程子碩 晁鵬飛 何杰 孔先輝 馬洪巖

摘要：為歸納海上風機基礎(chǔ)防撞設(shè)施的基本型式及浮式防撞型式的應用技術(shù)難點，以福建省興化灣海上試驗風場為例，概述了風機基礎(chǔ)被動防撞、主動防御型式的優(yōu)缺點和適用條件。針對浮式防撞設(shè)施的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合研究海域的水文環(huán)境、氣候條件等因素，重點探討了浮式防撞設(shè)施在海上風機基礎(chǔ)防撞應用中面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題，給出了防撞標準、耐撞性能、疲勞損壞及環(huán)境適應性等方面的研究方向及建議。

關(guān)鍵詞：風機基礎(chǔ);海上風電;防撞型式;浮式防撞;船樁碰撞;疲勞損壞

中圖法分類號：TK83文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.008

文章編號：1006 - 0081（2021）07 - 0040 - 05

海上風電因節(jié)約土地、風資源儲備量大及靠近用電市場等天然優(yōu)勢，得到了快速發(fā)展。海上風電場場址范圍與海上航線、傳統(tǒng)漁場等區(qū)域逐漸靠近甚至交叉存在，船舶與海上風機基礎(chǔ)發(fā)生碰撞的概率也隨之大大增加[1]。一旦發(fā)生船舶碰撞事故，風機基礎(chǔ)將可能發(fā)生失穩(wěn)、傾斜等問題，影響風力發(fā)電機的正常運行，造成較大的發(fā)電量損失和產(chǎn)生安全風險，且船舶也會因碰撞造成損傷，嚴重時甚至會發(fā)生燃料泄露和沉船事故，造成重大環(huán)境污染和人員傷亡事件[2]。

李艷貞[3]、Bela[4] 等分別運用非線性有限元模擬船舶側(cè)向撞擊海上風機導管架、單樁基礎(chǔ)的碰撞過程，表明不利條件下撞擊事故會造成風機基礎(chǔ)損傷，但沒有給出主動防御或被動防撞型式的具體措施以減少碰撞損害。楊思遠[5]模擬分析了有無防撞設(shè)施的船撞基礎(chǔ)過程，結(jié)果表明：有防撞設(shè)施的碰撞過程時間延長，最大撞擊力降低，但文中主要研究了防撞設(shè)施材料的性能參數(shù)，并沒有涉及防撞標準、環(huán)境適應性等關(guān)鍵指標的研究。

中國近海深水風電場建設(shè)處于起步階段，技術(shù)尚未完全成熟，對海上風機基礎(chǔ)浮式防撞設(shè)施研究不多，也較少有標準規(guī)范可供參考。本文在分析了國內(nèi)海上風機基礎(chǔ)防撞型式及特點的基礎(chǔ)上，介紹了不同防撞型式的適用范圍，重點探討了風機基礎(chǔ)浮式防撞設(shè)施關(guān)鍵指標、防撞體耐撞性、連接件性能及疲勞損壞機理等方面的技術(shù)難題，并給出了研究的基本思路和方向，可供海上風電相關(guān)研究人員參考。

1 防撞設(shè)施基本型式及適用性

1.1 主動防御

一般認為，主動防御是依靠安裝在風機基礎(chǔ)上的探測裝置、攝像工具等，在撞擊事故發(fā)生之前及時發(fā)現(xiàn)靠近的船舶，并通過監(jiān)控中心發(fā)出警告等方式提醒靠近的船舶注意避讓，進而構(gòu)建全天候海上風場船舶航行的監(jiān)控、預警系統(tǒng)。主動防御的主要特點是基于AIS數(shù)據(jù)、雷達數(shù)據(jù)等對海上風場區(qū)域通航的船舶行為預測分析，在考慮風、浪、流等外界環(huán)境干擾的影響下，預測某段時間范圍內(nèi)船舶的航行軌跡，并判斷船舶通行危險區(qū)域，確定風機安全范圍。福建興化灣海上試驗風場的主動防御系統(tǒng)包括雷達、AIS、VHF（甚高頻電波）、CCTV（閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)）、掃海燈和服務(wù)器等，設(shè)備主要功能和作用見表1。該主動防御系統(tǒng)自投入使用以來，在實際應用中較好地預警了進入風場周邊的風險船舶，避免了碰撞事故的發(fā)生。

