風能作為一種清潔、可再生能源正在得到快速開發(fā)，受陸上環(huán)境區(qū)域限制，難以進行大面積開發(fā)， 故開發(fā)的范圍由陸地逐步轉(zhuǎn)向海洋，由近海向遠海開發(fā)是大勢所趨，廣闊的深海具有巨大開發(fā)潛能。海上風電由于傳統(tǒng)的固定式平臺基礎(chǔ)是基于變形和穩(wěn)定性條件進行設(shè)計的，其自重與工程造價往往隨海水深度增加而大幅增長，不適用于深水環(huán)境。因此，借鑒海洋油氣平臺技術(shù)，采用浮動式結(jié)構(gòu)作為風機、塔筒的承載平臺，在深水海域建設(shè)風電場已成為各國爭相建設(shè)和研究的新方向。

漂浮式風電場采用漂浮式基礎(chǔ)及錨泊系統(tǒng)將風電機組安置于深海區(qū)域。相比于固定式風機，漂浮式風機制造安裝成本更低，能適應(yīng)更深的水深環(huán)境，在深遠海域具有更加廣闊的市場前景。

一、浮式風電TLP結(jié)構(gòu)型式

目前浮式風電存在３種平臺結(jié)構(gòu)型式：半潛式、立柱式和張力腿式（TLP）。張力腿平臺是近年來迅 速發(fā)展的一種新型深水系泊穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，經(jīng)過幾十年的設(shè)計生產(chǎn)實踐，已被證明具有良好的運動性能， 無論是在施工技術(shù)還是裝備上都已在國外漂浮式風場的建設(shè)中取得了良好的示范效果。

海上漂浮式風電TLP的概念最初來源于深海張力腿采油平臺?，F(xiàn)階段TLP已發(fā)展出傳統(tǒng)型、迷你型、延伸式３種結(jié)構(gòu)型式。

漂浮式風電場采用 TLP結(jié)構(gòu)型式具有4個優(yōu)點：①結(jié)構(gòu)重量??；② 陸上風機組裝；③ 穩(wěn)性佳；④無主動壓載設(shè)備。以Blue H為例，Blue H是世界上首座漂浮式風電項目，也是首座采用TLP結(jié)構(gòu)型式的漂浮式風電項目。該項目于2009年在意大利海岸建成，采用了2葉風機，上部結(jié)構(gòu)由6個側(cè)立柱和中央的1個風機塔承臺構(gòu)成，基礎(chǔ)型式采用660t的混凝土重力式基礎(chǔ)。

二、TLP結(jié)構(gòu)筋腱類型

TLP錨泊系統(tǒng)主要包括筋腱和錨固基礎(chǔ)兩部分，TLP主要依靠錨固基礎(chǔ)來抵抗結(jié)構(gòu)受到的較大的豎向荷載，其錨固結(jié)構(gòu)型式包括樁基、重力式基礎(chǔ)和吸力錨基礎(chǔ)。由于TLP結(jié)構(gòu)受到的浮力遠遠大于結(jié)構(gòu)自重，而抵消自重后的剩余浮力與預(yù)張力相平衡，該預(yù)張力最終作用在錨泊系統(tǒng)上，造成筋腱時刻處于張拉的繃緊狀態(tài)，這使得錨泊系統(tǒng)的錨固基礎(chǔ)及筋腱設(shè)計選型變得十分重要。

不同的錨固基礎(chǔ)選取不同的筋腱類型及材料，由于受海上風電設(shè)計壽命影響，整個基礎(chǔ)考慮使用壽命在25~30a，這對筋腱防腐性能提出非常高的要求。根據(jù)《DNV-OS-C101》《DNV-OS-C105》《DNV-OS-E303》等標準規(guī)定以及工程應(yīng)用情況，TLP筋腱采用的材料主要包括：錨鏈、鋼絲繩、超高分子量聚乙烯纖維、碳纖維材料及鋼管材料等。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)不同的材料各有優(yōu)缺點，采用何種材料受多種因素影響，某種材料是否適用于海上風電TLP結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)具體情況進行選擇。

2.1 錨鏈

錨鏈作為TLP平臺張力腿筋腱，其結(jié)構(gòu)簡單， 加工難度小，價格相對便宜，對連接器要求較小，性能穩(wěn)定，易于施工，但是其耐久性差，抗沖擊性能差，介于錨鏈的高性價比，可通過一些防腐手段實現(xiàn)其長時間腐蝕導(dǎo)致的錨鏈伸長問題，從而實現(xiàn)錨鏈在漂浮式風電TLP結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。

