渤海冰區風電場建設的思考

田利勇，趙玉琢，王懷明，周升明，憲 凱，張 野，劉亞杰

（華電重工股份有限公司，北京100070）

唐山樂亭菩提島海上風電場300MW示范工程項目是我國渤海灣海域開工建設的首個海上風電項目，布置75臺4兆瓦風電機組。依據海冰劃分圖，處在第六冰區與第八冰區交界位置，該區域每年冬季冰情相對其它區域較重。項目開發過程中，針對風場的抗冰防冰對策，國內外專家、設計院以及中國船級社等單位進行了廣泛討論與論證。作者基于此項目的建設經歷，討論了風機結構的抗冰與防冰對策以及目前面臨的挑戰，以期對渤海冰區后續海上風電場建設起到參考作用。

1 海冰與結構物的相互作用

1.1 直立結構的冰荷載與響應

海冰與結構相互作用時，會出現多種破壞形式，主要有劈裂、彎曲、屈曲和擠壓等，其中擠壓破壞對結構的影響最大[1]。因此，對于迎冰面為直立形式的海洋工程結構物，抗冰性能分析主要考慮海冰的擠壓破碎過程[2]，并重點關注可能導致平臺傾覆的最大靜冰力和引起平臺振動的交變冰力。

1.1.1 最大靜冰力

最大靜冰力是結構抗冰性能分析時首先需要考慮的問題，以確保結構有足夠的強度和剛度[2]。中國海洋石油總公司于2002年頒布的《中國海海冰條件及應用規定》（Q/HSn3000-2002）規定作用于垂直和接近垂直的孤立柱上的水平總冰力F=PGDh，單位為KN，其中D和h分別為結構寬度和冰厚，下同，單位為m；平均冰壓力PG=MIfcσc，σc為海冰的單軸壓縮強度，單位為MPa。M、I和fc分別為形狀、嵌入和接觸系數，由經驗公式，Ifc=3.57h0.1/D0.5。此外，由美國石油學會API-RP-2N規范，可令R=mIfc表示折減系數，取值0.3～0.7。針對渤海海域，由現場監測發現實際中易出現海冰擠壓同時破壞[3]，R保守取值應大于1.0。值得注意的是，此公式的適用范圍為D≤2.5m。考慮到風機單樁基礎直徑顯著大于油氣平臺，而海冰與結構接觸面積越大，極值冰力越小，理論上風機結構極值荷載的折減系數要小于石油平臺結構。

國外方面，歐美石油公司以及研究機構自2003年聯合開展了極區海洋工程結構工程設計標準ISO 19906的編制工作，并于2010年發布《ISO 19906：Petroleum and natural gas industries-Arctic offshore structures》標準（簡稱ISO 19906）[4]。該標準提供的平均冰壓力計算公式為PG=CR（h/h1）（nw/h）m，其中，CR為海冰強度系數，亞極區推薦取值1.8MPa；h1為參考冰厚，取1m；w為冰與結構接觸寬度；n為冰厚效應的經驗系數，當冰厚小于1m，取值為-0.5+h/5，當冰厚大于1m，推薦值為-0.3；m為接觸寬度效應的經驗系數，規范推薦值為-0.16，針對渤海，有研究[5]根據模型試驗建議將m的推薦值修正為-0.19。

1.1.2 交變冰力

海冰的周期性擠壓破碎可形成交變冰力。在此方面，考慮冰速的快慢，交變冰力可以分為：準靜態冰力、穩態冰力和隨機冰力。三者中，準靜態冰力（冰速小于2cm/s，由渤海遼東灣石油平臺獲得的監測數據分析，后同）由于周期遠大于結構的固有振動周期，幾乎不引起結構物的動力效應，可視為靜冰力加載過程[2]；隨著冰速的增加，海冰的破碎過程可能會與結構物振動產生耦合，此時穩態冰力（冰速2～4cm/s）頻率鎖定在結構一階固有頻率附近，可致使結構發生簡諧形式的自激振動[3]，振動幅值較大且會持續比較長的時間，產生動力放大現象；而隨機冰力條件下（冰速大于4cm/s），海冰與直立結構迎冰面發生快速連續的脆性擠壓破碎[6]，由于此時冰力周期出現很大的隨機性，結構響應變為隨機激勵下的受迫隨機振動。

