同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 ■ 陸亮* 吳海軍 烏建中 訚耀保

0 引言

伴隨世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球能源需求同步上升，風(fēng)能因可再生、無污染、效率高而成為能源利用的新寵。21世紀(jì)以來，陸上風(fēng)電如風(fēng)刮過，近海風(fēng)場更似景觀，但噪聲、視覺污染與利用率飽和等原因限制了陸上風(fēng)電與近海風(fēng)電的進(jìn)一步發(fā)展，所以，大家將目光逐漸轉(zhuǎn)向深遠(yuǎn)海域。深遠(yuǎn)海域風(fēng)電與陸上、近海風(fēng)電最大的不同在于其基礎(chǔ)從固定式變?yōu)槠∈?，傳統(tǒng)基礎(chǔ)及其連接技術(shù)不具備繼承性。本文結(jié)合國內(nèi)外海上風(fēng)電的市場與政策，闡述了主流漂浮式基礎(chǔ)的技術(shù)特點(diǎn)及相應(yīng)的水下連接技術(shù)。

1 風(fēng)電技術(shù)發(fā)展概況

圖1對(duì)比了國內(nèi)外風(fēng)電技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)。世界首臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行風(fēng)機(jī)于1888年成功設(shè)計(jì)并建造[1]。1973～1986年，商業(yè)風(fēng)電由家庭農(nóng)用模式發(fā)展至互聯(lián)風(fēng)電場模式。1981～1990年間，因稅收等政策扶植，美國加州迎來風(fēng)能產(chǎn)業(yè)爆發(fā)，俗稱“加州風(fēng)暴”，這期間共建設(shè)了超1600臺(tái)單機(jī)容量為20～350 kW不等的共計(jì)1.7 GW的風(fēng)電機(jī)組[2]。1991年，丹麥于波羅的海(Baltic Sea)成功建立溫訥比(Vindeby)近海風(fēng)電場，拉開了海上風(fēng)電場發(fā)展的序幕[3]。1995年，德國Nordex公司研發(fā)出世界首臺(tái)MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組，進(jìn)一步提升了風(fēng)電發(fā)展水平[4]。2009年，世界首臺(tái)MW級(jí)漂浮式風(fēng)電機(jī)組全尺寸樣機(jī)Hywind由挪威Statoil ASA公司在挪威海域成功建立并示范應(yīng)用，為漂浮式風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展打開了良好開端[5]。2017年，全球首個(gè)商業(yè)級(jí)海上漂浮式風(fēng)電場Hywind蘇格蘭發(fā)電項(xiàng)目組建完工，并于當(dāng)年第四季度全面投產(chǎn)。

我國風(fēng)電研發(fā)始于20世紀(jì)50年代，先后經(jīng)歷了初期探索和離網(wǎng)發(fā)電階段。1985年，《風(fēng)力發(fā)電》雜志正式出版，成為當(dāng)時(shí)國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)認(rèn)識(shí)交流和獲取信息的重要途徑[6]。1986年5月，山東榮城首個(gè)示范性風(fēng)電場成功并網(wǎng)發(fā)電，標(biāo)志著我國從離網(wǎng)發(fā)電進(jìn)入到并網(wǎng)發(fā)電階段。2005年，蘭州電機(jī)有限公司、清華大學(xué)及沈陽工業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制出國內(nèi)首臺(tái)變速恒頻雙饋異步風(fēng)電機(jī)組，填補(bǔ)了國內(nèi)在該領(lǐng)域內(nèi)的空白[7]。盡管我國風(fēng)電技術(shù)起步較晚，但巨大的市場需求促進(jìn)了國內(nèi)此項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，尤其是海上風(fēng)電，更是有趕超國外之勢(shì)。2009年，國家發(fā)展和改革委員會(huì)與國家能源局正式啟動(dòng)了我國沿海地區(qū)海上風(fēng)電的規(guī)劃工作，加快了海上風(fēng)電發(fā)展的進(jìn)程[8]；2010年，我國第一個(gè)近海風(fēng)電項(xiàng)目——上海東海大橋近海風(fēng)電項(xiàng)目建成且實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電[9]；2011年，我國大規(guī)模啟動(dòng)海上風(fēng)電規(guī)劃工作，采用大規(guī)模特許權(quán)招標(biāo)方式探索發(fā)展，引領(lǐng)我國海上風(fēng)電從示范項(xiàng)目進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期；2016～2017年，國家能源局委托上海市發(fā)展和改革委員會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)《國家能源局關(guān)于上海深遠(yuǎn)海域海上風(fēng)電有關(guān)事項(xiàng)通知》(滬發(fā)改委[2016]38號(hào)文、滬發(fā)改委[2017]138號(hào)文)，預(yù)示著將以上海深遠(yuǎn)海域?yàn)橹行拇蛟煳覈钠∈斤L(fēng)電示范工程，以引領(lǐng)國內(nèi)漂浮式風(fēng)電技術(shù)發(fā)展，打造國家名片。

