(2013-04-03)
眼下，國內陸上風電發展如火如荼，海上風電也不甘勢弱。根據最新風能資源評價，全國陸地可利用風能資源3億千瓦，近岸海域可利用風能資源7億千瓦，共計約10億千瓦，海上風電發展潛力巨大。國家能源局的規劃顯示，中國希望在「十二五」末年海上風電裝機達到5gw，到2023年達到30gw。
預計將有幾千台海上風電機組需要建設。雖然海上風機存在著比較明顯的優勢，但因為我國的海上風機設計、施工安裝、運營維護的大部分單位傳統領域在陸上，在海洋工程領域上的基礎比較薄弱，同時，海洋相對陸上面臨著更複雜、更惡劣的環境條件，使得相比陸上風機，這些單位在海上風機的建設中面臨著許多技術難點。這需要從設計、施工安裝和執行維護過程三個方面去考慮。
從設計來說，陸上風機沒有諸如海洋上各種環境變化的影響，像頻繁的颱風、閃電、鹽霧等，這些自然環境就會產生對防腐蝕的要求，及考慮環境條件、地質條件、經濟效益的風機基礎的選擇和設計問題。
從施工階段來說，海上風電場的施工主要可以分為基礎施工和風機安裝兩部分。海上電場的建設面臨著環境條件複雜、可選擇安裝裝置少且操作要求高，且各項施工都受限於天氣條件等問題，這些都會對海上風機的打樁、運輸、吊裝、經濟性提出挑戰。在執行階段，因為海上風電的發展尚處於初步階段，海上風電場在執行階段可能會產生很多問題，主要是裝置的故障率較高，以機組葉片損壞、電纜疲勞損壞、齒輪箱損壞和變壓器故障等現象最為常見。
因此，需要對機組進行維護，包括定期的檢查清潔和故障的維修處理。故障的維修處理較陸上而言難度大、費用高，特別在海況惡劣時，維修人員難以接近，故障無法排除，從而增加停機時間，影響經濟效益。
以上這些風機在走向海上面臨的技術問題，嚴重影響著風電這個擁有廣闊前景的綠色能源的發展速度，而作為海洋工程的先行者，海洋石油工程的設計、建造、營運、檢驗技術已經有百年的歷史，世界上第一座固定式平台始建於2023年，積累了豐富的經驗。如何有效地利用這些技術資源將是海上風機發展面臨的重要任務。
海上風機基礎當前的主要型式是固定平台型式，主要包括筒型人工島基礎、單樁基礎、重力基礎、簡易導管架基礎和一般導管架基礎等，適用於灘淺海區域；未來面向深海的承載基礎為浮式結構，主要包括張力腿平台、半潛平台、塔桶平台、船型平台等。固定式基礎■筒型人工島
筒型人工島也叫環壁式鋼模－混凝土人工島，就是把環型鋼模在灘海就位後，在內外壁之間澆注混凝土成為整體環壁，座落或由樁基固定在海底，填芯後形成的灘海結構物。該基礎型式的設計、建造港工單位比較有經驗，在設計時要考慮環壁鋼模的浮拖分析、島體的靜力分析和**分析、地基承載力分析、打樁分析和沖刷影響等，施工時符合港工
規範的相關規定就能滿足要求，如《灘海環壁式鋼模－混凝土人工島結構設計與施工技術規範》。
但相對來說，其僅適用於灘淺海，因為水深對基礎的造價影響非常大。為了應用於較大水深，上海東大橋海上風電場採用了「高承臺群樁式高樁承臺基礎」，也是海岸碼頭和橋墩基礎的常見結構。同樣，這種基礎造價也較高，但可以有效地利用港工的設計、建造經驗和裝置。
■單樁基礎
單樁基礎是海洋工程的乙個基本型式，同時它也是海上風機在淺海的一種理想型式，結構簡單，造價低。
這種單樁結構一般有兩種安裝方法，一種為到達指定地點後，直接用打樁錘將單樁基礎打樁至設計的海底深度，另一種是使用鑽孔機在海床上鑽孔，裝入樁後再用水泥澆注。但相對海洋工程的單樁結構，海上風機因為塔桶較高，為了增加基礎剛度，其單樁相對現有的海洋工程單樁直徑要大的多，這樣導致我國現有的打樁裝置沒有能力或者沒有這方面的經驗，為了推進這種基礎結構在我國海上風場開發上早日應用，需要業界加強合作。■重力式基礎
