澢茐?，從而大大降低冰對結(jié)構(gòu)的作用力。

1.2.1 最大靜冰力

由美國石油學(xué)會API-RP-2N規(guī)范，錐體冰力可根據(jù)基于塑性極限法的Ralston錐體冰力公式進行計算，其中，水平總冰力公式中，σf為冰彎曲強度，單位為MPa；ρi為海冰的密度；hR和DT分別為爬升厚度和錐體頂端直徑，單位均為m；A1、A2、A3和A4由錐體角度和冰－錐摩擦因數(shù)決定，計算公式可見文獻[9]。

唐山樂亭菩提島海上風(fēng)電場300MW示范工程項目有關(guān)試驗結(jié)果顯示，Ralston模型得到的冰力結(jié)果與實際值具有很好的吻合度。需要指出的是，當(dāng)錐角大于65°時，錐體冰力的敏感系數(shù)幾乎呈指數(shù)增長，這時錐體冰力更多表現(xiàn)為彎曲應(yīng)力和擠壓應(yīng)力的混合力，塑性極限法的Ralston公式已經(jīng)不能準(zhǔn)確地計算冰力。

1.2.2 交變冰力

目前，對于加錐風(fēng)電結(jié)構(gòu)的動冰荷載研究成果主要基于導(dǎo)管架油氣平臺，適用于風(fēng)電結(jié)構(gòu)的計算模型[1]目前尚不明確，仍有待進一步研究。

理論上，安裝破冰錐體后海冰的破碎及產(chǎn)生的冰力的周期會呈現(xiàn)出更加高度的隨機性，冰致直立結(jié)構(gòu)的自激穩(wěn)態(tài)振動可以完全消除[10]。實際中，由于海冰的彎曲破壞有特殊的破壞長度，同樣會形成規(guī)律性的荷載，在一定的冰速與冰厚時，海冰的破壞周期也會與海洋工程結(jié)構(gòu)的固有周期一致，形成共振現(xiàn)象，不過這種共振形式屬于強迫振動。

目前，在冰情較嚴(yán)重的渤海遼東灣，海上石油平臺已廣泛安裝破冰錐體，并取得了比較好的防冰抗冰效果，基本滿足了渤海油氣開發(fā)的安全與經(jīng)濟性要求。

2 冰區(qū)風(fēng)機單樁基礎(chǔ)設(shè)計難點和特殊性

海上風(fēng)電場中，升壓站平臺與油氣平臺相似，主要采用四樁腿平臺結(jié)構(gòu)。而風(fēng)機基礎(chǔ)主要采用大直徑單樁形式。單樁基礎(chǔ)依靠插入海底的鋼管樁支撐風(fēng)機塔筒，或者通過過渡段將兩者連接起來，具有結(jié)構(gòu)形式簡單、便于安裝、施工速度快、占海面積小、對海洋環(huán)境影響較少等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最為廣泛的基礎(chǔ)形式。

相比油氣平臺，冰區(qū)風(fēng)機大直徑單樁基礎(chǔ)設(shè)計難點和特殊性主要表現(xiàn)在如下幾個方面。

2.1 上部結(jié)構(gòu)更高更柔

海上風(fēng)機為捕獲盡可能多的風(fēng)能，葉片長、塔筒高，目前主流的4-6MW風(fēng)力發(fā)電機，水面以上結(jié)構(gòu)高度通常在80m以上（導(dǎo)管架平臺一般在20m左右），重心高對下部基礎(chǔ)產(chǎn)生巨大的彎矩作用。與此同時，結(jié)構(gòu)也更偏柔性，如表1所示，海上風(fēng)機一階固有頻率約0.2～0.3Hz，相比之下，石油平臺的固有頻率更高，通常在1～2Hz上下[8]。針對風(fēng)機-塔筒-單樁基礎(chǔ)這樣的柔性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，目前研究主要集中于靜冰力，動冰力響應(yīng)分析相對較少，對于其發(fā)生冰致自激振動的條件還沒有足夠理論及觀測數(shù)據(jù)支持。

表1 典型渤海冰區(qū)海洋工程結(jié)構(gòu)物特征參數(shù)