圖1 國內(nèi)外風(fēng)電技術(shù)發(fā)展歷史

2 海上風(fēng)電市場與需求

目前，海上風(fēng)電市場主要為近海風(fēng)電。據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)(GWEC)發(fā)布的2017年全球風(fēng)電裝機(jī)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，英國、德國領(lǐng)跑海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量，分別占全球總裝機(jī)容量的36.33%和28.46%，中國、丹麥、荷蘭等緊隨其后；就新增裝機(jī)容量而言，英國、德國及中國是2017年發(fā)展較快的國家，如表1所示[10]。

表1 2017年世界各國海上風(fēng)電新增和累計(jì)裝機(jī)容量[10]

在國家需求與政策方面，2013年，英國頒布《海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略——產(chǎn)業(yè)和政府行動(dòng)》(《Offshore Wind Industrial Strategy——Business and Government Action》)，預(yù)計(jì)歐盟及英國海上風(fēng)電裝機(jī)容量至2020年和2030年將分別達(dá)到28 GW和55 GW[11]。其中，德國已明確計(jì)劃建造總?cè)萘繛?.5 GW的海上風(fēng)電，并于2030年達(dá)到15 GW，這一目標(biāo)已被納入《可再生能源法》(EEG)中[12]。2011年2月，美國發(fā)布《國家海上風(fēng)電戰(zhàn)略：創(chuàng)建美國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)》，提出美國海上風(fēng)電裝機(jī)容量在2020年和2030年將分別達(dá)到10 GW和54 GW的目標(biāo)[13]。日本官方提出2030年日本海上風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到37 GW的目標(biāo)[14]。我國在《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出，至2020年底，國內(nèi)海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量將達(dá)到5 GW以上，風(fēng)電年發(fā)電量確保達(dá)4200億kWh，占全國總發(fā)電量的6%[15]。

就國際風(fēng)電技術(shù)與市場總體而言，陸上風(fēng)電數(shù)據(jù)飽和，政策轉(zhuǎn)移；近海風(fēng)電充分發(fā)展成為現(xiàn)有海上風(fēng)電市場的主體；深遠(yuǎn)海域風(fēng)電蓄勢(shì)待發(fā)，成為各國海上風(fēng)電市場遠(yuǎn)景規(guī)劃的重要組成部分。相比歐美風(fēng)電技術(shù)與市場，我國經(jīng)歷了陸上落后、近海追趕的歷史過程，面對(duì)更為廣闊的深遠(yuǎn)海域風(fēng)電技術(shù)與市場，能否能夠抓住歷史機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)市場容量與裝備水平的彎道超車，是擺在國家及全體風(fēng)電人面前的歷史課題。

為此，2016年，國家能源局發(fā)布了《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，出臺(tái)了一系列重大利好政策鼓勵(lì)海上風(fēng)電發(fā)展，尤其是深遠(yuǎn)海域漂浮式風(fēng)電的發(fā)展。為加快搶占全球風(fēng)電技術(shù)制高點(diǎn)，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和新能源發(fā)展，謀劃布局重大工程支撐科創(chuàng)中心建設(shè)，國家能源局2017年發(fā)布了《關(guān)于上海深遠(yuǎn)海域海上風(fēng)電有關(guān)事項(xiàng)的復(fù)函》(國能函新能[2017]58號(hào))，支持上海在全國率先開展深遠(yuǎn)海域海上風(fēng)電示范。根據(jù)國家和市政府工作要求，上海市將進(jìn)一步推進(jìn)深遠(yuǎn)海域海上風(fēng)電示范工程建設(shè)的前期各項(xiàng)工作，爭取2019年立項(xiàng)實(shí)施，2020年開工建設(shè)。