主動防御的難點在于如何準確及時發(fā)現(xiàn)靠近的船舶，尤其是發(fā)現(xiàn)缺少或關(guān)閉船舶自動識別系統(tǒng)的漁船等船舶，并評估與風場基礎(chǔ)發(fā)生碰撞的可能性。此外，在船舶失去控制的情況下，主動防御預警攔截方案將不再適用，此時失事船舶噸位可能更大，速度也相對更快，一旦發(fā)生碰撞事故造成的損失較大。因此，主動防御方案在應對不受控制的船舶、漂浮物等碰撞風機基礎(chǔ)事故方面需要進一步研究。

1.2 被動防撞

被動防撞是在發(fā)生船舶撞擊風機基礎(chǔ)事故時，能夠依靠自身的結(jié)構(gòu)強度盡量減小基礎(chǔ)損傷的結(jié)構(gòu)型式。常見的風機基礎(chǔ)附著式被動防撞設(shè)施主要采用橡膠護舷、靠船柱等固定式防護結(jié)構(gòu)，即依靠風機基礎(chǔ)附屬結(jié)構(gòu)提供靠泊抵抗力。這種設(shè)計方案簡單易用，但限制也同樣突出。一方面防撞能力過小，難以適應海上風機基礎(chǔ)越來越高的防撞性能要求。另一方面，護舷等結(jié)構(gòu)的主要作用是風機基礎(chǔ)的登乘系統(tǒng)，僅具備某些方向——大多是漲潮或者落潮方向的防撞能力，無法防范來自風機基礎(chǔ)四周各個方向的船舶撞擊（圖1），且由于漲落潮水位變化大，固定式的防撞型式導致保護基礎(chǔ)范圍有限。

另一種提高海上風機基礎(chǔ)被動防撞性能的方法是增加基礎(chǔ)自身剛度，優(yōu)化基礎(chǔ)型式，依靠基礎(chǔ)自身強度抵抗船舶撞擊力。這種方式會造成風機基礎(chǔ)剛度富裕，樁基鋼管壁厚變大，需要耗費大量鋼材，增加基礎(chǔ)造價，進而影響整個風場的經(jīng)濟可行性。且此種方法設(shè)計的防撞能力一般較低，因壁厚過大導致的邊際效應、經(jīng)濟性等原因造成防撞性能上限提高幅度不大，只能抵擋能量較小的船舶碰撞，留下了安全隱患。

近期，一些研究人員借鑒跨海大橋橋墩防撞型式結(jié)構(gòu)，提出了海上風機基礎(chǔ)浮式防撞設(shè)施的概念[6-8]。浮式防撞設(shè)施屬于被動防撞的一種特殊型式，主要由防撞體、連接件、附屬結(jié)構(gòu)等構(gòu)成，最大優(yōu)點是能夠隨水面上下浮動，防撞性能高，結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，從而達到節(jié)省材料，降低造價的目的。浮式防撞尤其適用于潮差變化大、浪涌變化幅度小的區(qū)域，可在較高性價比的基礎(chǔ)上，使基礎(chǔ)保護范圍足夠大。作為柔性防護的一種常用結(jié)構(gòu)型式，浮式防撞不僅能夠?qū)︼L機基礎(chǔ)起到較好的保護作用，同時也能夠最大程度降低撞擊船舶的損傷，避免撞擊事故造成的損失進一步擴大。

