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海上风电桩基塔筒安全检测方法研究

2024-09-09 16 上传者：管理员

摘要：海上恶劣的自然环境降低了桩基与塔筒的耐受性与安全性，这会影响其正常运行。针对海上风电场的基本情况，首先，文中设计开发了一套适用于桩基与塔筒的安全检测方法，实现了对风电场受损结构的安全检测。然后，研究得到材料性能、几何特性、力学性能是影响结构安全的重要因素。最后，提出振动分析方法来测量频率、模态振型和模态阻尼等模态参数，监测桩基塔筒的安全情况。研究结果能够为评估风电场桩基塔筒的安全状态提供一定借鉴。

关键词：
塔筒
振动分析
桩基
检测
电场建设
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随着经济发展和全球投产，我国不断加大对海上风机电场建设的投入，海上风机电场建设也进入飞速发展阶段，这些工程在振兴国民经济和保障城市安全中起到了重大作用[1]。海上风机数量不断增加，海上风电系统设备自身运行特点和环境所造成的故障风险与维护成本控制问题也日益突出[2]。海上风机电场越来越多，设备结构复杂，海上风机电场暴露在恶劣的自然环境中，系统失效模式数量庞大，在不利的海洋环境下使风机的故障率升高[3]。然而，近些年来，由于设备监测工作的疏忽及损伤预测方法的不精准，海上风电系统损伤破坏事故在不断发生，不但造成大量的财产损失，同时还引发了海洋环境的破坏[4]。在几十年的发展中，早期建设的海上风机电场早已进入维修阶段，而且随着时间的推移，进入维护期的海上风机电场也日益增多[5]。塔筒检测过程中，需要快速、准确地对区域的范围及状况进行详细检测，力求在很短时间内得到检测结果[6]。塔筒检测研究的目的在于了解塔筒的现场状况和破坏方式，并对其长期情况进行预测，进而确定塔筒破坏的防治方法[7]。一直以来，我国都缺乏对海上风机电场塔筒监管检测方面的经验，从事海上风机电场检测的专业机构和技术人员也相对较少，检测水平以及技术手段也比较落后[8]。现有的海上风机电场塔筒巡检工作方法较为落后，已远不能满足越来越复杂且越来越多的海上风机电场塔筒病害检测要求。

海上电场桩筒及风机是海上风力发电系统的核心部件，其结构损伤预测及检测的好坏直接影响各部件安全运行[9]。加强对电场桩筒塔筒预测的研究能为损伤状态监控和施工提供依据，能为提高海上风机的可靠性技术提供理论指导，而开展桩筒和塔筒智能监控技术研究也能进步一促进损伤预测和监测的研究和验证，这些内容的研究将相互促进和提升，将为海上电场的可靠运行提供保证，也将更好地指导未来海上风电场的建设，让清洁能源更广泛的走近千家万户，从而具有重要的经济和社会效益[10]。

因此，文中提出一种振动分析技术来对桩基塔筒进行安全检测，研究了精准预测结构和设备的健康状态的方法，并根据系统的实际情况进行针对性的维修，使各个设备维修活动相互协调，提高海上风电的可靠性和经济性。需要对风电场塔筒在此自然环境中的情况进行检测研究，分析关键影响因素，找出不同区段结构位置的程度，为海上风机的安全稳定运行提供保障。

一、结构安全检测的内容

桩基是由桩和连接桩顶的桩承台组成的深基础或由柱与桩基连接的单桩基础。单桩基础直径类型共分为四种：（1)5.5m等直径；（2)6m等直径；（3)5.5～6.1m不等直径上小下大；（4)6～6.8m不等直径。

塔筒是圆锥形筒体的结构，通常由钢材卷制而成，是保证叶轮、发电机等部件正常运行的主要承重构件。塔筒的类型有如下几种类型。

表1 塔筒类型

结构安全检测检测是使用先进的技术设备或方法，对桩基和塔筒等结构部件进行测定，并对测量得到这些内容进行理论分析和研究。参数测量的内容包括：

(1）材料性能。

桩基和塔筒等结构材料性能的测量。

(2）几何特性。

桩基和塔筒的几何特性。

(3）力学性能。

桩基和塔筒的力学性能。

结构安全检查具体内容如下：

首先，是结构检查。主要包括结构性能现场检测、工程质量检测、数据处理及结果分析；然后，是结构识别。主要包括对结构的抗震、可靠性、安全性等进行评价；最后，是加固修复，根据鉴定结论，对不符合要求、需要加强的结构，按规定程序进行加强。

(1）强度检测。

钢结构强度检测一般采用布氏硬度法。此法常用于布氏硬度小于450的构件。

表2 强度检测

(2）钢结构几何检测。

多次测量构件的尺寸并取平均值，与原图尺寸进行比较，检测结构的平面变形程度，检测钢材的厚度

(3）涂层厚度检测。

钢结构材料的强度在高温下会发生改变，耐火性差是钢结构中的一个致命缺陷，关系着结构的安全。

二、基于振动分析的桩基塔筒安全检测方法

通过振动分析技术对海上风电中桩基塔筒进行损伤检测。其基本思想是模态参数是结构物理特性的函数。模态参数包括频率、模态振型和模态阻尼；物理特性包括质量、阻尼和刚度。因此，物理特性的变化将导致模态特性的可检测变化。有限元公式中结构动力系统的控制方程：

