渤海冰区风电场建设的思考

田利勇，赵玉琢，王怀明，周升明，宪 凯，张 野，刘亚杰

（华电重工股份有限公司，北京100070）

唐山乐亭菩提岛海上风电场300MW示范工程项目是我国渤海湾海域开工建设的首个海上风电项目，布置75台4兆瓦风电机组。依据海冰划分图，处在第六冰区与第八冰区交界位置，该区域每年冬季冰情相对其它区域较重。项目开发过程中，针对风场的抗冰防冰对策，国内外专家、设计院以及中国船级社等单位进行了广泛讨论与论证。作者基于此项目的建设经历，讨论了风机结构的抗冰与防冰对策以及目前面临的挑战，以期对渤海冰区后续海上风电场建设起到参考作用。

1 海冰与结构物的相互作用

1.1 直立结构的冰荷载与响应

海冰与结构相互作用时，会出现多种破坏形式，主要有劈裂、弯曲、屈曲和挤压等，其中挤压破坏对结构的影响最大[1]。因此，对于迎冰面为直立形式的海洋工程结构物，抗冰性能分析主要考虑海冰的挤压破碎过程[2]，并重点关注可能导致平台倾覆的最大静冰力和引起平台振动的交变冰力。

1.1.1 最大静冰力

最大静冰力是结构抗冰性能分析时首先需要考虑的问题，以确保结构有足够的强度和刚度[2]。中国海洋石油总公司于2002年颁布的《中国海海冰条件及应用规定》（Q/HSn3000-2002）规定作用于垂直和接近垂直的孤立柱上的水平总冰力F=PGDh，单位为KN，其中D和h分别为结构宽度和冰厚，下同，单位为m；平均冰压力PG=MIfcσc，σc为海冰的单轴压缩强度，单位为MPa。M、I和fc分别为形状、嵌入和接触系数，由经验公式，Ifc=3.57h0.1/D0.5。此外，由美国石油学会API-RP-2N规范，可令R=mIfc表示折减系数，取值0.3～0.7。针对渤海海域，由现场监测发现实际中易出现海冰挤压同时破坏[3]，R保守取值应大于1.0。值得注意的是，此公式的适用范围为D≤2.5m。考虑到风机单桩基础直径显著大于油气平台，而海冰与结构接触面积越大，极值冰力越小，理论上风机结构极值荷载的折减系数要小于石油平台结构。

国外方面，欧美石油公司以及研究机构自2003年联合开展了极区海洋工程结构工程设计标准ISO 19906的编制工作，并于2010年发布《ISO 19906：Petroleum and natural gas industries-Arctic offshore structures》标准（简称ISO 19906）[4]。该标准提供的平均冰压力计算公式为PG=CR（h/h1）（nw/h）m，其中，CR为海冰强度系数，亚极区推荐取值1.8MPa；h1为参考冰厚，取1m；w为冰与结构接触宽度；n为冰厚效应的经验系数，当冰厚小于1m，取值为-0.5+h/5，当冰厚大于1m，推荐值为-0.3；m为接触宽度效应的经验系数，规范推荐值为-0.16，针对渤海，有研究[5]根据模型试验建议将m的推荐值修正为-0.19。

1.1.2 交变冰力

海冰的周期性挤压破碎可形成交变冰力。在此方面，考虑冰速的快慢，交变冰力可以分为：准静态冰力、稳态冰力和随机冰力。三者中，准静态冰力（冰速小于2cm/s，由渤海辽东湾石油平台获得的监测数据分析，后同）由于周期远大于结构的固有振动周期，几乎不引起结构物的动力效应，可视为静冰力加载过程[2]；随着冰速的增加，海冰的破碎过程可能会与结构物振动产生耦合，此时稳态冰力（冰速2～4cm/s）频率锁定在结构一阶固有频率附近，可致使结构发生简谐形式的自激振动[3]，振动幅值较大且会持续比较长的时间，产生动力放大现象；而随机冰力条件下（冰速大于4cm/s），海冰与直立结构迎冰面发生快速连续的脆性挤压破碎[6]，由于此时冰力周期出现很大的随机性，结构响应变为随机激励下的受迫随机振动。

考虑到冰致自激振动可导致结构不能正常运行或者疲劳失效，稳态冰力对结构安全影响最大。历史上，美国阿拉斯加库克湾的钻井平台、加拿大的大型沉箱式采油平台，以及渤海JZ9和JZ20油田导管架平台等都曾遭受到不同程度的冰激振动危害[7]。此外，对于海冰条件也有较严格的要求，需要大面积的平整冰在特定的冰速下挤压结构。

1.2 锥体结构的冰力与响应

研究发现，海冰的弯曲强度约为压缩强度的1/3[8]。在孤立柱的冰作用位置安装破冰锥体，可使冰与直立结构作用由挤压破坏改变为弯曲破坏，从而大大降低冰对结构的作用力。

1.2.1 最大静冰力

由美国石油学会API-RP-2N规范，锥体冰力可根据基于塑性极限法的Ralston锥体冰力公式进行计算，其中，水平总冰力公式中，σf为冰弯曲强度，单位为MPa；ρi为海冰的密度；hR和DT分别为爬升厚度和锥体顶端直径，单位均为m；A1、A2、A3和A4由锥体角度和冰－锥摩擦因数决定，计算公式可见文献[9]。

唐山乐亭菩提岛海上风电场300MW示范工程项目有关试验结果显示，Ralston模型得到的冰力结果与实际值具有很好的吻合度。需要指出的是，当锥角大于65°时，锥体冰力的敏感系数几乎呈指数增长，这时锥体冰力更多表现为弯曲应力和挤压应力的混合力，塑性极限法的Ralston公式已经不能准确地计算冰力。