1.3 不同防撞結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)缺點及適用性

不同的海上風機基礎(chǔ)防撞結(jié)構(gòu)型式具有不同的優(yōu)點和適用性（表2），主動防御可以做到提前預警，最大程度避免撞擊事故發(fā)生，但其在防御失控船舶、大型漂浮物等方面作用不大，因此適用于船舶應答設(shè)備齊全、風場毗鄰航線的近、遠海風電場;以附著式和依靠自身剛度為代表的被動防撞型式因其方案簡單易用、施工方便仍有一定的運用價值，考慮到其防撞能力不高，因此該方案往往應用于航行船舶噸位小、潮差變化小的近海淺水風電場;作為一種新型柔性防撞結(jié)構(gòu)，浮式防撞具有防護范圍大、防撞能力高、適應性強的特點，但目前應用技術(shù)不夠成熟，面臨的一些技術(shù)難題亟待解決。

2 浮式防撞設(shè)施應用技術(shù)難點

2.1 海上風機基礎(chǔ)防撞標準

浮式防撞設(shè)施的根本作用在于發(fā)生船舶撞擊風機基礎(chǔ)事故時，避免基礎(chǔ)發(fā)生不可修復的損壞，影響風力發(fā)電機組正常功能，以及可在一定程度上降低撞擊事故對船舶產(chǎn)生的損傷。因此在進行浮式防撞設(shè)施設(shè)計時，風機基礎(chǔ)的防撞標準必須明確。海上風機基礎(chǔ)防撞標準是進行防撞設(shè)計的首要條件，只有根據(jù)防撞指標設(shè)計浮式防撞設(shè)施，才能達到技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的效果。

目前，國內(nèi)海上風電場的被動防撞設(shè)施主要參考DNVGL、ISO19902、API等海洋結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范推薦的指導方法設(shè)計[9-11]，一般給定船舶失控速度為0.5 m/s，即使在極限工況下，船舶失控速度也僅按工程所在海域的潮流速度控制，約為2.0 m/s，遠遠達不到防護基礎(chǔ)的作用。以福建興化灣海上試驗風場為例，工程海域防撞標準的確定（圖2），首先，需要分析AIS數(shù)據(jù)獲得通航船舶的速度、噸位、頻次、船型、偏航角等參數(shù)的概率分布，確定可能發(fā)生撞擊事故的船舶速度、噸位和撞擊發(fā)生位置等參數(shù);其次，統(tǒng)計工程海域的水文資料、水流速度、波浪參數(shù)、防撞水位、航道概況等參數(shù)，基于數(shù)值模擬和模型試驗，確定不同基礎(chǔ)型式的經(jīng)濟可行的防撞標準。

2.2 防撞體耐撞性能及結(jié)構(gòu)型式

浮式防撞設(shè)施通過延長碰撞時間，緩沖消減船舶撞擊力峰值[12]，使最終傳遞到基礎(chǔ)的撞擊力小于基礎(chǔ)設(shè)計荷載，進而保護風機基礎(chǔ)安全。海上風機基礎(chǔ)多種型式并存，不同的基礎(chǔ)型式對防撞性能及結(jié)構(gòu)型式的要求不同，如導管架基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)和浮式風機基礎(chǔ)等就需要分別考慮不同的防撞型式及性能要求。防撞系統(tǒng)如何與不同基礎(chǔ)實現(xiàn)良好的兼容性，即在不影響風機基礎(chǔ)主體功能的前提下，又具備良好的防撞功能，需要特別關(guān)注。對防撞系統(tǒng)整體防撞性能的研究需要綜合考慮風機基礎(chǔ)型式、風浪條件、水位變化以及通航船舶噸級、碰撞速度等因素[13]，根據(jù)海上風機基礎(chǔ)-船舶碰撞特點，確定經(jīng)濟安全的結(jié)構(gòu)型式。

