风机结构监测技术在海上风电工程中的应用研究

摘 要：文章以东海大桥海上风电二期工程为基础，通过对静力水准仪、双向倾角仪、加速度计、钢板应变计、钢筋计、混凝土应变计、风速风向仪、长效海水Ag/AgCl参比电极等风机结构监测设备的布置，对多桩承台基础风机的结构倾斜、结构内力、结构振动和结构腐蚀情况进行监测，并对结构的安全性进行分析，结构表明：风机结构监测设备及技术适用于当前海上风机结构的监测，为海上风机结构远程监测平台建设提供基础支撑。

关键词：海上风电;监测设备;结构监测

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）07-0073-04

0 前言

风能是一种可再生能源，具有清洁、绿色的特点，是目前世界各国的研究重点。我国陆上可开发利用的实际风能资源约为2.53亿KW，近海风能资源大概是陆地风能资源的3倍。但海上风电工程结构承受强风、大浪、海流、浮冰等复杂的海洋环境荷载及海上盐雾、潮寒、台风等恶劣天气影响，在这些复杂荷载联合作用下结构可能会产生整体倾覆、断裂失效、屈曲失稳、振动疲劳损伤、地基冲刷、液化和弱化等破坏或风险，严重影响和威胁海上风电工程的安全性和耐久性。目前我国海上风电场建设目前还处于示范建设阶段，海上风电场运行监控和状态评价主要参考陆上风机，只进行风电机组的运行状态监测，仅在试验风机的基础和塔筒的少量部位进行了应力应变监测，远未实现针对海上风电场结构体系的状态监测，不能满足对海上风电场结构体系进行状态评价的要求，对于近海高承台桩风机运行期的安全监测国内外尚无系统的数据分析，因此监控风机运行期桩基础、基础承台的应力应变、塔筒过渡段的倾斜情况及塔筒的振动状态，分析风机桩基础及承台的应力状态、塔筒倾斜及振动情况，可以得出施工期及运行期风机基础的受力状态及运行期风机塔筒振动情况对基础承台的影响，为优化设计提供可靠的数据，为我国近海海上风电安全监测及检测规范的编制提供依据。

1 工程概况

上海东海大桥海上风电示范项目是亚洲首个海上风电场，位于上海市洋山海域东海大桥东侧，距东海大桥1-6Km海域范围内，离岸距离8～13km，平均水深12m。地属杭州湾海域，常年气温较高，湿度大，季候风强烈，海水含盐量高。由于该处靠近出海口，涨落潮干湿侵蚀以及海洋大气的腐蚀对管桩等主体支撑结构的使用寿命有极大的影响。

该样机为8根Φ2000mm的钢管桩基础（如图1所示），每根钢管桩均采取了包括玻璃纤维复合材料包覆、环氧粉末涂层、牺牲阳极阴极保护等防腐蚀保护措施，不同区域采取的防腐蚀措施不同。风机基础结构图2所示。

2 风电监测设备的布置及监测

2.1 不均匀沉降监测设备布置及监测

在混凝土承台顶部均匀布置4个监测点，其中一对监测点布置在主方向上。在混凝土承台浇筑时，制作混凝土测点墩、预埋螺杆，待风机吊装完成后，将静力水准仪安装到预埋螺杆上，安装连通管并充液。如图3所示：

2.2 倾斜监测设备布置及监测

在混凝土承台顶部、每节塔筒顶部及机舱内，采用固定测斜仪测试桩身不同高度的倾斜，或在桩顶布置倾角仪测试桩顶的倾斜，用测斜管保护管底部封闭，具体安装布置如图4所示。

2.3 结构振动监测设备布置及监测

在基础平台顶面、塔筒内及机舱内安装加速度计，塔筒内宜根据塔筒节数分层布置，有条件时每节塔筒顶部和底部均布置传感器，以检查塔筒连接状况。加速度计应至少可测水平面上两个方向的振动变化量。如图5所示。

