海上风电高桩承台风机基础安全监测技术

2022-06-01彭潜，张晗，徐兵

水电与新能源 2022年5期

彭潜，张晗，徐兵

(1. 上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434； 2. 福建龙源海上风力发电有限公司，福建福州 350000)

根据全球海上风电现状最新统计数据，风能发电仅次于水力发电占到全球可再生资源发电量的16%。在全球高度关注发展低碳经济的语境下，已成为全球可再生能源的重要方式之一。我国海上风电异军突起，装机规模连续5年快速增长，已跃居全球第三。且我国幅员辽阔，海岸线长达1.8万km，可利用海域面积300多万km2，特别是东南沿海及附近岛屿海上风能资源丰富，极具发展海上风电的天然优势[1-2]。

根据2020-12-12日召开的气候雄心峰会上习近平总书记亲自宣布的“到2030年，中国的风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿kW以上。”这一重大新举措。全国新能源消纳监测预警中心发布的数据显示，截至2020年9月底，中国风电、光伏并网装机均达到2.2亿kW，合计为4.4亿kW。目前距离最低要求仍有逾近7.5亿kW的装机差额，如果以此数据按10年平均计算，则意味着风、光每年的新增装机将不低于7 500万kW。

随着海上风电清洁新能源技术的不断推进，风机数量与日俱增，在风电场的建设和运行过程中，针对风机基础及上部结构进行安全监测，以便掌握其安全状况，可建立健全海上风机状态监测与健康诊断系统[3-7]。本文以福建莆田南日岛海上风电场工程为例，根据现场实测数据对风机基础安全监测进行分析，为海上建筑物高桩承台风机基础及塔筒的安全评估、运维方案提供重要参考依据，并反馈于设计和科研。

1 工程概况

4台样机工程布置在福建莆田南日岛海上风电场一期项目A区中东部区域，工程所处区域主要为海积海底阶地地貌，海底高程-5～-17 m，地形总体呈西南高东北低态势，地形坡度一般小于1°。场地内按行距7D(风轮直径)，列距4D的原则，共布置单机容量4 MW的风力发电机组4台，总装机容量16 MW，机位平面布置如图1所示。

图1 风机机位平面图

基础型式为高桩承台基础，采用斜桩形式，通过桩基承受水平荷载和竖向荷载，并通过桩基顶部的承台实现塔筒与基础的连接，基础形式如图2所示。

图2 风机基础型式示意图

本项目是莆田平海湾海域的第一个海上风电项目，是今后大规模开发该地区风能资源的实践基地。为精确掌控各风机基础结构的服役状态，进一步积累经验，拟对风机基础及塔架结构进行安全监测。

2 基础安全监测项目设置

根据设计相关要求，本工程设置的安全监测主要项目有：①承台应力应变监测；②钢管桩应力应变监测；③风机倾斜监测；④风机振动监测；⑤钢管桩腐蚀电位监测。本文仅针对SY04号风机进行阐述说明。

2.1 承台应力应变监测

承台内力采用钢筋计、混凝土应变计及无应力计，对承台内的钢筋和混凝土进行应力应变监测。承台内力监测布置分为3个水平截面，钢筋计12支、混凝土应变计12支、无应力计2支。承台应力应变监测布置如图3、图4所示。

图3 承台应力应变监测立面示意图

图4 承台应力应变监测平面示意图

详细布置如下。

1)承台结构混凝土底面下层钢筋及混凝土内，高程约5.14 m：①钢筋计距离承台中心点5.00 m处，第1支钢筋计的方向为主风向NE22.5°，另外3支钢筋计按照顺时针方向依次呈间隔90°布置，型号为Φ36 mm，呈水平向布置，测点编号为CR2-1～CR2-4。②混凝土应变计距离承台中心点2.80 m处，第1支应变计的方向为主风向NE22.5°，另外3支应变计按照顺时针方向依次呈间隔90°布置，呈竖直向布置，测点编号为IV2-1～IV2-4。

2)承台结构混凝土上层钢筋及混凝土内，高程约8.80 m：①钢筋计距离承台中心点5.00 m处，第1支钢筋计的方向为NE22.5°，另外3支钢筋计按照顺时针方向依次呈间隔90°布置，型号为Φ28 mm，呈水平向布置，测点编号为CR3-1～CR3-4。②混凝土应变计距离承台中心点2.80 m处，第1组应变计的方向为主风向NE22.5°，另外3组应变计按照顺时针方向依次呈间隔90°布置，每组布置1支水平向应变计和1支竖直向应变计。测点编号为IH3-1～IH3-4、IV3-1～IV3-4。