矩阵M、C、K分别代表离散的质量、阻尼和刚度，x'、x'、x分别表示有限元模型自由度的加速度矢量、速度矢量和位移矢量，f(t）表示外力函数向量。

w是特征值，α是对应的特征向量。将下式代入上式，得到物性参数M与K之间的关系。

w,α是系统M、K的函数。由结构特定部分的质量和刚度损失引起的变化将反映在固有频率和振动模式的测量中。当系统固有频率和振型的测量值与固有频率和振型的原始系统存在差异时，说明系统已损坏。根据此方法即可判断海上风电系统的损伤情况。

塔筒模型在荷载作用下，振动响应信号采集与处理原理示意图如图所示。操作流程如下：

(1）电压加速度传感器的信号经电荷放大器放大后连接至数据采集仪。

(2）荷载传感器的信号通过多功能滤波放大器连接到数据采集仪。

(3）将数据采集仪的信号通过反接的双绞线连接到计算机上。

(4）加速度传感器和数据采集相关的设置由计算机中的软件完成。

三、振动分析技术在安全检测中的应用

单桩基础-塔架运输方便，施工工艺简单，是海上风电场项目中应用最广泛的基础形式。由于塔筒是风力机正常运行时承受各种载荷的重要部件和基本结构，因此以风机塔筒为研究对象，对简化的风力机模型进行实验研究。不同的损坏条件。

图1 荷载作用下，振动响应信号采集与处理原理示意图

其中，A、B、C、D、E分别对应荷载、传感器、加载点位、滤波放大器、数据获取系统。

在基础桩处于垂直自然状态下，通过吊机臂架旋转至稳桩平台龙口，稳桩平台上下两层千斤顶抱住钢管桩，缓慢下降主钩头，让基础单桩自沉，在基础桩底面接触海床面时，钢丝绳应力会有一个突变，此时应密切注意钢丝绳应力变化，防止钢丝绳脱钩，当基础桩插入海床一定深度后，停止下降。在自沉过程采用切边的工艺进行垂直度的测量监控。在稳桩平台上成90度方向架设2台经纬仪，通过经纬仪上下扫钢管桩边缘，使得钢管桩边缘与经纬仪刻度丝重合，通过稳桩平台上下两层千斤顶根据测量数据实时调整垂直度。

当基础桩停止下沉时，检查桩基垂直度是否满足要求，如果不满足则使用稳桩平台液压千斤顶进行纠偏，同时测量施工人员通过全站仪测量基础桩垂直度，直到垂直度满足要求。钢管桩自有站立不再下沉，主钩松钩，通过揽风绳将钢丝绳圈脱离基础单桩上端圆管吊耳。测量人员再次进行观测钢结构尺寸、强度以及倾斜的垂直度数值，如桩身发生倾斜依次在进行调整基础桩桩身垂直度。钢管桩入稳桩平台见下图所示。

图2 钢管桩入稳桩平台及液压振动锤锚桩沉桩图

稳桩平台组合置于中天9甲板；根据机位的地勘资料、水文资料等提前计算所需套筒的高度，提前计算稳桩平台需增加套筒节数；吊索具安装完成后，拆除稳桩平台的绑拖工装；在稳桩平台中间架设走梯，在走梯中间放置定位仪器。利用1,300t1#主钩起吊稳桩平台，两端系好防转绳，开始水平起吊，旋转臂架至机位附近；手簿通过蓝牙读取GPS数据，直至船艉距稳桩平台中心14m（桩位偏差达到允许范围500mm内），开始下降主钩，将稳桩平台置于海床上。待稳桩平台放至滩面平稳后用YZ-400B液压振动锤将锚桩沉桩要求标高；使用主钩向上抬升稳桩平台，使稳桩平台D层布置的液压千斤顶高出设计高水位1-2m即可，并用花篮螺栓将稳桩平台挂在锚桩上。稳桩平台定位桩直径φ1,800，桩长65m，单根桩重约70t。YZ-400B液压振动锤重约36T，振动锤与定位桩联合体总重约106t。中天9上1,300t主钩施打稳桩平台定位桩吊重、吊高完全满足要求。稳桩平台四角定位桩的作用有：(1)承受稳桩平台自重；(2)风浪荷载；(3)单桩施工时用于调节垂直度的液压千斤顶水平荷载；(4)单桩沉桩时当桩身出现倾斜趋势时的水平反力。

图3 稳桩平台抬升图

图4 稳桩平台与锚桩钢丝绳、花篮螺栓检测示意图

四、结论

文中在分析了国内外研究情况的基础上，对常用的检测技术进行了阐述，以江苏如东海域海上风电场为例进行了研究，然后对风电场塔筒在此自然环境中的情况进行检测研究，分析关键影响因素，找出不同区段结构位置的程度对我国海上风电场塔筒的分布状况，对平台相关结构在复杂海水环境中的受损情况进行分析，得到如下结论：

(1）结构安全参数的测量有利于分析结构安全。

参数测量的内容包括材料性能、几何特性、力学性能。

(2）基于振动分析技术的桩基塔筒安全检测。

通过振动分析技术对海上风电中桩基塔筒进行损伤检测，对其安全状态进行评估。

参考文献:

[1]姜宜成.风电塔筒检测中声发射技术的应用研究[D].兰州:兰州理工大学,2016.

[2]韩强.风电塔筒爬升装置及叶片与塔筒检测管理系统的开发[D].保定:华北电力大学,2017.

[3]杨占力,万媛,王洋等.风电塔筒检测爬壁机器人设计与安全性分析[J].科学技术与工程,2020,20(15):6113-6121.