3 漂浮式海上風(fēng)電基礎(chǔ)主流形式及商業(yè)樣機(jī)

面向深遠(yuǎn)海域開拓風(fēng)電市場，在國內(nèi)技術(shù)空白的局面下，大量的技術(shù)攻關(guān)勢(shì)在必行?，F(xiàn)有適用于深遠(yuǎn)海域風(fēng)電的基礎(chǔ)主要包括深吃水立柱(Spar)式漂浮式基礎(chǔ)、張力腿(Tension Leg Platform，TLP)式漂浮式基礎(chǔ)和半潛(Semi-Sub)式漂浮式基礎(chǔ)，如圖2所示[16]。這3種基礎(chǔ)中，Spar式基礎(chǔ)垂蕩性能好，結(jié)構(gòu)簡單、便于制造；但其重心較低，不便拖運(yùn)回港口維修，同時(shí)橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)幅度較大，位姿變化大。Semi-Sub式基礎(chǔ)錨泊系統(tǒng)簡單，可選用輕質(zhì)小型連接材料，如合成纖維繩，對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行錨泊定位，施工和維修方便；但合成纖維繩彈性模量低、位姿變化大、蠕變大。TLP式基礎(chǔ)連接近似剛性，位姿變化小，且在位姿發(fā)生變化后易實(shí)現(xiàn)調(diào)平。

圖2 主流漂浮式基礎(chǔ)形式[16]

截至目前，各式基礎(chǔ)風(fēng)電機(jī)組由不同開發(fā)公司建造，多為1:1樣機(jī)且基本完成商用前試驗(yàn)測試，開發(fā)公司所屬國家多集中于歐洲、美國與日本，具體統(tǒng)計(jì)如表2所示。其中，Statoil公司開發(fā)的Hywind項(xiàng)目已于2017年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。就目前我國深遠(yuǎn)海域海上風(fēng)電示范工程40～50 m的水深而言，理論上TLP式和Semi-Sub式都可作為本示范項(xiàng)目實(shí)施的基礎(chǔ)形式，但從風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)一體化設(shè)計(jì)及服役過程的運(yùn)維調(diào)控角度考慮，以TLP式基礎(chǔ)為技術(shù)攻關(guān)的首要目標(biāo)。

4 TLP式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、錨泊原理及水下連接

4.1 TLP式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)組成與錨泊原理

圖3簡單示意了TLP式基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)組成，主要包括：基礎(chǔ)主體、立柱、張力腿筋腱及錨固基礎(chǔ)?；A(chǔ)主體用于安裝風(fēng)電機(jī)組和塔架，其漂浮所需的浮力主要由立柱提供，同時(shí)為了防止風(fēng)機(jī)傾覆，需采用張力腿筋腱與錨固基礎(chǔ)將基礎(chǔ)主體與海底連接。張力腿通過預(yù)張力與整體結(jié)構(gòu)所受浮力及重力進(jìn)行平衡，利用自身的幾何尺寸限制基礎(chǔ)主體的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)TLP式基礎(chǔ)的錨泊。

張力腿筋腱是維持TLP式基礎(chǔ)穩(wěn)定的關(guān)鍵部件，其材料目前多為鋼管，需要使用大量的接頭技術(shù)維持張力腿系統(tǒng)的牢固和穩(wěn)定。如圖4所示，張力腿連接之前，通常首先在海底指定位置安裝樁基，進(jìn)而在樁基中安裝插筒，插筒內(nèi)安裝筋腱頭部裝置，實(shí)現(xiàn)筋腱的底部連接；筋腱頂部連接與底部連接相似，筋腱通過頂部連接器件安裝于基礎(chǔ)主體；當(dāng)水深較大時(shí)，單根筋腱長度通常不足，多根筋腱的拼接需要筋腱自連接。

表2 目前已建造樣機(jī)的漂浮式基礎(chǔ)[17-18]

圖3 TLP 式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)組成

圖4 張力腿水下連接構(gòu)成[19]