防撞體通常由起支撐作用的鋼骨架，高彈性、低密度、吸能好的填充物，耐高鹽、耐防腐的表層復合材料組成[6，8]。耐撞性能的研究需要給出量化指標，如防撞結(jié)構(gòu)在一定的受力變形下，能夠吸收多大的撞擊能量，產(chǎn)生多大范圍的反力等關(guān)鍵參數(shù)。由于船-防撞結(jié)構(gòu)-風機基礎(chǔ)相互作用下的船撞動態(tài)響應屬于高度非線性行為，選用材料也是非標構(gòu)件，現(xiàn)有規(guī)范和簡化公式無法解決該問題，需通過模型試驗驗證數(shù)值仿真結(jié)果，以獲得理想的材料參數(shù)、單元尺寸及失效模型[5]，為風機基礎(chǔ)船撞損傷研究提供數(shù)據(jù)支撐。

2.3 連接件性能及疲勞損壞機理

近海深水區(qū)域海洋水文條件惡劣，環(huán)境荷載復雜，對浮式防撞設(shè)施的連接件性能要求較高，以保證防撞系統(tǒng)的可靠性及安全性。浮式防撞設(shè)施體積龐大，往復波浪載荷是其主要受力，連接處在波浪彎矩的長期作用下會產(chǎn)生疲勞損傷。這些損傷隨著時間推移逐漸加重，最終導致防撞系統(tǒng)的損毀及失效。風機基礎(chǔ)設(shè)計使用年限在25 a左右，如果無法解決連接處的疲勞損壞問題，浮式防撞設(shè)施的規(guī)模應用將處處受限。

考慮到實物模型試驗花費較大，費時費力，可通過數(shù)值分析方法，模擬浮式防撞結(jié)構(gòu)在波浪和靜水力作用下的受力情況，得到整體結(jié)構(gòu)和連接節(jié)點的彎矩、剪力等數(shù)據(jù)，進而研究有效措施保證正常使用工況下防撞結(jié)構(gòu)的安全。模擬過程中，波浪譜的輸入選擇非常重要，越貼近實際工況，分析結(jié)果將越準確。

2.4 環(huán)境適應性和運維便利性

海上施工條件較為艱苦，施工效率低，存在安全風險，加之施工窗口期較少，作業(yè)時間大幅降低[14]。這就要求浮式防撞設(shè)施應當結(jié)構(gòu)安全可靠、運輸簡便、安裝容易、拆卸方便，并便于養(yǎng)護維修。海上浮式防撞設(shè)施客觀上所面臨的惡劣自然環(huán)境包括鹽霧腐蝕、紫外線照射、海浪沖擊、臺風破壞等。因此防撞設(shè)施結(jié)構(gòu)本身要具備較強的海上環(huán)境適應性、較高的耐腐蝕性、抗疲勞損壞以及結(jié)構(gòu)強度，應當較長時間內(nèi)不用拆換或者養(yǎng)護，除連接部位的抗疲勞損壞外，防腐性能及相關(guān)優(yōu)化也值得開展專題研究。

3 結(jié) 語

隨著國內(nèi)海上風電進入大規(guī)模開發(fā)期，風場場址不可避免地會與傳統(tǒng)漁業(yè)區(qū)、航線等相互毗鄰，船舶撞擊風機基礎(chǔ)的風險客觀存在。目前，國內(nèi)對于海上風機基礎(chǔ)防撞方面的研究還不夠充分，包括業(yè)主、設(shè)計單位在內(nèi)的參建各方還沒有意識到防撞設(shè)計的重要性，以至于防撞設(shè)計理念大大落后于風機基礎(chǔ)設(shè)計理念，在防撞設(shè)施與風機基礎(chǔ)一體化設(shè)計方面進展緩慢，無法達到最優(yōu)的防撞結(jié)構(gòu)型式。海上風機基礎(chǔ)受到船舶撞擊會影響風機發(fā)電效益，嚴重時甚至造成風機癱瘓。浮式防撞設(shè)施可有效提高風機基礎(chǔ)的防撞能力，在海上風電場應用中的技術(shù)難題值得深入研究。本文在歸納總結(jié)海上風機基礎(chǔ)防撞基本型式及特點的基礎(chǔ)上，針對浮式防撞設(shè)施在海上風機基礎(chǔ)防撞應用方面面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題展開探討，提出了進一步研究的方向，并給出了研究的基本思路。

參考文獻：

[1] 楊逸飛. 海上風電項目建設(shè)對船舶通航安全影響研究[J]. 中國水運（下半月），2020，20（4）：9-10.

