海上风机基础防撞型式及浮式防撞设施技术难点分析

程子硕 晁鹏飞 何杰 孔先辉 马洪岩

摘要：为归纳海上风机基础防撞设施的基本型式及浮式防撞型式的应用技术难点，以福建省兴化湾海上试验风场为例，概述了风机基础被动防撞、主动防御型式的优缺点和适用条件。针对浮式防撞设施的结构特点，结合研究海域的水文环境、气候条件等因素，重点探讨了浮式防撞设施在海上风机基础防撞应用中面临的关键技术难题，给出了防撞标准、耐撞性能、疲劳损坏及环境适应性等方面的研究方向及建议。

关键词：风机基础;海上风电;防撞型式;浮式防撞;船桩碰撞;疲劳损坏

中图法分类号：TK83文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.008

文章编号：1006 - 0081（2021）07 - 0040 - 05

海上风电因节约土地、风资源储备量大及靠近用电市场等天然优势，得到了快速发展。海上风电场场址范围与海上航线、傳统渔场等区域逐渐靠近甚至交叉存在，船舶与海上风机基础发生碰撞的概率也随之大大增加[1]。一旦发生船舶碰撞事故，风机基础将可能发生失稳、倾斜等问题，影响风力发电机的正常运行，造成较大的发电量损失和产生安全风险，且船舶也会因碰撞造成损伤，严重时甚至会发生燃料泄露和沉船事故，造成重大环境污染和人员伤亡事件[2]。

李艳贞[3]、Bela[4] 等分别运用非线性有限元模拟船舶侧向撞击海上风机导管架、单桩基础的碰撞过程，表明不利条件下撞击事故会造成风机基础损伤，但没有给出主动防御或被动防撞型式的具体措施以减少碰撞损害。杨思远[5]模拟分析了有无防撞设施的船撞基础过程，结果表明：有防撞设施的碰撞过程时间延长，最大撞击力降低，但文中主要研究了防撞设施材料的性能参数，并没有涉及防撞标准、环境适应性等关键指标的研究。

中国近海深水风电场建设处于起步阶段，技术尚未完全成熟，对海上风机基础浮式防撞设施研究不多，也较少有标准规范可供参考。本文在分析了国内海上风机基础防撞型式及特点的基础上，介绍了不同防撞型式的适用范围，重点探讨了风机基础浮式防撞设施关键指标、防撞体耐撞性、连接件性能及疲劳损坏机理等方面的技术难题，并给出了研究的基本思路和方向，可供海上风电相关研究人员参考。

1 防撞设施基本型式及适用性

1.1 主动防御

一般认为，主动防御是依靠安装在风机基础上的探测装置、摄像工具等，在撞击事故发生之前及时发现靠近的船舶，并通过监控中心发出警告等方式提醒靠近的船舶注意避让，进而构建全天候海上风场船舶航行的监控、预警系统。主动防御的主要特点是基于AIS数据、雷达数据等对海上风场区域通航的船舶行为预测分析，在考虑风、浪、流等外界环境干扰的影响下，预测某段时间范围内船舶的航行轨迹，并判断船舶通行危险区域，确定风机安全范围。福建兴化湾海上试验风场的主动防御系统包括雷达、AIS、VHF（甚高频电波）、CCTV（闭路电视监控系统）、扫海灯和服务器等，设备主要功能和作用见表1。该主动防御系统自投入使用以来，在实际应用中较好地预警了进入风场周边的风险船舶，避免了碰撞事故的发生。

主动防御的难点在于如何准确及时发现靠近的船舶，尤其是发现缺少或关闭船舶自动识别系统的渔船等船舶，并评估与风场基础发生碰撞的可能性。此外，在船舶失去控制的情况下，主动防御预警拦截方案将不再适用，此时失事船舶吨位可能更大，速度也相对更快，一旦发生碰撞事故造成的损失较大。因此，主动防御方案在应对不受控制的船舶、漂浮物等碰撞风机基础事故方面需要进一步研究。

1.2 被动防撞

被动防撞是在发生船舶撞击风机基础事故时，能够依靠自身的结构强度尽量减小基础损伤的结构型式。常见的风机基础附着式被动防撞设施主要采用橡胶护舷、靠船柱等固定式防护结构，即依靠风机基础附属结构提供靠泊抵抗力。这种设计方案简单易用，但限制也同样突出。一方面防撞能力过小，难以适应海上风机基础越来越高的防撞性能要求。另一方面，护舷等结构的主要作用是风机基础的登乘系统，仅具备某些方向——大多是涨潮或者落潮方向的防撞能力，无法防范来自风机基础四周各个方向的船舶撞击（图1），且由于涨落潮水位变化大，固定式的防撞型式导致保护基础范围有限。