4.2 TLP水下連接產(chǎn)品專利原理分析

在本示范項(xiàng)目實(shí)施之前，對(duì)現(xiàn)有TLP水下連接產(chǎn)品及專利情況進(jìn)行簡要分析。

4.2.1 底部連接

筋腱底部連接需要堅(jiān)實(shí)可靠的樁基礎(chǔ)，一般樁基固定后，在樁基內(nèi)首先安裝插筒，插筒與樁基之間通過機(jī)械或灌漿固定的方式連接；此后，利用底部接頭技術(shù)實(shí)現(xiàn)筋腱與插筒的連接。

1)樁基與插筒的連接。

①機(jī)械連接(授權(quán)號(hào)：US 4320993，授權(quán)時(shí)間：1982-03-23)[20]。該專利為用于TLP式基礎(chǔ)筋腱的底部連接器，涉及插筒的安裝過程。首先在樁基孔洞內(nèi)壁上兩個(gè)凹槽中各裝入1個(gè)卡環(huán)，之后將插筒裝入孔洞中，由于卡環(huán)內(nèi)徑小于插筒外徑，卡環(huán)會(huì)發(fā)生彈性張大，當(dāng)插筒到達(dá)指定位置后，卡環(huán)收縮至原形狀并順利進(jìn)入與樁基凹槽對(duì)應(yīng)的插筒凹槽中，進(jìn)而對(duì)其位置進(jìn)行固定，如圖5所示。

圖5 機(jī)械連接中樁基與插筒結(jié)構(gòu)示意圖[20]

②灌漿連接(授權(quán)號(hào)：CN 203475461U，授權(quán)時(shí)間：2014-03-12)[21]。灌漿連接方式目前用于近海風(fēng)電固定基礎(chǔ)，該專利提出的海上風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架與海底樁基礎(chǔ)之間灌漿連接的結(jié)構(gòu)及過程如圖6所示。首先將4塊導(dǎo)向板以90°均布的方式焊接在導(dǎo)管架樁角，并在海底樁基中安裝環(huán)形封堵器；之后將樁角插入到海底樁基中的指定位置，此時(shí)環(huán)形封堵器、海底樁基及樁角形成灌漿腔；最后通過低位注漿管向灌漿腔內(nèi)灌注灌漿材料，待灌漿材料接近高位注漿管管口時(shí)，換用高位注漿管向灌漿腔內(nèi)灌注灌漿材料，待混凝土凝固時(shí)樁角安裝完畢。在灌注的過程中，由于連接片與樁基頂部并非密封，海水可從樁基頂部排出。借鑒該專利思路，可將該專利中的樁角改為插筒，實(shí)現(xiàn)筋腱插筒與海底樁基的灌漿連接，如圖7所示。

圖6 導(dǎo)管架樁角與海底樁基灌漿連接過程[21]

圖7 樁基插筒與海底樁基灌漿連接過程

2)底部連接器與插筒的連接。

筋腱鋼管通常無法直接和插筒連接，需在筋腱頭部安裝插頭(底部連接器)，插頭首先和插筒連接，目前可查的連接方式有彈性環(huán)連接、擋塊連接、“圓珠筆”連接和鎖環(huán)連接。

①彈性環(huán)連接(授權(quán)號(hào)：US 4320993，授權(quán)時(shí)間：1982-03-23)[20]。該專利設(shè)計(jì)的底部連接器結(jié)構(gòu)如圖8所示。其安裝過程為：在插筒安裝完畢后，將支撐環(huán)、加載環(huán)、壓縮環(huán)分別裝入插筒內(nèi)指定位置，并將O形環(huán)裝入底部連接器的外部凹槽中；之后，將底部連接器由上至下裝入插筒中，加載環(huán)會(huì)隨著底部連接器一起下降直至與壓縮環(huán)接觸，此時(shí)，加載環(huán)停止運(yùn)動(dòng)，底部連接器仍舊向下運(yùn)動(dòng)；由于加載環(huán)內(nèi)徑小于底部連接器外徑，加載環(huán)發(fā)生彈性張大，當(dāng)?shù)撞窟B接器外徑凹槽的下端剛剛越過加載環(huán)的位置，加載環(huán)彈性收縮進(jìn)入凹槽中，此時(shí)底部連接器停止下降，安裝完畢。O形環(huán)是為了防止淤泥進(jìn)入底部連接器與插筒之間的縫隙。

