海上风机基础防撞型式及浮式防撞设施技术难点分析

　　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

　　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。

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文章名称： 海上风机基础防撞型式及浮式防撞设施技术难点分析

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