2.4 结构内力监测设备布置及监测

风机结构内力监测主要是设置在基础、平台、过渡段及塔筒等位置，监测仪器主要有鋼板应变计、钢筋应力计、混凝土应变计及无应力计等。其中钢板应变计安装时必须将安装块焊到钢结构表面上，焊接前，钢结构表面应用钢丝刷清理，以去除氧化层、锈和油污，以使焊接牢固;钢筋应力计连接杆的尺寸应与被测钢筋直径一致，仪器出线口位置应注意保护，避免混凝土振捣时破坏;混凝土应变计、无应力计的安装是在承台钢筋绑扎完成后、混凝土浇筑前，按设计位置、设计方法安装混凝土应变计与无应力计，混凝土应变计的安装方向一般与附近的钢筋计方向相同，应力筒的朝向一般是非荷载传递的方向。具体如图6所示。

2.5 腐蚀监测设备布置及监测

在浪溅区、水位变动区和水下区选择具有代表性的位置，在钢结构和混凝土承台中布置相应的监测仪器。主要是监测阴极保护电位和监测钢筋锈蚀电流或电位，混凝土的电阻率、cl-浓度或pH值等。如图7所示。

3 风机结构监测数据分析

3.1 结构倾斜监测数据结果

监测结果表明：塔筒位置的动态倾斜度略大于承台顶面的动态倾斜度，位置越高、倾斜量越大。一般工况下，过渡段与塔筒底部的倾斜度最大值一般在0.04°左右，换算成分为单位，则倾斜度最大值一般在2.5″左右，具体监测数据如表1所示。

3.2 结构内力监测数据分析

在承台钢筋基本绑扎完成、混凝土浇筑前，不同高程的桩身应变均处于受压状态，应变值在-30.0με～-45.0με;在风机塔筒吊装完成后，不同高程的桩身应变均处于受压状态，应变值在-80.0με～-125.0με;目前，不同高程的桩身应变值稳定在-100.0με～-160.0με，各钢板应变计的测值长期稳定，变化幅度不大。假设钢材的弹性模量取2.1×105MPa，可将测得的不同高程的桩身应变值换算成桩身应力：在承台混凝土浇筑前，不同高程的桩身应力在-6.3MPa～ -9.5MPa;在风机塔筒吊装完成后，不同高程的桩身应力在 -16.8MPa～-26.3MPa;目前，不同高程的桩身应力在-21.0MPa ～-34.0MPa。

混凝土承台内力，以浇筑过程中的钢筋计测值为基准，根据运行期的钢筋计测值可换算出运行期承台内钢筋的实际受力。35#风机承台内部钢筋计测值一般为-25.9MPa～ -43.8MPa（“-”表示钢筋受压），36#风机承台内部钢筋计测值一般为-42.9MPa～-58.8MPa（“-”表示钢筋受压），各钢筋计测值长期保持稳定，测值变化幅度不大。从承台内钢筋计测值可以看出，承台内钢筋均处于受压状态，压力值长期稳定、变化幅度不大。

3.3 结构振动监测数据分析

承台与塔筒的振动，采用双向（东西向、南北向）测振仪（加速度计）进行监测，监测结果如表2所示，结果表明：塔筒位置的振动加速度略大于承台顶面的振动加速度，这说明，位置越高、振动加速度越大;同时监测过程中部分时刻加速度发生了跳动，这是因为此时风机发生了偏航，加速度测值有4次明显的突变，说明此过程中风机机舱可能发生了4次较明显的偏航。如图8和9所示。

3.4 结果腐蚀监测数据分析

桩身保护电位利用万用表与参比电极进行监测，保护电位测值统计表如表3所示，结果表明：保护电位的几期测值比较接近，海浪、台风等未对工程桩的阴极保护效果产生明显的不利影响。根据《海港工程钢结构防腐蚀技术规范》（JTS 153-3-2007）表4.5.5的规定，钢结构保护电位在[-0.78V，-1.05V]此范围内，钢管桩处于有效保护中。

4 结语

静力水准仪、双向倾角仪、加速度计、钢板应变计、钢筋计、混凝土应变计、风速风向仪、长效海水Ag/AgCl参比电极等风机结构监测设备能够有效的监控海上风电工程中承台基础风机的结构倾斜、结构内力、结构振动和结构腐蚀情况，这些设备及监测技术适用于当前海上风机结构的监测，为海上风机结构远程监测平台建设提供基础支撑。

参考文献

[1] 胡蕊，申浩，李杰，等.海上风机基础结构监测系统开发与应用[J].水能经济，2017（02）：397-398.

[2] 张健，邓启飞，等.海上风机基础倾斜在线监测系统的应用[J].工程质量，，018（03）：20-23.