2.2 樁基更寬且深度淺

石油平臺的樁基直徑通常小于2m，屬于窄結(jié)構(gòu)形式。而風(fēng)機單樁基礎(chǔ)的寬度通常在6m以上，安裝錐體后進一步加大結(jié)構(gòu)寬度，直徑可達(dá)到9～10m?？紤]到冰荷載取決于冰的破碎形式，而冰的破碎形式與結(jié)構(gòu)的寬度密切相關(guān)，研究大直徑單樁基礎(chǔ)安裝破冰錐體的效果不能完全參照導(dǎo)管架油氣平臺、燈塔等類型的結(jié)構(gòu)。

另一方面，由于風(fēng)機上部組塊重量輕，基礎(chǔ)深度更淺。淺基礎(chǔ)不僅對沖刷比較敏感，抗傾覆能力也要比石油平臺更弱。此外，冰擠壓破壞動荷載會引起樁基的振動及變形，帶動樁周土體變形，土體在往復(fù)變形過程中容易引起砂土液化，避免土體液化問題也是冰區(qū)風(fēng)機單樁基礎(chǔ)設(shè)計要考慮的難題。

2.3 失效模式不確定性

除冰荷載外，海上風(fēng)機基礎(chǔ)所承受的波浪、海流以及風(fēng)荷載也更顯著。目前，對于海冰及其它環(huán)境荷載聯(lián)合作用下風(fēng)機結(jié)構(gòu)的失效模式與準(zhǔn)則，研究還不夠充分。對于石油平臺，考慮到上部有天然氣管路，降低振動強度是首要的設(shè)計考量。而對于風(fēng)機，失效的模式以振動強度為主還是疲勞壽命為主還要進一步論證。

3 工程案例

雖然破冰錐體具有良好的抗冰效果，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實際建造施工存在諸多不便。例如：廠內(nèi)加工制造難度大，耗費時間長，部分位置焊接質(zhì)量難以保證；基礎(chǔ)重量上升明顯，現(xiàn)場安裝費時費力；需要進行水下焊接、灌漿等工作，施工成本高、風(fēng)險大。因此，在冰情比較輕的海域，如綏中36-1油氣田，部分石油平臺沒有安裝破冰錐體，后期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)冰振現(xiàn)象較輕，也沒有發(fā)生顯著的冰致自激振動現(xiàn)象。

基于上述考量，唐山樂亭菩提島海上風(fēng)電場300MW示范工程項目中，除加裝抗冰錐方案外，還同時考慮了另一種技術(shù)路線，即取消抗冰錐，從而達(dá)到降低建設(shè)成本和施工風(fēng)險的目的。

比較了兩種技術(shù)方案的區(qū)別，顯而易見的是，取消抗冰錐可顯著縮短建設(shè)周期，降低項目成本和施工風(fēng)險，更符合建設(shè)方、設(shè)計方、施工方共同的追求。但取消抗冰錐結(jié)構(gòu)后，無疑會增大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的水平荷載和疲勞荷載，因此需要對結(jié)構(gòu)進行更為細(xì)致深入的研究設(shè)計，確保風(fēng)機在冰荷載動力作用下不會因強烈的振動而影響正常使用。同時，如何保證靠船結(jié)構(gòu)、海纜保護管等直接暴露在冰荷載作用下的附屬結(jié)構(gòu)既不受損壞，又能較為簡單地完成安裝也是另一個需要解決的問題。

4 結(jié)束語

基于唐山樂亭菩提島海上風(fēng)電場300MW示范工程項目的建設(shè)經(jīng)歷，本文對海上風(fēng)機抗冰振相關(guān)問題進行了討論。參考渤海油氣平臺抗冰經(jīng)驗，風(fēng)機基礎(chǔ)安裝破冰錐體可防止冰致自激振動，但無法保證完全杜絕冰振，產(chǎn)生的冰致強迫共振仍有可能影響結(jié)構(gòu)的疲勞壽命?？紤]到加裝破冰錐體會極大增加建設(shè)項目的周期和成本，在何種條件下需要使用破冰錐體以及破冰錐優(yōu)化設(shè)計等問題仍有待深入研究。為更加高效地利用渤海冰區(qū)海上風(fēng)電資源，有必要對冰區(qū)風(fēng)機的冰荷載、冰振響應(yīng)、風(fēng)機的振動失效分析進行深入研究，建議利用建成的海上風(fēng)電平臺開展大規(guī)模的冬季監(jiān)測，為有關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支撐。