圖8 彈性環(huán)連接中底部連接器結(jié)構(gòu)[20]

②擋塊連接(授權(quán)號(hào)：US 4611953，授權(quán)時(shí)間：1986-09-16)[22]。該專利提出的底部連接器結(jié)構(gòu)如圖9所示，其安裝過程如圖10a～圖10c所示。當(dāng)?shù)撞窟B接器主體向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，上下部擋塊會(huì)沿著樁基“R”內(nèi)壁弧線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并在上部擋塊運(yùn)動(dòng)至樁基內(nèi)壁凹槽中時(shí)，鎖緊擋塊，完成安裝，通過上部擋塊與凹槽的相互作用對(duì)筋腱進(jìn)行固定。解鎖擋塊，抽出底部連接器使其向上運(yùn)動(dòng)，上下?lián)鯄K仍舊沿樁基內(nèi)壁軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，待底部連接器完全脫離樁基，則分離完畢，如圖10d～圖10f所示。

圖9 擋塊連接中底部連接器結(jié)構(gòu)[22]

③“圓珠筆”連接(授權(quán)號(hào)：US 4943188，授權(quán)時(shí)間：1990-07-24)[23]。該專利中連接器外部具有類似于圓珠筆筆頭的凸起結(jié)構(gòu)(見圖11)，其安裝主要依靠凸起按照?qǐng)D12所示的安裝軌跡運(yùn)動(dòng)至擋塊與導(dǎo)向鍵構(gòu)成的狹槽中，其與插筒分離同樣依靠凸起按照?qǐng)D12中的分離軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。

圖10 擋塊連接中底部連接器安裝與分離過程[22]

圖11 “圓珠筆”連接中底部連接器結(jié)構(gòu)[23]

圖12 “圓珠筆”連接中插頭安裝與分離軌跡[24]

④鎖環(huán)連接(授權(quán)號(hào)：US 7621698，授權(quán)時(shí)間：2009-11-24)[25]。該專利中的底部連接器具有獨(dú)特的鎖環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖13所示。在底部連接器的導(dǎo)向鍵沿著插筒導(dǎo)向鍵之間的狹槽插入插筒，并在鎖環(huán)到達(dá)預(yù)定下降位置時(shí)停止；之后鎖環(huán)按圖示方向旋入插筒導(dǎo)向鍵中的開槽，并到達(dá)鎖環(huán)鎖定位置，完成安裝。分離時(shí)，將鎖環(huán)按照?qǐng)D示中分離時(shí)鎖環(huán)旋轉(zhuǎn)軌跡旋出開槽并到達(dá)預(yù)定上升位置，之后將底部連接器垂直與插筒分離。插筒導(dǎo)向鍵對(duì)底部連接器導(dǎo)向鍵的限位可防止底部連接器相對(duì)插筒發(fā)生旋轉(zhuǎn)，同時(shí)開槽對(duì)鎖環(huán)的限制實(shí)現(xiàn)了底部連接器與插筒的連接。

3)筋腱與底部連接器的連接。

在實(shí)現(xiàn)插筒與樁基連接、底部連接器(筋腱插頭)與插筒連接之后，還需實(shí)現(xiàn)筋腱與底部連接器的連接，如此才能實(shí)現(xiàn)底部連接。筋腱與底部連接器連接除保證鉛直方向不發(fā)生結(jié)構(gòu)脫離外，還需滿足筋腱的傾斜運(yùn)動(dòng)，以及滿足漂浮式基礎(chǔ)受環(huán)境力作用位姿變化的需要。

因此，筋腱與底部連接器的連接一般通過圓弧形柔性元件與附加限位機(jī)構(gòu)對(duì)筋腱頂端進(jìn)行限位，同時(shí)滿足其小角度運(yùn)動(dòng)要求。各專利的連接內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖14所示；其結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別在于筋腱底端形狀及附加限位機(jī)構(gòu)不同，如表3所示。

圖13 鎖環(huán)連接中底部連接器結(jié)構(gòu)與安裝分離軌跡[25]

