混凝土基础在浮式风电工程应用路线探究

混凝土基础在浮式风电工程应用路线探究

尚景宏

中海石油（中国）有限公司北京新能源分公司    北 京   102209

摘要：随着海上风电的快速发展，传统的固定式风电场已经无法满足需求，而浮式风电作为一种新兴的风电发展技术，具有更大的发展空间和潜力。在浮式风电场中，混凝土基础工程应用路线不仅支撑风力发电机组和保证风机稳定性，同时还能承受海上恶劣环境的挑战。随着技术的发展和创新，混凝土基础有望成为海上风电领域的主流技术，为风电行业的可持续发展做出重要贡献。

关键词：混凝土基础；浮式风电；技术路线

1混凝土材料

在浮式风电工程中，混凝土材料应用方向的三个关键要素是高性能海洋工程混凝土、钢筋预埋件和预应力混凝土结构，其在浮式风电结构的稳定性和耐久性发挥至关重要的作用。

（1）高效的海洋工程混凝土因其高密度、可塑性和耐久性备受青睐。制作过程沿用常规混凝土的原料和工艺，但通过降低水灰比、使用高质量的掺合料和添加剂，实现了高耐久性和强度，确保结构刚性、防止变形，并保持出色的施工性能。混凝土浮体内部填充环保材料，外部覆盖高强度的钢筋混凝土，能有效抵御冲击、缓冲波浪力量，确保结构稳定和安全。

（2）钢筋预埋件是通过将其嵌入混凝土结构内部，与混凝土形成协同作用，以增强结构的承载能力和稳定性。预埋件因其卓越的力学性能、施工简便、经济成本和长久耐用而备受赞赏。

（3）预应力混凝土结构是在承受外部荷载之前，预先对其施加压力，以减少或平衡可能的拉伸应力。该方法利用混凝土的高压缩强度来弥补其在拉伸时的弱点，延缓混凝土受拉区域开裂的时间。预应力混凝土结构的特点是在荷载作用之前，混凝土已经处于受压状态，预应力是通过拉伸高强度钢筋或钢丝来实现的。

2结构部分

混凝土基础结构在在浮式风电领域的应用潜力，尤其是在提供稳定性和适应动态海洋环境方面的优势。

2.1浮动结构

虽然超大型浮动结构，如海洋浮动机场和风能发电平台通常采用钢材作为主要构建材料，但混凝土作为一种潜在的替代选项，也逐渐被考虑在海上结构工程的创新应用中。尽管最初的设计倾向于钢铁，混凝土的独特特性使其在某些特定情况下展现出优越性。

2.2混合材料

FLOTANT创新设计采用混合材料，将混凝土与塑料融合，专为100米至600米深度范围的浮动风能装置量身打造，特色在于内置的被动洪涝防护系统。浮体利用低密度、吸水率极低的挤塑聚苯乙烯泡沫确保稳定浮动。核心组件是混凝土支柱，通过混凝土支架与外围结构相连，填充XPS泡沫，强化整体稳定性。六个压载水模块协助抵消风力影响，底部的升降调节板提升系统效率。

3施工部分

浮式风电技术中混凝土基础的应用主要体现在自浮混凝土基础和一体化拖航运输两个方面，旨在提高安装效率、降低成本，并简化退役过程。

3.1自浮混凝土基础

为了减轻对高端起重驳船的依赖，研究团队正致力于研发新型浮动重力混凝土基础架构。这种创新设计允许结构单元便捷地运送到指定位置，然后通过常规拖船进行精确定位和安装，无需动用成本高昂的专业巨型安装平台。就位后，只需注入水和适量的压载物，它们就能稳定地沉入海底。

这一前沿技术首次在2015年实践，当时它成功支持了气象塔的支撑结构。随后，在2017年的Blyth海洋试验项目中，进一步被应用于风力发电机的安装。这一技术的优势在于，移除时同样简易，只需反向操作安装流程即可完成，显著简化了设施的退役过程。

3.2一体化拖航运输

一体化拖航运输旨在减轻完整组装的浮动风力发电机在转移和安装期间的负荷。其核心是一个三段式可伸缩混凝土塔，能在安装过程中降低组装结构的质心。在西班牙阿里纳加港，已建成一座全尺寸原型，配备了5兆瓦的风力发电机。这座32米直径、7米高的混凝土重力基础下部结构在干船坞中构建，随后浮出水面。为省去海上安装步骤，所有组件都在港口预先装配，利用可折叠的塔身，其较低的高度允许使用常规起重机安装风力机。塔体由12块预铸混凝土板块构成，完全展开时可达115米高。安装过程中，采用拖船和特制平台提升稳定性，便于运输和维护作业。2018年，该原型在大加那利岛以东1.5公里的Plocan海洋基地安装并接入电网，水深30米。