重力基礎分為混凝土重力基礎和鋼製重力基礎，前者製造工藝簡單，完全依靠自身的重力置於海底，適合於各種型別的海床。世界最早的風電場採用的便是混凝土基礎，但由於其巨大的質量（最大可達1800t）使得運輸非常困難。後者同樣依靠自身重力固定風機，但其鋼結構質量依據不同海況只有80t～110t，便於安裝和運輸。
安裝就位之後需要向鋼製基礎中澆注具有高密度的石頭壓載，且鋼質結構易腐蝕。通常來講，重力式基礎適合水深比較淺的位置，但在過淺的位置會受到波浪的影響。由於重力基礎製造過程在岸上，且不需要打樁，因而成本較低。
在置放重力基礎前需要對海底進行預先的平整處理，鑿開海床表層換一層沙礫層。之後使用駁船運送或漂浮拖駁至場址，基礎就位之後再用混凝土將其周邊固定。
重力基礎安裝雖簡單，但當前隨著海上風機的大型化，對重力基礎的穩性提出了更高的要求，這樣促使需要進一步評價重力基礎的經濟性和當前吊裝能力所能滿足的最大重量和水深。
■簡易導管架型式基礎
簡易導管架平台是為了提高海上邊際油田開發經濟性的新型結構，常見的是三樁結構，其採用了重量輕、**合算的三腳鋼套管，三根樁通過乙個三角形鋼架與中心立柱連線，風電機組塔架連線到立柱上形成乙個結構整體。風塔下面的鋼樁分布著一些鋼架，這些框架分散了塔架對於三個鋼樁的壓力，增加了基礎的穩定性。實際上，這種基礎是由組成三角形模式的三根單樁構成的。
這種型式的基礎，當前海洋工程的設計、建造、安裝、檢驗和發證管理方面的經驗完全能滿足，需要注意的是在當前海洋工程物的設計中，疲勞強度並不作為控制因素，而對於海上風機，疲勞強度控制將是最關鍵的因素，同時也會影響到結構設計的相應調整。■一般導管架型式基礎
導管架平台是海上油田常用的固定式平台結構，其基礎是由導管架和鋼管樁組成的支撐結構，具有剛度更大、穩定性好等特點。也是海上風機可以應用的基礎，它相對簡易導管架基礎能適用更大的水深和有更好的剛度，一般有4腿、6腿、8腿等對稱結構型式。該型別基礎是近海石油開發最成熟的結構型式，在基礎的設計、建造、安裝、檢驗到發證管理等方面的技術和裝備方面，海洋工程業界都積累了豐富的經驗。
該型別基礎應用於海上風機的基礎技術上沒有太多的問題，主要是經濟性的考慮。同時，和簡易導管架型式一樣，要注意疲勞強度的保證和基礎動態效能的影響。浮式基礎
浮式結構是海上風機將來走向深水的基礎型式，也是海洋工程在較深水和深水的主要結構型式，其通過繫泊系統繫泊於海上用於鑽修井、油氣處理、儲存及裝卸。最常見的是半潛式平台，我國近年在這方面的設計、建造能力提高很快，世界上最先進的深水半潛平台，我國的「海上石油981」也已於近期下水作業。浮體結構的設計中有關水動力分析、穩性分析、效能分析、尺寸計算、總體強度計算、繫泊分析，製造、安裝、試驗及海上營運和檢驗，我國海洋工程界已掌握了主要的關鍵技術，並積累了豐富的實踐經驗。
海上風機的浮式基礎，在設計、建造、安裝、試驗、營運和檢驗方面，當前海洋工程界的設計和裝備能力基本能滿足要求。但需要深入分析因經濟性和安全性對結構設計和安裝裝置的不同要求，如浮體結構的分艙、消防救生、安全裕度等不同的考慮，安裝裝置的快速性和頻繁遷移特性；還有因為風機的葉片及塔架對基礎的影響明顯超過油氣平台，所以應重點考慮其對穩性、動態性等方面的影響。浮式平台分析
有關浮式平台的分析計算主要是：水動力分析、整體強度計算、屈曲計算、穩性分析、疲勞分析和錨泊分析的一般特點和主要手段。■水動力分析
大型浮體的水動力分析一般採用採用aqwa、sesam等軟體分析，這些軟體一般基於頻域三維線性勢流理論。計算的主要內容包括：目標平台在規則波中的響應幅值運算元；浮式平台在不規則波海況中的剖面控制載荷短期預報。