3)填芯混凝土端部纵向钢筋及混凝土内，高程约7.00 m：①钢筋计距离承台中心点4.10 m处，位于填芯混凝土端部纵向钢筋上，第1支钢筋计的方向为NE45°处，另外3支钢筋计按照顺时针方向依次呈间隔90°布置，型号为Φ28 mm，沿钢管桩内纵向钢筋计布置，测点编号CR4-1～CR4-4；②无应力计布置在离开机位中心点3.90 m处，第1支无应力计的方向为主风向NE22.5°，另外1支无应力计方向为NW67.5°，无应力计均为差阻式仪器，测点编号WYL1～WYL2。

2.2 钢管桩应力应变监测

钢管桩的应力应变在钢管桩表面安装30支振弦式钢板计进行监测，并在2号钢管桩承台内5.40 m高程位置安装4支差阻式应变计进行钢管桩及混凝土的应力应变监测。钢管桩应力应变监测布置如图5、图6所示。

图5 钢管桩内力监测立面示意图

图6 钢管桩内力监测平面示意图

详细布置如下。

1)承台以下钢管桩。在2、6号及8号钢管桩进行应力应变监测，各设5个监测横截面，每个横截面上对称布置2个钢板计，安装高程由下至上依次为-23.10、-18.10、-15.10、-5.80、2.90 m，同一横截面上2支传感器的连线为顺主风向，测点编号为G2-1～G2-10、G6-1～G6-10、G8-1～G8-10。

2)2号钢管桩。承台上部5.40 m高程设1个监测横截面，钢管桩上对称布置2个应变计，测点编号为2号IG1～2号IG2，旁侧混凝土中布置2个混凝土应变计，测点编号为2号IH1～2号IH2，4支传感器的连线为顺主风向方向。

2.3 风机倾斜监测

在承台表面9.0 m高程安装1套倾角计，塔筒内安装5套倾角计，沿塔架从上到下均匀分布，高程分别为89、73、57、41、25 m，由上往下依次编号为Q1～Q6。通过测量风机基础及塔筒的倾角，推算整个风机结构的水平变位情况。风机倾斜监测布置如图7、图8所示。

图7 风机倾斜和振动监测立面示意图

图8 风机倾斜和振动监测平面示意图

2.4 风机振动监测

振动监测，在承台表面9.0 m高程安装1套拾振器，塔筒内安装3套拾振器，沿塔架从上到下均匀分布，高程分别为90、63、36 m，由上往下依次编号为S1～S4。风机振动监测布置如图7、图8所示。

2.5 钢管桩腐蚀电位监测

选取2、6号钢管桩桩身外壁进行腐蚀电位监测点的安装，根据牺牲阳极的安装位置选择5个高程焊接测试导线，安装高程依次为-11.30、-9.30、-7.30、-5.30 m及-3.00 m，钢管桩每个高程位置各对称布置2个腐蚀监测点，由下往上依次编号为F2-1～F2-10，F6-1～F6-10，2根钢管桩共安装20个腐蚀电位监测点。

3 监测成果分析

3.1 承台应力应变监测成果

筛选部分实测监测结果，自施工初期开始，承台结构混凝土底面5.14 m高程处、顶面8.80 m高程处水平向钢筋计、填芯混凝土端部7.00 m高程处纵向钢筋的应力历时过程线如图9～图11所示。

钢筋计实测数据表明：①承台封底混凝土内钢筋应力测试出为较小的拉应力，监测过程中出现的拉应力最大值约为33.9 MPa，后续测值基本在零值附近。②承台顶面CR3-1钢筋计测试出较小拉应力，曾出现的最大拉应力约为9.7 MPa；之后钢筋拉应力减小且向受压转变，其余测值平均值基本在-16.0MPa左右。③钢管桩填芯混凝土端部竖向钢筋计测值在零值附近变化，监测期间出现的最大拉应力约20.3 MPa；目前均表现为受压状态，最大压应力约为-15.7 MPa；竖直向的钢筋受力与过渡段以上荷重关系较大。

图9 承台底部钢筋应力历时过程线

图10 承台顶部钢筋应力历时过程线

图11 填芯混凝土端部钢筋应力历时过程线

根据承台结构混凝土底面5.14 m高程处、顶面8.80m高程处水平混凝土应变计的应变历时过程线如图12～图13所示。

图12 承台底部混凝土应变历时过程线

图13 承台顶部混凝土应变历时过程线

应变计实测数据表明：①承台底面应变计测试压应变较前期有所增大；监测后期，非构造荷载出现的应变数值不大，目前最大值约为-200 με；对于无应力计将自动化监测到的数据进行应变——温度拟合，可以得到混凝土的温度线膨胀系数为11.15×10-6/℃，在正常范围值4.76～12.10×10-6/℃内。②承台顶面竖向应变计测目前最大压应变约为400 με，水平向应变计目前压应变约为80 με，后期测值变化平缓，趋于稳定。