考慮到冰致自激振動可導致結構不能正常運行或者疲勞失效，穩態冰力對結構安全影響最大。歷史上，美國阿拉斯加庫克灣的鉆井平臺、加拿大的大型沉箱式采油平臺，以及渤海JZ9和JZ20油田導管架平臺等都曾遭受到不同程度的冰激振動危害[7]。此外，對于海冰條件也有較嚴格的要求，需要大面積的平整冰在特定的冰速下擠壓結構。

1.2 錐體結構的冰力與響應

研究發現，海冰的彎曲強度約為壓縮強度的1/3[8]。在孤立柱的冰作用位置安裝破冰錐體，可使冰與直立結構作用由擠壓破壞改變為彎曲破壞，從而大大降低冰對結構的作用力。

1.2.1 最大靜冰力

由美國石油學會API-RP-2N規范，錐體冰力可根據基于塑性極限法的Ralston錐體冰力公式進行計算，其中，水平總冰力公式中，σf為冰彎曲強度，單位為MPa；ρi為海冰的密度；hR和DT分別為爬升厚度和錐體頂端直徑，單位均為m；A1、A2、A3和A4由錐體角度和冰－錐摩擦因數決定，計算公式可見文獻[9]。

唐山樂亭菩提島海上風電場300MW示范工程項目有關試驗結果顯示，Ralston模型得到的冰力結果與實際值具有很好的吻合度。需要指出的是，當錐角大于65°時，錐體冰力的敏感系數幾乎呈指數增長，這時錐體冰力更多表現為彎曲應力和擠壓應力的混合力，塑性極限法的Ralston公式已經不能準確地計算冰力。

1.2.2 交變冰力

目前，對于加錐風電結構的動冰荷載研究成果主要基于導管架油氣平臺，適用于風電結構的計算模型[1]目前尚不明確，仍有待進一步研究。

理論上，安裝破冰錐體后海冰的破碎及產生的冰力的周期會呈現出更加高度的隨機性，冰致直立結構的自激穩態振動可以完全消除[10]。實際中，由于海冰的彎曲破壞有特殊的破壞長度，同樣會形成規律性的荷載，在一定的冰速與冰厚時，海冰的破壞周期也會與海洋工程結構的固有周期一致，形成共振現象，不過這種共振形式屬于強迫振動。

目前，在冰情較嚴重的渤海遼東灣，海上石油平臺已廣泛安裝破冰錐體，并取得了比較好的防冰抗冰效果，基本滿足了渤海油氣開發的安全與經濟性要求。

2 冰區風機單樁基礎設計難點和特殊性

海上風電場中，升壓站平臺與油氣平臺相似，主要采用四樁腿平臺結構。而風機基礎主要采用大直徑單樁形式。單樁基礎依靠插入海底的鋼管樁支撐風機塔筒，或者通過過渡段將兩者連接起來，具有結構形式簡單、便于安裝、施工速度快、占海面積小、對海洋環境影響較少等優點，是目前應用最為廣泛的基礎形式。

相比油氣平臺，冰區風機大直徑單樁基礎設計難點和特殊性主要表現在如下幾個方面。

2.1 上部結構更高更柔

海上風機為捕獲盡可能多的風能，葉片長、塔筒高，目前主流的4-6MW風力發電機，水面以上結構高度通常在80m以上（導管架平臺一般在20m左右），重心高對下部基礎產生巨大的彎矩作用。與此同時，結構也更偏柔性，如表1所示，海上風機一階固有頻率約0.2～0.3Hz，相比之下，石油平臺的固有頻率更高，通常在1～2Hz上下[8]。針對風機-塔筒-單樁基礎這樣的柔性結構系統，目前研究主要集中于靜冰力，動冰力響應分析相對較少，對于其發生冰致自激振動的條件還沒有足夠理論及觀測數據支持。

