海上浮式风电锚固技术现状

在我国“碳达峰、碳中和”目标背景下，风电等绿色可再生能源开发与利用显得尤为重要。

海上风电装机，叶轮直径最大达172米，是空客A380翼展长度的2倍多。如此庞大的结构物，它是如何矗立在海上的？是漂浮在海上，还是锚固在海底？

在水深小于60米的近海区域，主要采用底部固定式基础支撑；固定式支撑有重力沉箱基础、桩基础、三脚架基础等方式。

重力沉箱基础，依靠沉箱自身质量使风机矗立在海面上，主要适用于水深小于10米区域。

桩基础，由一根或多根大直径钢管桩构成，钢管桩直径在3~5米左右、桩基埋深18~25米；主要适用于水深小于25米区域。

三脚架基础，是吸取海上油气工业中的一些经验，采用质量轻、价格低的三脚钢套管，并埋置于海床以下10～20米区域。

近年来，随着飘浮式海上风机研发并网成功，飘浮式海上风机的商业化进程进一步加速，将有力推动深远海风电的发展。

漂浮式结构成为在深远海域海上风电场基础结构型式的首选，按照基础的类型漂浮式风电可分为半潜式（Semi-Sub）、立柱式（Spar）、张力腿式（TLP）三种类型，三种形式在国外均有示范项目建成或在建。

从风机的制造技术、示范项目水深等方面综合考虑，张力腿式（TLP）是目前最适合我国漂浮式风电发展的一种漂浮式风电形式。TLP是一种垂直系泊的顺应式平台，由若干条张力腿与海底锚固基础相连接。

它通过自身的结构形式，产生远大于结构自重的浮力，浮力除了抵消自重之外，剩余部分与张力腿产生的预张力相平衡。当它在环境载荷作用下偏离中心位置时，则依靠张力腿产生的侧向力使其固定在原本位置上，而侧向力取决于张力腿的拉力。

TLP最重要的特点是平台的竖向运动很小，水平方向的运动是顺应式的，结构惯性力主要是水平方向的回弹力。TLP具有结构刚度高、耐波性好，是理想的漂浮式风机基础。

一、桩基

桩基适应多种条件地质，深海平台桩基设计方法与浅海相应结构的设计方法基本相同。

通常情况下，打入桩的造价会随着水深的增加会大幅提高，这是桩基在在深远海漂浮式风电应用中所存在的主要问题之一。

此外，不同于深海石油平台，海上风电机组结构柔度大，自振周期长，桩基的刚度计算必须考虑循环荷载作用下刚度折减效应。同时海上风电机组常采用大直径桩基，大尺寸桩基的侧向刚度问题也必须考虑进来。

技术成熟度来看，目前桩基设计技术已经比较成熟，国内外都有关于桩基设计的相应规范，在深水油气平台中应用也较广泛。

桩基作为最常见的水工基础型式，在国内拥有丰富的施工经验，一般以钢管桩为主，钢管桩的突出优点是制作方便、重量轻、施工速度快、以及在循环荷载下具有较强的抗疲劳特性，并且对于钢结构的防腐蚀技术也已经较为成熟。

但是海上打桩施工通常需设置临时施工平台和打设钢套筒，施工时间较长，施工受限因素较多。

导管架插桩水下沉桩工程

二、吸力锚

根据调研的国外TLP吸力锚基础应用情况，吸力锚基础在淤泥质软黏土中具有良好的工作性能。目前，吸力锚已经被成功地应用于多种海工结构，如海上石油平台、海底保护结构、军舰海上系泊和补给等。

吸力锚特别适合于软黏土海底地基，在经济技术性能上具有几个显著特点：材料和制造成本低、海上安装工期短、不需要打桩设备、抗拔性能卓越、就位准确等。

国内没有吸力锚基础的设计的规范可以遵循，挪威船级社（DNV）规范的规定较为粗略，相当一部分关键参数的选择上缺乏参照，因此吸力锚基础国内的技术成熟度不足，还应开展更加深入的研究。

在吸力锚应用中，主要有两个关键问题需要解决：

一是吸力锚的可沉入性研究，主要解决基础能否沉入预定的设计深度；

二是吸力锚的承载性能，对于TLP锚泊系统，由于荷载角度与水平向夹角较大，吸力锚的承载力计算一般以竖向抗拔承载力作为控制标准。

三、重力式基础

重力式基础通常为浅基础，主要应用于混凝土平台。其最大特点是材料成本相对较低，尺寸和规模较大，能够依靠自身重量抵抗工作期间所遇到的环境荷载，适用于较硬的粘土或较密实的砂土，并且一般常应用于水深在100～200 m范围内的海域。

在现阶段的深海石油平台中，重力式基础在不设桩基的条件下，可依靠自身重量承担上部平台的抗拔力，并维持体系稳定，体现了其较好的稳定性和高效性。

在深厚软土层中，采用重力式基础很难解决滑移和倾斜问题。但在相关前期调查中发现规划中风电场邻近海域的某一地质钻孔表层土为粉细砂，在这种地质条件下，重力式基础具有较好的经济性和适用性。

四、筋键相关研究

TLP漂浮式平台结构中筋腱就成了重中之重，难中之难。

国内目前没有任何这方面的研究，关键技术全都掌握在国外少数几家公司手里。若要使用，掌握其关键技术，并形成自主知识产权，摆脱国外的技术封锁和专利壁垒，只有深入开展研究，寻求解决方案。基于筋腱的重点性，我院成立专题研究小组，针对筋腱和筋腱材料选型开展重点研究。

来源：海上风电设备