另一种提高海上风机基础被动防撞性能的方法是增加基础自身刚度，优化基础型式，依靠基础自身强度抵抗船舶撞击力。这种方式会造成风机基础刚度富裕，桩基钢管壁厚变大，需要耗费大量钢材，增加基础造价，进而影响整个风场的经济可行性。且此种方法设计的防撞能力一般较低，因壁厚过大导致的边际效应、经济性等原因造成防撞性能上限提高幅度不大，只能抵挡能量较小的船舶碰撞，留下了安全隐患。

近期，一些研究人员借鉴跨海大桥桥墩防撞型式结构，提出了海上风机基础浮式防撞设施的概念[6-8]。浮式防撞设施属于被动防撞的一种特殊型式，主要由防撞体、连接件、附属结构等构成，最大优点是能够随水面上下浮动，防撞性能高，结构质量轻，从而达到节省材料，降低造价的目的。浮式防撞尤其适用于潮差变化大、浪涌变化幅度小的区域，可在较高性价比的基础上，使基础保护范围足够大。作为柔性防护的一种常用结构型式，浮式防撞不仅能够对风机基础起到较好的保护作用，同时也能够最大程度降低撞击船舶的损伤，避免撞击事故造成的损失进一步扩大。

1.3 不同防撞结构型式的优缺点及适用性

不同的海上风机基础防撞结构型式具有不同的优点和适用性（表2），主动防御可以做到提前预警，最大程度避免撞击事故发生，但其在防御失控船舶、大型漂浮物等方面作用不大，因此适用于船舶应答设备齐全、风场毗邻航线的近、远海风电场;以附着式和依靠自身刚度为代表的被动防撞型式因其方案简单易用、施工方便仍有一定的运用价值，考虑到其防撞能力不高，因此该方案往往应用于航行船舶吨位小、潮差变化小的近海浅水风电场;作为一种新型柔性防撞结构，浮式防撞具有防护范围大、防撞能力高、适应性强的特点，但目前应用技术不够成熟，面临的一些技术难题亟待解决。

2 浮式防撞设施应用技术难点

2.1 海上风机基础防撞标准

浮式防撞设施的根本作用在于发生船舶撞击风机基础事故时，避免基础发生不可修复的损坏，影响风力发电机组正常功能，以及可在一定程度上降低撞击事故对船舶产生的损伤。因此在进行浮式防撞设施设计时，风机基础的防撞标准必须明确。海上风机基础防撞标准是进行防撞设计的首要条件，只有根据防撞指标设计浮式防撞设施，才能达到技术可行、经济合理的效果。

目前，国内海上风电场的被动防撞设施主要参考DNVGL、ISO19902、API等海洋结构相关规范推荐的指导方法设计[9-11]，一般给定船舶失控速度为0.5 m/s，即使在极限工况下，船舶失控速度也仅按工程所在海域的潮流速度控制，约为2.0 m/s，远远达不到防护基础的作用。以福建兴化湾海上试验风场为例，工程海域防撞标准的确定（图2），首先，需要分析AIS數据获得通航船舶的速度、吨位、频次、船型、偏航角等参数的概率分布，确定可能发生撞击事故的船舶速度、吨位和撞击发生位置等参数;其次，统计工程海域的水文资料、水流速度、波浪参数、防撞水位、航道概况等参数，基于数值模拟和模型试验，确定不同基础型式的经济可行的防撞标准。

2.2 防撞体耐撞性能及结构型式

浮式防撞设施通过延长碰撞时间，缓冲消减船舶撞击力峰值[12]，使最终传递到基础的撞击力小于基础设计荷载，进而保护风机基础安全。海上风机基础多种型式并存，不同的基础型式对防撞性能及结构型式的要求不同，如导管架基础、单桩基础和浮式风机基础等就需要分别考虑不同的防撞型式及性能要求。防撞系统如何与不同基础实现良好的兼容性，即在不影响风机基础主体功能的前提下，又具备良好的防撞功能，需要特别关注。对防撞系统整体防撞性能的研究需要综合考虑风机基础型式、风浪条件、水位变化以及通航船舶吨级、碰撞速度等因素[13]，根据海上风机基础-船舶碰撞特点，确定经济安全的结构型式。

防撞体通常由起支撑作用的钢骨架，高弹性、低密度、吸能好的填充物，耐高盐、耐防腐的表层复合材料组成[6，8]。耐撞性能的研究需要给出量化指标，如防撞结构在一定的受力变形下，能够吸收多大的撞击能量，产生多大范围的反力等关键参数。由于船-防撞结构-风机基础相互作用下的船撞动态响应属于高度非线性行为，选用材料也是非标构件，现有规范和简化公式无法解决该问题，需通过模型试验验证数值仿真结果，以获得理想的材料参数、单元尺寸及失效模型[5]，为风机基础船撞损伤研究提供数据支撑。