圖14 各專利的筋腱與底部連接器連接內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

表3 各專利筋腱底端形狀及限位方式

4.2.2 頂部連接

筋腱頂部同樣需要滿足小角度轉(zhuǎn)動(dòng)，其連接結(jié)構(gòu)同筋腱與底部連接器的連接結(jié)構(gòu)類似。

1)螺紋連接(授權(quán)號(hào)：US 5020942，授權(quán)時(shí)間：1991-06-04)[26]。該專利設(shè)計(jì)的頂部連接器由帶有階梯型軸肩的外殼、錐形螺紋塊、凸輪環(huán)及螺栓等部件構(gòu)成。筋腱先穿過基礎(chǔ)上的孔，之后按圖15中圖示位置依次安裝外殼、錐形螺紋塊等各部件，最后鎖緊螺栓。由于凸輪環(huán)上具有多個(gè)凸輪槽(見圖15)，且凸輪環(huán)與螺紋錐形塊之間通過銷連接，因此安裝完成后，對(duì)凸輪槽施加外力使凸輪環(huán)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)錐形塊旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而鎖緊筋腱，完成頂部連接。

圖15 螺紋連接中頂部連接器結(jié)構(gòu)圖[26]

2)卡瓦連接(授權(quán)號(hào)：US 7914234，授權(quán)時(shí)間：2011-03-29)[27]。該專利中的頂部連接器主要由卡瓦、碗狀結(jié)構(gòu)、柔性單元、支承件、下法蘭、圓頂、夾具構(gòu)成，如圖16所示。安裝時(shí)，筋腱依次穿過柔性單元、碗狀結(jié)構(gòu)、卡瓦及圓頂，之后用螺栓將圓頂與下法蘭固定以完成連接。筋腱與卡瓦之間過盈配合，當(dāng)筋腱受到向下拉力時(shí)，卡瓦會(huì)產(chǎn)生相反作用力并對(duì)其進(jìn)行限位。筋腱可以在柔性單元上進(jìn)行角度運(yùn)動(dòng)，而圓頂用于防止其運(yùn)動(dòng)角度過大。

圖16 卡瓦連接中頂部連接器結(jié)構(gòu)圖[27]

4.2.3 自連接

當(dāng)安裝深度較大時(shí)，單根筋腱長度無法滿足實(shí)際需求，需要進(jìn)行筋腱的拼接，在這種情況下需要使用筋腱自連接。較為常見的筋腱自連接方式主要有：卡環(huán)連接、梅林連接、螺紋連接等。

1)卡環(huán)連接[28]。首先將筋腱加工成制定樣式并進(jìn)行預(yù)連接，其次采用2個(gè)卡環(huán)對(duì)完成預(yù)連接的筋腱限位，最后將螺栓擰入卡環(huán)與筋腱上的螺紋孔中以固定整體結(jié)構(gòu)，如圖17所示。

圖17 卡環(huán)連接 [28]

2)梅林連接[28]。首先對(duì)上下筋腱預(yù)連接；之后從注射口向內(nèi)注入高壓油液，在高壓油液作用下藍(lán)色管直徑增大，紅色管直徑減小，兩管之間間隙增大，此時(shí)施加軸向壓力，使兩部分筋腱過盈連接；連接完畢后，打開卸油口使高壓油排出，如圖18所示。

圖18 梅林連接 [28]

3)螺紋連接。螺紋連接需要用到圖19中所示的連接器[28]，兩段筋腱分別與連接器上下部分焊接為一體，之后進(jìn)行內(nèi)外螺紋配合，完成連接。

圖19 螺紋連接 [29]

5 水下連接備用技術(shù)思考

TLP式基礎(chǔ)目前主要采用筋腱鋼管的連接方式，該方式強(qiáng)度大、穩(wěn)定性好，但限于筋腱鋼管的加工工藝，需要配備大量的接頭技術(shù)，制造與安裝成本不菲。參考現(xiàn)行的包括海洋平臺(tái)在內(nèi)的連接方式，下文對(duì)是否可采用錨鏈連接和纜索連接進(jìn)行簡要闡述。