表1 典型渤海冰區海洋工程結構物特征參數

2.2 樁基更寬且深度淺

石油平臺的樁基直徑通常小于2m，屬于窄結構形式。而風機單樁基礎的寬度通常在6m以上，安裝錐體后進一步加大結構寬度，直徑可達到9～10m。考慮到冰荷載取決于冰的破碎形式，而冰的破碎形式與結構的寬度密切相關，研究大直徑單樁基礎安裝破冰錐體的效果不能完全參照導管架油氣平臺、燈塔等類型的結構。

另一方面，由于風機上部組塊重量輕，基礎深度更淺。淺基礎不僅對沖刷比較敏感，抗傾覆能力也要比石油平臺更弱。此外，冰擠壓破壞動荷載會引起樁基的振動及變形，帶動樁周土體變形，土體在往復變形過程中容易引起砂土液化，避免土體液化問題也是冰區風機單樁基礎設計要考慮的難題。

2.3 失效模式不確定性

除冰荷載外，海上風機基礎所承受的波浪、海流以及風荷載也更顯著。目前，對于海冰及其它環境荷載聯合作用下風機結構的失效模式與準則，研究還不夠充分。對于石油平臺，考慮到上部有天然氣管路，降低振動強度是首要的設計考量。而對于風機，失效的模式以振動強度為主還是疲勞壽命為主還要進一步論證。

3 工程案例

雖然破冰錐體具有良好的抗冰效果，但由于結構復雜，實際建造施工存在諸多不便。例如：廠內加工制造難度大，耗費時間長，部分位置焊接質量難以保證；基礎重量上升明顯，現場安裝費時費力；需要進行水下焊接、灌漿等工作，施工成本高、風險大。因此，在冰情比較輕的海域，如綏中36-1油氣田，部分石油平臺沒有安裝破冰錐體，后期監測發現結構冰振現象較輕，也沒有發生顯著的冰致自激振動現象。

基于上述考量，唐山樂亭菩提島海上風電場300MW示范工程項目中，除加裝抗冰錐方案外，還同時考慮了另一種技術路線，即取消抗冰錐，從而達到降低建設成本和施工風險的目的。

比較了兩種技術方案的區別，顯而易見的是，取消抗冰錐可顯著縮短建設周期，降低項目成本和施工風險，更符合建設方、設計方、施工方共同的追求。但取消抗冰錐結構后，無疑會增大基礎結構的水平荷載和疲勞荷載，因此需要對結構進行更為細致深入的研究設計，確保風機在冰荷載動力作用下不會因強烈的振動而影響正常使用。同時，如何保證靠船結構、海纜保護管等直接暴露在冰荷載作用下的附屬結構既不受損壞，又能較為簡單地完成安裝也是另一個需要解決的問題。

4 結束語

基于唐山樂亭菩提島海上風電場300MW示范工程項目的建設經歷，本文對海上風機抗冰振相關問題進行了討論。參考渤海油氣平臺抗冰經驗，風機基礎安裝破冰錐體可防止冰致自激振動，但無法保證完全杜絕冰振，產生的冰致強迫共振仍有可能影響結構的疲勞壽命。考慮到加裝破冰錐體會極大增加建設項目的周期和成本，在何種條件下需要使用破冰錐體以及破冰錐優化設計等問題仍有待深入研究。為更加高效地利用渤海冰區海上風電資源，有必要對冰區風機的冰荷載、冰振響應、風機的振動失效分析進行深入研究，建議利用建成的海上風電平臺開展大規模的冬季監測，為有關研究提供數據支撐。