[2] 程子碩，王磊，蔣光遒，等.? 一種用于海上風機基礎(chǔ)的雙重防撞系統(tǒng)：CN108661012A[P].? 2018-10-16.

[3] 李艷貞， 胡志強， 鄒早建.? 船舶撞擊速度對海上風電站結(jié)構(gòu)抗撞性能的影響[J].? 江蘇科技大學學報（自然科學版）， 2010（3）：213-216.

[4] BELA A， LE SOURNE H， BULDGEN L， et al. Ship collision analysis on offshore wind turbine monopile foundations[J].? Marine Structures， 2017（51） ：220-241.

[5] 楊思遠.? 新型海上風電基礎(chǔ)防撞裝置耗能性能及機理分析[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2018.

[6] 程子碩.? 一種海上風機基礎(chǔ)分級浮式防撞設(shè)施：CN109878651A[P].? 2019-06-14.

[7] 歐寅華，賴福梁，宋啟明，等.? 一種海上風機基礎(chǔ)漂浮型防撞系統(tǒng)：CN205776091U[P].? 2016-12-07.

[8] 程子碩，王磊，蔣光遒，等.? 一種可限位登乘的浮式防撞裝置：CN208328841U[P].? 2019-01-04.

[9] DET NORSKE VERITAS. DNVGL-RP-C204 Design against Accidental Loads[S].? Norway： DNVGL， 2017.

[10] API R P.2A- WSD Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms[S].? Washington D C：American Petroleum Institute， 2007

[11] INTERNATIONAL? ORGANIZATION? FOR? STANDARDIZATION. Petroleum and Natural Gas Industries-Fixed Steel Offshore Structures： ISO 19902[S].? Switzerland： ISO，2007.

[12] 韓志偉， 李春， 周紅杰，等.? 海上風力機多層材料防護裝置在船舶碰撞下動力響應分析[J].? 熱能動力工程， 2019，34（9）：148.

[13] 郝二通.? 海上風電機組結(jié)構(gòu)抗船撞及抗震性能研究[D]. 大連：大連理工大學，2016.

[14] 程子碩. 海上風機基礎(chǔ)嵌巖群樁施工技術(shù)研究[J]. 人民珠江，2020，41（11）：76-80.

（編輯：江 文）

Analysis of anti-collision type and floating anti-collision facilities for offshore wind turbine foundation

CHENG Zishuo，CHAO Pengfei，HE Jie，KONG Xianhui，MA Hongyan

（Fujian Yongzheng Construction Quality Inspection Co.， Ltd.， Fuzhou? 350012， China）

Abstract：In order to summarize basic types of anti-collision facilities of offshore wind turbine foundation and the application technical difficulties of floating anti-collision type， taking Xinghua Bay offshore test wind farm in Fujian Province as an example， the advantages， disadvantages and applicable conditions of wind turbine foundation with passive anti-collision type and active defense type were analyzed.? According to the structural characteristics of floating anti-collision facilities， combining with the hydrological environment and climatic conditions of the research sea area，we discussed the key technical issues of floating anti-collision facilities of offshore wind turbine foundation in application， and gave the research direction and suggestions of anti-collision standards， anti-collision performance， fatigue damage and environmental adaptability.

Key words：wind turbine foundation;offshore wind power;anti-collision type;floating anti-collision;ship-pile collision;fatigue damage