5.1 錨鏈連接

錨鏈連接是通過浮力與自身重力進(jìn)行平衡，再利用輻射性的多根錨鏈將基礎(chǔ)固定于海底以限制其運(yùn)動(dòng)范圍的錨泊方式，一般用于Spar式或Semi-Sub式風(fēng)電基礎(chǔ)，具有制作簡單、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)。但采用錨鏈連接會(huì)受到環(huán)境力荷載作用，基礎(chǔ)位姿變化較大，導(dǎo)致錨鏈在長期服役過程中易腐蝕、鏈檔焊接處易疲勞破壞。錨鏈等級(jí)通常分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、R3、RQ3、R4、R4+、R5等。若基礎(chǔ)選用錨鏈連接，平臺(tái)用錨鏈等級(jí)需接近船用三級(jí)；同時(shí)為提升錨鏈耐腐蝕性能，錨鏈含碳量應(yīng)在0.03%以下，同時(shí)添加Cr、Ni等元素以提高錨鏈的沖擊韌性及疲勞強(qiáng)度；除此之外，錨鏈在安裝之前還需進(jìn)行防腐處理[30]。

5.2 纜索連接

纜索連接一般用于Spar式或Semi-Sub式風(fēng)電基礎(chǔ)的錨泊，若用于TLP式基礎(chǔ)，會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)位姿變化增大；但此方式水下連接簡單，施工與安裝方便。纜索連接通過纜索材料將基礎(chǔ)固定于海底，基礎(chǔ)回復(fù)力完全由纜索提供，對(duì)纜索材料的要求較高。常用材料有合成纖維繩[29,31-32]、鋼絞線[33]、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)[34]等。

纜索于海水中長期服役，處于繃緊狀態(tài)且頻繁受到外部荷載作用，故通常將材料抗拉強(qiáng)度、彈性模量、耐腐蝕性、蠕變性能、接頭復(fù)雜程度作為選擇指標(biāo)。表4對(duì)比了超高分子量聚乙烯Spectra 2000、鋼絞線及CFRP的基本力學(xué)性能[35-37]。

表4 纜索連接材料基本力學(xué)性能[35-37]

合成纖維繩質(zhì)量輕，可降低基礎(chǔ)負(fù)載；同時(shí)其強(qiáng)度高、耐磨性好、比重小、耐腐蝕，其中以超高分子量聚乙烯(HMPE)力學(xué)性能最為突出。但合成纖維繩存在蠕變問題[38]，30年服役時(shí)間可能導(dǎo)致蠕變伸長量超10%(50 m水深)，目前尚無直接解決方案。

CFRP強(qiáng)度高、耐疲勞、耐腐蝕、耐摩擦、密度低；但其抗剪強(qiáng)度低，其橫向抗剪強(qiáng)度僅為縱向抗拉強(qiáng)度的10%[39]，需配備專用接頭。

鋼絞線力學(xué)性能滿足要求，盡管抗拉強(qiáng)度不是最高，但可通過多根并聯(lián)的方式保證張拉強(qiáng)度；然而其與錨鏈一樣，存在腐蝕問題。

綜合而言，3種纜索連接材料存在各自優(yōu)缺點(diǎn)，在滿足基本要求的情況下，相比合成纖維繩的長期蠕變和CFRP的專用接頭問題，鋼絞線抗腐蝕問題解決的可行性較高，可作為備選方案的首選。

6 結(jié)論

深遠(yuǎn)海域風(fēng)電與陸上、近海風(fēng)電最大的不同在于其基礎(chǔ)從固定式變?yōu)槠∈健１疚慕Y(jié)合國內(nèi)外海上風(fēng)電市場與政策，詳細(xì)闡述了TLP式基礎(chǔ)的技術(shù)特點(diǎn)及其水下連接技術(shù)，為本項(xiàng)目實(shí)施過程中關(guān)鍵技術(shù)的二次開發(fā)提供了詳細(xì)的技術(shù)儲(chǔ)備。同時(shí)，本文對(duì)錨鏈連接及纜索連接中的3種材料進(jìn)行了簡要的力學(xué)性能與接頭技術(shù)對(duì)比，提出在解決鋼絞線連接的防腐問題的基礎(chǔ)上，其可作為水下連接備選方案的優(yōu)先選擇。