2.2 鋼絲繩

抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩可分為單股繩和多股繩，而多股繩從鋼絲繩截面特征看又分為圓截面鋼絲繩和非 圓截面鋼絲繩，其中圓截面鋼絲繩可再細分為單層股鋼絲繩和多層股鋼絲繩。FPSO是英文Floating Production Storage and Offloading 的縮寫，中文譯為浮式生產(chǎn)、儲油、卸油裝置，與水下采油裝置和穿 梭油船組成一套完整的生產(chǎn)系統(tǒng)，是海洋工程船舶中的高技術(shù)產(chǎn)品。

FPSO系泊用鋼絲繩一般要求10~30a的使用壽命。FPSO系泊系統(tǒng)用鋼絲繩大多采用65~153mm的高強度六股鋼絲繩和單股鋼絲繩，密封鋼絲繩的使用量也在逐漸增加。在系泊系統(tǒng)中，六股繩和多層股鋼絲繩可以被認為是一種每隔幾年就被更換的“易耗品”，然而處于系泊線中低段的鋼絲繩不容易更換。最受歡迎的系泊系統(tǒng)實際上是采用單股鋼絲繩，這是因為普通鋼絲繩缺乏單股鋼絲繩的扭轉(zhuǎn)剛度（抗扭勁度）和抗腐蝕 性。采用高密度聚乙烯涂塑的單股鋼絲繩能達到40a的使用壽命。鋼絲繩的結(jié)構(gòu)選擇應(yīng)根據(jù)使用條件而確定。從對國際知名鋼絲繩企業(yè)海工鋼絲繩的調(diào)查了解得知，企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)和應(yīng)用實際，選擇不同結(jié)構(gòu)的鋼絲繩，有些結(jié)構(gòu)屬于非標特殊結(jié)構(gòu)。對于漂浮式風電筋腱如選用鋼絲繩，可能需要考慮作為特殊結(jié)構(gòu)進行設(shè)計制造。

2.3 超高分子量聚乙烯纖維

通過大量調(diào)研了解到，海工船舶領(lǐng)域，纖維纜絕大多數(shù)均采用超高分子量聚乙烯這種材料作為系泊纜繩，但其實際使用壽命在8~10a，且長時間承載會發(fā)生永久性變形，使繩索變長，從而影響筋腱的預(yù)張力，也會影響纖維材料的力學(xué)性能。采用超高分子量聚乙烯纖維作為漂浮式風電平臺用筋腱，需要考慮繩索永久變形伸長對預(yù)張力影響，同時在即將到壽命期后可更換性及性價比等問題。

2.4 碳纖維及其復(fù)合材料

碳纖維及其復(fù)合材料具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱和膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能，但其橫向抗剪強度很低。在工程界越來越多的使用碳纖維產(chǎn)品，尤其是碳纖維增強復(fù)合材料纜索，已有大量工程成功應(yīng)用案例。采用碳纖維復(fù)合材料作為TLP平臺張力腿的筋腱材料，不但要解決纜索兩端的錨具和平臺結(jié)構(gòu)擺動 帶來的軸向剪應(yīng)力，同時還要解決使用過程中防砂保護層、防魚類咬食及海上漂浮物撞擊帶的軸向剪切力等。雖然目前碳纖維材料越來越多的得到應(yīng)  用，技術(shù)也越來越成熟，同時國外的一些TLP漂浮式風電概念設(shè)計也提出采用碳纖維材料作為筋腱材料，但目前采用碳纖維材料應(yīng)用在TLP漂浮式風電的筋腱仍然有許多問題沒有解決，安全風險很大。

2.5 鋼管

采用鋼管作為筋腱其安全性和穩(wěn)定性高，加工工藝簡單，制造成本低，其本身重量可以采用兩端密封的方法解決，防腐方面，潮差段表面采用噴涂重防腐涂料或玻璃鋼+防腐層包覆的方式進行防腐，水下同時采用陽極塊進行保護，技術(shù)相對來說都比較成熟。就目前而言，鋼管筋腱的可靠性、安全性都是最高的，采用鋼管作為TLP平臺的筋腱是最可靠的。但鋼管筋腱兩端連接裝置是最大問題， 國內(nèi)沒有相關(guān)產(chǎn)品，國外相關(guān)產(chǎn)品也甚少，且價格昂貴，即使自主研發(fā)也需要對其進行多方面驗證， 短期內(nèi)無法得到工程推廣應(yīng)用，目前階段可能受限于此連接裝置的問題，鋼管筋腱無法得到應(yīng)用。