2.3 连接件性能及疲劳损坏机理

近海深水区域海洋水文条件恶劣，环境荷载复杂，对浮式防撞设施的连接件性能要求较高，以保证防撞系统的可靠性及安全性。浮式防撞设施体积庞大，往复波浪载荷是其主要受力，连接处在波浪弯矩的长期作用下会产生疲劳损伤。这些损伤随着时间推移逐渐加重，最终导致防撞系统的损毁及失效。风机基础设计使用年限在25 a左右，如果无法解决连接处的疲劳损坏问题，浮式防撞设施的规模应用将处处受限。

考虑到实物模型试验花费较大，费时费力，可通过数值分析方法，模拟浮式防撞结构在波浪和静水力作用下的受力情况，得到整体结构和连接节点的弯矩、剪力等数据，进而研究有效措施保证正常使用工况下防撞结构的安全。模拟过程中，波浪谱的输入选择非常重要，越贴近实际工况，分析结果将越准确。

2.4 环境适应性和运维便利性

海上施工条件较为艰苦，施工效率低，存在安全风险，加之施工窗口期较少，作业时间大幅降低[14]。这就要求浮式防撞设施应当结构安全可靠、运输简便、安装容易、拆卸方便，并便于养护维修。海上浮式防撞设施客观上所面临的恶劣自然环境包括盐雾腐蚀、紫外线照射、海浪冲击、台风破坏等。因此防撞设施结构本身要具备较强的海上环境适应性、较高的耐腐蚀性、抗疲劳损坏以及结构强度，应当较长时间内不用拆换或者养护，除连接部位的抗疲劳损坏外，防腐性能及相关优化也值得开展专题研究。

3 结 语

随着国内海上风电进入大规模开发期，风场场址不可避免地会与传统渔业区、航线等相互毗邻，船舶撞击风机基础的风险客观存在。目前，国内对于海上风机基础防撞方面的研究还不够充分，包括业主、设计单位在内的参建各方还没有意识到防撞设计的重要性，以至于防撞设计理念大大落后于风机基础设计理念，在防撞设施与风机基础一体化设计方面进展缓慢，无法达到最优的防撞结构型式。海上风机基础受到船舶撞击会影响风机发电效益，严重时甚至造成风机瘫痪。浮式防撞设施可有效提高风机基础的防撞能力，在海上风电场应用中的技术难题值得深入研究。本文在归纳总结海上风机基础防撞基本型式及特点的基础上，针对浮式防撞设施在海上风机基础防撞应用方面面临的关键技术难题展开探讨，提出了进一步研究的方向，并给出了研究的基本思路。

参考文献：

[1] 杨逸飞. 海上风电项目建设对船舶通航安全影响研究[J]. 中国水运（下半月），2020，20（4）：9-10.

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[3] 李艳贞， 胡志强， 邹早建.  船舶撞击速度对海上风电站结构抗撞性能的影响[J].  江苏科技大学学报（自然科学版）， 2010（3）：213-216.

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[5] 杨思远.  新型海上风电基础防撞装置耗能性能及机理分析[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2018.

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[11] INTERNATIONAL  ORGANIZATION  FOR  STANDARDIZATION. Petroleum and Natural Gas Industries-Fixed Steel Offshore Structures： ISO 19902[S].  Switzerland： ISO，2007.

[12] 韓志伟， 李春， 周红杰，等.  海上风力机多层材料防护装置在船舶碰撞下动力响应分析[J].  热能动力工程， 2019，34（9）：148.

[13] 郝二通.  海上风电机组结构抗船撞及抗震性能研究[D]. 大连：大连理工大学，2016.

[14] 程子硕. 海上风机基础嵌岩群桩施工技术研究[J]. 人民珠江，2020，41（11）：76-80.

（编辑：江 文）

Analysis of anti-collision type and floating anti-collision facilities for offshore wind turbine foundation

CHENG Zishuo，CHAO Pengfei，HE Jie，KONG Xianhui，MA Hongyan

（Fujian Yongzheng Construction Quality Inspection Co.， Ltd.， Fuzhou  350012， China）

Abstract：In order to summarize basic types of anti-collision facilities of offshore wind turbine foundation and the application technical difficulties of floating anti-collision type， taking Xinghua Bay offshore test wind farm in Fujian Province as an example， the advantages， disadvantages and applicable conditions of wind turbine foundation with passive anti-collision type and active defense type were analyzed.  According to the structural characteristics of floating anti-collision facilities， combining with the hydrological environment and climatic conditions of the research sea area，we discussed the key technical issues of floating anti-collision facilities of offshore wind turbine foundation in application， and gave the research direction and suggestions of anti-collision standards， anti-collision performance， fatigue damage and environmental adaptability.

Key words：wind turbine foundation;offshore wind power;anti-collision type;floating anti-collision;ship-pile collision;fatigue damage