3.2 钢管桩应力应变监测成果

筛选部分实测监测结果，自施工初期开始，6号及8号钢管桩外壁应变历时过程线如图14～图15所示，2号钢管桩承台上部5.4 m高程桩身应变历时过程线如图16所示。

钢板应变计实测数据表明：①在风机塔筒、机舱及叶片吊装等过程中(时间点为2014-12-19日～2015-01-04日)，2根桩桩身压应变表现为增大，但负摩阻力仍然存在；②6号桩因大型施工船舶插腿过程中桩周产生的负摩阻力基本没有继续增大，测值变化平缓；2根桩桩身应变计测值变化平缓。③2号钢管桩5.4 m高程桩身应变监测成果可以看出，钢管桩外壁和旁侧的混凝土应变IG1和IH1测值基本一致，IG2和IH2相差不到50 με，变形基本协调，后期测值变形平缓。

图14 6号钢管桩桩身应变历时过程线

图15 8号钢管桩桩身应变历时过程线

图16 2号钢管桩5.4 m高程桩身应变历时过程线

3.3 风机倾斜监测成果

通过对8～11月期间的倾斜度监测数据，诊断风机塔筒在监测期间是否存在较大的永久倾斜。分析方法为对每个月最后1 d记录到的24 h的倾斜度数据的平均值减去月初最开始记录到的24 h的倾斜度数据的平均值，然后对塔筒壁各测点的差值求平均值作为塔筒壁这个月的永久倾斜度变化值。塔架永久倾斜度变化值统计情况如表1所示。

表1 风机塔筒永久倾斜度统计表 (°)

上述结果表明：风机塔筒在8～11月期间的永久倾斜值累计值都未超过0.1°，最大累计值为风机塔筒东北向出现了0.089°的永久倾斜，最小累计值为风机塔筒西南向出现了0.015°的永久倾斜；风机承台东北向出现0.055°的永久倾斜，西南向出现了0.018°的永久倾斜。上述永久倾斜累计值低于设计规范规定的0.5°阈值，初步判定风机基础结构处于偏安全状态。

统计8～11月期间各风机塔的最大倾斜度值幅值、有效值、报警次数等参量情况，分析日常工作状态下各风机塔筒和承台的摆动强度。统计结果如表2所示。

表2 风机塔筒倾斜度幅值特性统计表

上述结果表明：风机塔筒在8月份的摆动强度比较大，接近1.0°，远大于其余月份摆动强度；风机塔筒在8月份倾斜度超过0.5°阈值报警次数为67次，远远大于其余月份报警次数；初步分析是8月份台风在莆田登陆而导致风机塔强烈地摆动。

3.4 风机振动监测成果

对8～11月份期间每个月记录到的振动数据进行筛选，筛选出10 h的数据用于风机塔振动固有频率、阻尼比值的分析，然后对这10组数据分析结果求取平均值，作为本月风机塔架的1阶固有频率值、阻尼比值。数据采样频率为20 Hz，分析时，首先对数据进行了低通滤波(截止频率为1 Hz)，然后进行自功率谱(FFT)平均分析，平均窗为20 480×64，频率分辨率为0.000 9 Hz，基于谱细化法计算出固有频率点的阻尼比，分析结果如表3，风机塔筒在日常工作状态下的典型频谱图如图17、典型冲击振动时程图如图18所示。

表3 1阶固有频率与阻尼比统计表

图17 风机塔筒典型振动频谱图

图18 风机塔筒典型冲击振动时程图

根据监测数据及结果可知：①风机的1阶固有频率在8～11月之间变化非常小，如以8月份固有频率为参考，这几个月内的1阶固有频率测试结果差值小于1%，可以认为风机的1阶固有频率值为定值。②风机塔架1阶固有频率对应的阻尼比正常变化范围一般为0.03～0.17，超过这个范围结构材料特性可能发生变化。1阶固有频率对应的阻尼比在8～11月之间变化较小，如以8月阻尼比值为参考，则这几个月内的阻尼比测试结果差值小于10%，同时由于阻尼比的测试误差一般在10%左右，因此，可初步认为风机塔架阻尼比也为定值。③典型时间段振动时程图可知：风机塔筒在8～11月期间的最大冲击振动加速度幅值为8.9 m/s2，冲击振动强度是非常剧烈的，且频繁发生，应注意加强监测与分析。

3.5 钢管桩腐蚀电位监测成果

选取2号钢管桩桩身外壁的腐蚀电位监测成果进行分析，腐蚀测试数据统计如表4所示。

表4 钢管桩腐蚀电位监测结果统计表

依据以上测试结果与相关规范[8-9]，对于“含氧环境中的钢”，氯化银电极的“最正值”为-0.80 V，最负值为-1.10 V，依此评价钢管桩的受保护状态情况。可知：①2号钢管桩处于受保护状态之中，钢管桩不存在过保护和欠保护情形，均在合理区间[-1.10 V，-0.80 V]内；②测试时参比电极投入海水中的深度可导致电位测值出现较小的差异，属正常情况。