然後，根據得到的預報極值對應的波浪自身引數和相對平台的相位，找到在該瞬態情況下的平台溼表面水動壓力，並通過自行開發的程式，將計算得到的溼表面水動壓力自動對映到結構分析的有限元模型上去。一般要
求計算拖航、生存和作業三種工況。■整體強度分析
整體強度分析是根據基礎設計圖紙和相關資料，建立浮式平台的整體有限元模型，該模型涵蓋平台所有的主要結構構件。一般可採用等通用有限元軟體進行結構計算，把採用三維水動力軟體如aqwa計算得到的水動力載荷，載入到結構模型上。一般需要計算平台的拖航、作業和生存三種工作狀態。
■屈曲計算
在浮體整體強度計算的基礎上，還要進行屈曲計算。依據整體強度計算結果，分別選取上船體、立柱、橫撐和浮體結構中的高壓應力和剪應力的區域進行屈曲強度校核。屈曲強度的校核可以依據中國船級社或美國船級社的相關要求進行，對選定的板格一般進行五種模式的計算：
1）平板屈曲狀態；2）平板極限狀態；3）加筋板柱狀屈曲；4）側向扭曲；5）側向壓力。■穩性計算
對於浮體結構，一般要求計算它的完整穩性和破艙穩性。
通過完整穩性計算分析得到平台完整狀態下各吃水的許用重心高度。完整穩性計算中，每乙個吃水對應乙個工況。首先需要為平台設定乙個初始重心高度，得到完整穩性計算結果，對比計算結果和規範要求，調整重心高度多次計算，直到所有進風角情況下剛好能夠滿足規範的所有要求為止，此時平台的重心高度就是該吃水下的完整許用重心高度。
通過破損穩性計算分析得到平台破損狀態下各吃水的許用重心高度。首先根據規範規定的破損範圍要求確定各破損艙室及破損艙室組合，每一種破損情況對應乙個破損工況，接著為平台設定乙個初始重心高度，得到破損穩性計算結果，對比計算結果和規範要求，調整重心高度多次計算，直到所有進風角情況下剛好能夠滿足規範的所有要求為止，此時平台的重心高度就是該破損工況下平台的許用重心高度，對比該吃水時不同破損工況的許用重心高度結果，其中最小值就是該吃水時平台的破損許用重心高度。
中國船級社《海上移動平台入級規範》（2012）中詳細規定了對浮式平台完整穩性和破艙穩性的各項要求。
計算浮式平台的主要軟體有stabcad和moses等。■疲勞分析
疲勞失效是海洋平台結構破壞的主要形式之一。疲勞強度的校核一般採用基於譜分析的疲勞強度直接計算法，對平台易產生疲勞失效的各種節點進行搜尋分析，根據計算分析結果，給出結論和建議。疲勞計算相關要求可以參照中國船級社和美國船級社的相關規範。
海洋石油工程用平台的疲勞破壞主要是波浪載荷的作用，海上風機用浮體基礎還要考慮風機本身的疲勞載荷影響。
浮體的疲勞計算可以用等軟體建立整體模型，然後對關鍵節點位置進行區域性細化。■錨泊分析
錨泊分析為了驗證平台基本設計中不同水深下錨泊系統結構的有效性和可靠性，進而論證平台的錨泊線張力和偏移量等是否滿足規範的衡準要求。規範可參照中國船級社的《海上移動平台入級規範》（2012），其計算一般可採用ansys公司的aqwa等其它軟體進行。
從前面的分析可以看出，不論對於現在廣泛應用的各種固定式海上風機基礎型式，還是將來深水區應用的浮式基礎型式，從其設計到建造、運輸、安裝、營運、檢驗和工程設施等方面，海洋工程領域都積累了豐富的經驗。如果在認真分析海上風機本身特點的基礎上，積極地結合海洋工程的成熟經驗和裝置，將會有效地提高海上風機的安全性和經濟性，促進海上風機的快速發展。
**：中國船檢
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