三、TLP筋腱材料選型與防腐

筋腱選用受當前生產(chǎn)制造技術(shù)、性價比、材料耐久性等因素影響，選擇筋腱需要綜合考慮，才符合漂浮式風電穩(wěn)健發(fā)展。在上述５種類型的筋腱材料中，其中錨鏈、鋼絲繩、鋼管3種受海洋腐蝕影響嚴重，限制其推廣使用。實際上，每種筋腱材料均可以通過系列防腐措施提高其耐久性，從而滿足工程應(yīng)用壽命要求。鋼管防腐技術(shù)較為成熟，且目前兩端連接器問題，使用受到一定限制，故不再介紹。本文主要針對錨鏈、鋼絲繩兩種可能用于漂浮式風電張力腿筋腱進行耐久性改進分析，并提出改進建議。

3.1 錨鏈耐久性改進措施

錨鏈在未使用時，各鏈環(huán)是活動的，作為張力腿筋腱使用時，基本是筆直不動的，此時狀態(tài)類似一條鋼筋，只是表面積較大。表面積越大受海洋腐蝕的風險越大，錨鏈作為筋腱必須采取一些手段改進其耐久性。

熱噴涂鋁涂層保護錨鏈在海洋石油張力腿平臺上有較多應(yīng)用。Hutton TLP平臺1984年投產(chǎn)，其張力腿采用熱噴涂鋁涂層保護，在經(jīng)過8a的應(yīng)用后涂層均未發(fā)生失效問題，仍有效保護筋腱。設(shè)計壽命達50a的Heidrun張力腿平臺也采用了熱噴涂鋁涂層，以期達到防腐蝕可靠，減少維修工作量和長時間保護的目的。

有試驗研究表明125μｍ和100μｍ 的熱噴涂鋁涂層分別經(jīng)過15a和18a的海上暴露試驗，表現(xiàn)良好。不同的涂層厚度，保護的周期不同。錨鏈作為張力腿筋腱，可以通過增加腐蝕裕量，熱噴涂鋁涂層，同時加焊接犧牲陽極的方法實現(xiàn)錨鏈張力腿接近30a的使用要求，錨鏈在環(huán)接位置只要不發(fā)生腐蝕，即可解決了腐蝕伸長影響張力的問題，從而實現(xiàn)錨鏈作為張力腿筋腱在漂浮式風電中的應(yīng)用。

3.2 鋼絲繩防腐措施

海工鋼絲繩在海洋環(huán)境下工作，因遭受海水或海洋氣氛的侵蝕，大多要進行防腐處理，常用的防腐方法是制繩鋼絲鍍鋅或鋼絲繩涂塑。對于長期錨固的單股鋼絲繩，如作為FPSO的錨固鋼絲繩， 就是在繩外包覆耐海水腐蝕的塑料。

為了減少鋼絲繩中股與股之間的磨損，提高鋼絲繩使用壽命， 需要在股間填塑，或在繩芯外涂塑，這樣的塑料應(yīng)具有耐磨性，但這種耐磨性的塑料能否承受在漂浮式風電基礎(chǔ)平臺搖擺過程中產(chǎn)生的摩擦力，有待驗證。故在沒有得到驗證的情況，如果采用鋼絲繩作為張力腿筋腱，需要解決其耐久性問題。

防腐帶在海工工程中有較多應(yīng)用，其防腐性能優(yōu)異，保護壽命超過40a，滿足漂浮式風電設(shè)計壽命要求。由于鋼絲繩較細，熱噴涂鋁涂層或其他涂層適用性有限，故可選用包覆防腐帶加保護殼的結(jié)合的方式進行防腐，防腐帶不固化，具有一定的延展性，在鋼絲繩受力時不會破壞防腐性能，加保護殼主要是固定保護防腐帶的作用，基本不受鋼絲繩受力情況影響。

四、結(jié)語

漂浮式風電發(fā)展目前正處于概念設(shè)計、物理模型試驗、數(shù)值計算分析、建設(shè)樣機階段，未來漂浮式風機的大規(guī)模應(yīng)用指日可待，相關(guān)的深遠海風資源開發(fā)也將進入新的時代。

現(xiàn)階段，國內(nèi)TLP只在深海石油平臺上應(yīng)用過，而漂浮式風電的荷載條件、水深與海上石油平臺有較大差別。漂浮式風電基礎(chǔ)張力腿筋腱的選擇，直接影響風電的施工成本及使用壽命。本文通過對幾種可能用于漂浮式風電基礎(chǔ)張力腿筋腱的介紹，簡單分析其應(yīng)用優(yōu)缺點，通過對其中受耐久性影響的兩種常見材料進行防腐改進建議，為在后續(xù)工程中筋腱選型時提供更多選擇，以降低施工成本以及基礎(chǔ)后期運維成本，提高深海的漂浮式風電使用壽命。

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