4混凝土基础在浮式风电注意事项

为确保浮式风电中混凝土基础的性能和耐久性，必须采取适当的设计、材料选择和维护措施，以应对以下问题及挑战。

4.1混凝土开裂

混凝土的常见问题包括表面不平、裂缝和空隙等，其中裂缝对风力发电机主体结构的影响尤为显著。裂缝的形成原因多样，可能源于混凝土的密度不足、内部空洞或水分渗透。由于风机持续的低频振动，这些裂缝会逐渐加剧，导致其长度和宽度不断增大。具体表现为塔筒顶部的振动位移总体增加，同时风机塔筒的振动频率特性也会发生变化。因此，通过分析基础结构的振动频谱可以对潜在问题进行早期识别。大体积混凝土产生裂缝的主要原因如下：1.水泥作为混凝土的主要胶结物质，在水化过程中释放热量，导致结构内部温度急升。由于散热路径长且材料导热性差，混凝土内部的热量无法迅速散发，从而引起内外温差，产生温度应力，导致体积变形。2.随着混凝土温度的自然下降，大体积混凝土受到周围结构的强约束，限制了其收缩，从而产生拉应力。3.混凝土本身的物理属性，如其内在的力学性能和构型关系，也是造成裂缝的重要因素。

混凝土的力学性能受裂缝的影响表现为：1.当混凝土的受力部件出现裂缝，这将对整体构造的承载力产生直接影响，若裂缝宽度达到临界值，意味着相关部件或结构已丧失功能，无法继续使用。这种裂缝宽度是评估带裂缝组件和结构承载力的关键参数，可判断结构是否受损；2.如果钢筋保护层破裂并延伸至内部，结构内嵌的钢筋会暴露于空气和水分中，加速钢筋腐蚀，降低结构的耐久性，从而对结构的承载力和使用性能产生间接影响；3.混凝土裂缝的存在使其失去防水性，水分通过裂缝渗透，显著降低结构的使用性能，尤其是风力发电的基础，其为大体积混凝土结构，钢筋密集，裂缝的扩展会促进钢筋锈蚀，进一步减弱钢筋混凝土体系的耐久性，进而影响风力发电基础的使用性能。

4.2混凝土腐蚀

4.2.1化学腐蚀

海洋环境，因其独特的高盐分、多变气候和活跃生物等因素交织在一起，构成了对材料极具挑战性的服役条件，尤其是对于海洋基础设施建设中不可或缺的主体材料—水泥混凝土，这种影响更为显著。

4.2.2物理腐蚀

物理性侵蚀主要源于海洋环境与动态海水的协同影响，对水泥混凝土结构产生显著损害。例如，海洋中的悬浮颗粒，如泥沙，伴随着海浪和潮汐的周期性冲击，长期侵蚀混凝土表面。在潮汐和海浪的影响下，位于涨落潮区域以及常受浪花拍打的混凝土，会频繁经历海水湿润、水分快速蒸发的循环，这导致盐分积累、析出并形成结晶，从而加剧材料的磨损。此外，冬季海水冻结和融化的过程，也对混凝土构成冷热应力，引发结构性破裂。

4.2.3生物腐蚀

海洋生物的侵蚀活动主要包括贝类、藻类和各类微生物在水泥混凝土表面上的定殖和生长。这些生物会释放酸性化合物，从而导致对水泥混凝土结构的腐蚀。海洋环境中，这些腐蚀过程常常并发并互相催化，极大地增强了破坏效应，对海洋设施及沿海建筑物构成了严峻的考验。

结论

综合来看，混凝土基础在浮式风电技术路线中具有重要的地位和作用，未来有望成为海上风电领域的主流技术之一。随着技术的不断进步和创新，混凝土基础在浮式风电领域将会发挥出更大的潜力，为风电行业的可持续发展做出更大的贡献。

参考文献：

[1]蒋运和.浮式风电施工技术现状及分析[J].船舶物资与市场,2024,32(01):85-88.

[2]王其标,席石磊,曹宝勇,等.海上风电导管架基础沉桩定位平台应用[J].中国港湾建设,2023,43(05):95-99.

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