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65米水深+15MW风机 单桩该如何应对?

   日期:2020-06-08     来源:欧洲海上风电    浏览:1280    评论:0    
曾经,25米水深被认为是单桩基础的极限深度。然而现在,随着超大型单桩在40米水深的广泛应用,可以说行业已经进入后超大型单桩时代。

—— 欧洲海上风电

十几年前,对于海上风电的从业者来说,根本无法想象什么是10MW风机,什么是超大型单桩。可是今天,这些曾经的标杆却已被轻易超越。

超大型单桩:云林海上风电场,重1732吨,直径8米,长93米

对于后超大型单桩时代的单桩基础,要面对的挑战主要有:

15MW的风机和230米的风轮直径

极端的风荷载,尤其是飓风或台风驱动的风荷载

水深达65米

大西洋和太平洋的波浪载荷

面对这些极端的设计条件,单桩的直径将会超越8米甚至达到11米,长度也会达到前所未有的120米,管壁厚度甚至会接近150毫米。根据以上数据可推算出最终的重量将达到2400吨。

这样一个2400吨的巨无霸是否还经济?业主是否会选择导管架或者悬浮式的风机基础?这都是摆在单桩设计者面前的最直接的问题。如何降低后超大型单桩的重量已成燃眉之急。

钢厂主张使用高性能钢材,可是现在的单桩基础中普遍使用355的钢材,只在少数的节点使用420的钢材。最主要的原因还是因为单桩的设计主要是为了抵抗疲劳,提高钢材的强度并不会提高抵抗疲劳的能力。

而另一个选择就是提高直径-壁厚比,使得单桩变得更纤细。对传统的单桩设计来说,单桩直径和管壁厚度的比值有一个上限,这个上限根据具体的情况会定在90到120的范围内,每个项目都会有所不同。如果管壁过于薄,也就是说直径-壁厚比超过了这样一个上限后,在打桩过程中很容易局部屈曲导致爆桩。但对于单桩来说,越靠近桩底的位置,在后期的发电运营过程中受力越小。但是就打桩来说,越靠近桩底的位置,在打桩贯入过程中受的力却是越大。于是在桩底上方到桩运营最大受力位置之间存在着一段死桩,这段桩没什么太大的用处,却因为这个最大直径-壁厚比的限制,浪费掉了许多钢材。于是,提高大直径-壁厚比将会极大的减少这段死桩的用钢量。

研究显示,把极限直径-壁厚比提高到160是可行的。对于一个11米直径的单桩来说,采用这个极限直径-壁厚比使桩重降到2000吨以下成为可能。2000吨也是现在最先进吊机和安装船的极限吊装重量。160的直径-壁厚比是一个什么概念?普通的A4纸是0.1毫米,把它卷成手指手指般粗16毫米,就是一个迷你版的单桩。

在加工车间里,单桩都是水平摆放的。为了加工和移动的便利,会将单桩直接放到滚轮上。当管壁变得越来越薄时,滚轮间距的选择和摆放的位置就变得很讲究。错误的摆放将会导致应力集中,造成塑性变形,直接弄废一段单桩。

圆圈处为滚轮接触导致的应力集中区

当单桩的每一段都制作好后,要把它们都焊接起来。焊接时,单桩也是水平摆放的。当管壁变得越薄时,自重也有可能压垮它,使它产生很大的变形。显然,要把两个O型的东西焊接起来是不那么容易的,这也提高了焊接难度。必要时需要增加一些竖向支撑,以增加刚度减少变形。

单桩由于自重引起的变形

在车间中从一条生产线吊装到另一条生产线,需要用到C型梁。和滚轮同理,在接触面也会产生应力集中现象导致塑性变形。

C型梁吊装时引起的应力集中区(红色部分)

在储存过程中,对于1200吨位的桩来说,2到3个支撑位就够了。而对于后超大型单桩来说,可能就需要更多的支撑位,特别是在圆锥变细处,更应该注意强度变化引起的应力集中。

选择合理的摆放位置

综上所述,后超大型单桩时代的单桩会变得非常的纤细,所以在加工生产过程中每个步骤都必须要仔细思量:

注意滚轮位置

注意在焊接中增加必要的刚性

注意吊装设备

注意特殊的运输和摆放工况

对于以上环节,稍有不慎便会引起重大的生产事故。有时,为了保证,还必须添置一些重型装备,这也会导致增加成本。因此,生产厂商应尽早介入设计,在单桩的设计阶段就要把这些工况考虑进去——只有生产方和设计方紧密协作才能铸成一个安全可靠的后超大型单桩时代。

 
 

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