1.2.2 交变冰力

目前，对于加锥风电结构的动冰荷载研究成果主要基于导管架油气平台，适用于风电结构的计算模型[1]目前尚不明确，仍有待进一步研究。

理论上，安装破冰锥体后海冰的破碎及产生的冰力的周期会呈现出更加高度的随机性，冰致直立结构的自激稳态振动可以完全消除[10]。实际中，由于海冰的弯曲破坏有特殊的破坏长度，同样会形成规律性的荷载，在一定的冰速与冰厚时，海冰的破坏周期也会与海洋工程结构的固有周期一致，形成共振现象，不过这种共振形式属于强迫振动。

目前，在冰情较严重的渤海辽东湾，海上石油平台已广泛安装破冰锥体，并取得了比较好的防冰抗冰效果，基本满足了渤海油气开发的安全与经济性要求。

2 冰区风机单桩基础设计难点和特殊性

海上风电场中，升压站平台与油气平台相似，主要采用四桩腿平台结构。而风机基础主要采用大直径单桩形式。单桩基础依靠插入海底的钢管桩支撑风机塔筒，或者通过过渡段将两者连接起来，具有结构形式简单、便于安装、施工速度快、占海面积小、对海洋环境影响较少等优点，是目前应用最为广泛的基础形式。

相比油气平台，冰区风机大直径单桩基础设计难点和特殊性主要表现在如下几个方面。

2.1 上部结构更高更柔

海上风机为捕获尽可能多的风能，叶片长、塔筒高，目前主流的4-6MW风力发电机，水面以上结构高度通常在80m以上（导管架平台一般在20m左右），重心高对下部基础产生巨大的弯矩作用。与此同时，结构也更偏柔性，如表1所示，海上风机一阶固有频率约0.2～0.3Hz，相比之下，石油平台的固有频率更高，通常在1～2Hz上下[8]。针对风机-塔筒-单桩基础这样的柔性结构系统，目前研究主要集中于静冰力，动冰力响应分析相对较少，对于其发生冰致自激振动的条件还没有足够理论及观测数据支持。

表1 典型渤海冰区海洋工程结构物特征参数

2.2 桩基更宽且深度浅

石油平台的桩基直径通常小于2m，属于窄结构形式。而风机单桩基础的宽度通常在6m以上，安装锥体后进一步加大结构宽度，直径可达到9～10m。考虑到冰荷载取决于冰的破碎形式，而冰的破碎形式与结构的宽度密切相关，研究大直径单桩基础安装破冰锥体的效果不能完全参照导管架油气平台、灯塔等类型的结构。

另一方面，由于风机上部组块重量轻，基础深度更浅。浅基础不仅对冲刷比较敏感，抗倾覆能力也要比石油平台更弱。此外，冰挤压破坏动荷载会引起桩基的振动及变形，带动桩周土体变形，土体在往复变形过程中容易引起砂土液化，避免土体液化问题也是冰区风机单桩基础设计要考虑的难题。

2.3 失效模式不确定性

除冰荷载外，海上风机基础所承受的波浪、海流以及风荷载也更显著。目前，对于海冰及其它环境荷载联合作用下风机结构的失效模式与准则，研究还不够充分。对于石油平台，考虑到上部有天然气管路，降低振动强度是首要的设计考量。而对于风机，失效的模式以振动强度为主还是疲劳寿命为主还要进一步论证。

3 工程案例

虽然破冰锥体具有良好的抗冰效果，但由于结构复杂，实际建造施工存在诸多不便。例如：厂内加工制造难度大，耗费时间长，部分位置焊接质量难以保证；基础重量上升明显，现场安装费时费力；需要进行水下焊接、灌浆等工作，施工成本高、风险大。因此，在冰情比较轻的海域，如绥中36-1油气田，部分石油平台没有安装破冰锥体，后期监测发现结构冰振现象较轻，也没有发生显著的冰致自激振动现象。

基于上述考量，唐山乐亭菩提岛海上风电场300MW示范工程项目中，除加装抗冰锥方案外，还同时考虑了另一种技术路线，即取消抗冰锥，从而达到降低建设成本和施工风险的目的。

比较了两种技术方案的区别，显而易见的是，取消抗冰锥可显著缩短建设周期，降低项目成本和施工风险，更符合建设方、设计方、施工方共同的追求。但取消抗冰锥结构后，无疑会增大基础结构的水平荷载和疲劳荷载，因此需要对结构进行更为细致深入的研究设计，确保风机在冰荷载动力作用下不会因强烈的振动而影响正常使用。同时，如何保证靠船结构、海缆保护管等直接暴露在冰荷载作用下的附属结构既不受损坏，又能较为简单地完成安装也是另一个需要解决的问题。

4 结束语

基于唐山乐亭菩提岛海上风电场300MW示范工程项目的建设经历，本文对海上风机抗冰振相关问题进行了讨论。参考渤海油气平台抗冰经验，风机基础安装破冰锥体可防止冰致自激振动，但无法保证完全杜绝冰振，产生的冰致强迫共振仍有可能影响结构的疲劳寿命。考虑到加装破冰锥体会极大增加建设项目的周期和成本，在何种条件下需要使用破冰锥体以及破冰锥优化设计等问题仍有待深入研究。为更加高效地利用渤海冰区海上风电资源，有必要对冰区风机的冰荷载、冰振响应、风机的振动失效分析进行深入研究，建议利用建成的海上风电平台开展大规模的冬季监测，为有关研究提供数据支撑。