海上风电风机基础钢管桩制造工艺

海上风电风机基础钢管桩制造工艺

刘咏

广东华蕴新能源有限公司  广东中山  528400

摘要：本文以广东某海上风电项目为例，较全面地阐述了海上风电风机基础钢管桩在陆地建造时的制作工艺方法及质量控制措施，对类似工程具有一定的指导意义。

关键词：海上风电；风机基础；钢管桩；制造工艺

引言

与陆地风机相比，海上风机受到台风、波浪、水流以及海水腐蚀等影响，由于所处环境的制约，海上风电风机基础的制造工艺较陆地风电要复杂。其中钢管桩是海上风电风机基础的重要构件，钢管桩的安全且高质量的建造施工对风机的安装使用具有重大意义。本文主要介绍了风机基础钢管桩在建造过程中的施工工艺方法以及质量检验控制，为现场施工者、检验员及项目管理人员快速熟悉和了解风机基础钢管桩的建造工艺提供一定帮助。

1.工程概括

广东某海上风电项目位于某市以东的近海区域。项目所处地距离西侧徐闻县陆域的最近距离10km，最远距离约20km，施工水深2～11m。项目规划面积约30km2，共布置36台容量为5.5MW抗台型风力发电机，总装机容量为198MW；风电场配套建设1座陆上集控中心，1座220kV海上升压站，风电机组通过8组35kV场内集电海缆接入海上升压站，升压后通过1回220kV海底电缆登陆接入陆上集控中心，然后以1回220kV架空线路接入闻涛变电站，线路长度约30km。

本项目风机基础说所采用钢管桩的单桩直径为6.5～7.0m，钢板主要为DH36材质，部分位置为DH36-Z35材质，板厚为70～80mm，单桩重量为900T～950T。

2.海上风电基础结构的不同形式

2.1桩基础结构

桩基础结构分为单桩、多桩和三脚桩基础。单桩基础由大直径钢管组成，是目前应用最多的风力发电机组基础。单桩钢管基础的优点是无需海床准备、安装简便；缺点是移动困难；并且于直径较大需要特殊的打桩船进行海上作业。

多桩基础由多个桩基打入地基土内，桩基可以打成倾斜或者竖直，中间以灌浆或成型方式连接塔架适用于中等水深到深水区域风场。多桩基础优点在于适用于各种地质条件、水深，重量较轻，建造和施工方便，无需做任何海床准备；缺点是建造成本高，安装需要专用设备，施工安装费用较高，达到工作年限后很难移动。

三脚桩基础由中心柱、3根插入海床一定深度的圆柱钢管和斜撑结构组成。钢管桩通过特殊灌浆或桩模与上部结构相连，可以采用垂直或倾斜管套，中心柱提供风机塔架的基本支撑，类似于单桩基础。这种基础由单塔架结构简化演变而来，同时又增强了周围结构的刚度和强度，在海洋油气工业中较为常见。

2.2重力式基础结构

重力式基础是最早应用于海上风电场建设的基础型式，靠其自身巨大的重量固定风机，有混凝土重力式基础和钢结构重力式基础两种型式。这种基础结构简单、造价低、受海床沙砾影响不大，抗风暴和风浪袭击性能好。缺点在于需要预先海床准备，海上施工周期较长；由于其体积大、重量大，使得安装起来不方便且运输费用较大。

2.3单立柱三桩

我国在大型单桩打桩设备存在瓶颈，单立柱三桩结构及时的解决了这个突出的难题。单立柱三桩风机基础又称为水下桩基础，其施工工艺的主要特点在于水下连接，具体步骤为，以三根中等直径的钢管桩先在海底定位，然后将三根桩按等边三角形布设，桩顶通过钢套管支撑上部三脚桁架结构，构成组合式基础，基础施工顺序为，沉放三脚架，通过导管打桩，导管与基桩的水下连接（可采用关注高强度化学浆液），水下焊接连接，三角桁架为预制构件，承受上部塔架荷载并将应力和力矩传递于三根钢桩，三脚桁架的预制钢构件设设置数根水平和斜向钢连杆，其分别连接三根钢套管和位于中心的上部竖向钢管，竖向钢管顶端设法兰与风机塔架相连接。 本基础的优势在于，不但成功解决了单桩桩径过大的问题，而且成本介于单桩和三腿导管架结构之间，综合水深和地质条件等诸多因素适用范围也比较广。

2.4多桩承台

多桩承台基础分为高桩承台与低桩承台，例如我国在建设东海大桥海上风电项目上采用了高桩承台结构基础，其主要选型原因是出于本风电场位于桥下航道区域，防止船舶碰撞。多桩承台对于施工设备要求并不高，国内能进行施工的船舶较多，施工工艺相对成熟很多，适合离岸15公里以内海域的风电场施工。

3.风机基础导管架与钢管桩的灌浆连接设计

风机基础导管架与钢管桩的连接方式，理论上可以采用以下二种，1、灌浆连接，2、水下焊接连接。实际上由于采用水下焊接连接难度及成本太大，且焊接质量难以保证，吸取国外海上风机基础导管架与钢桩采用灌浆连接的成功经验，灌浆连接在施工和连接效果上具有一定优越性，故导管架与钢桩采用灌浆连接。

通过在导管架腿柱（钢套筒）与桩之间的环形空间内进行灌浆，可以把平台荷载传递给钢桩。此荷载传递时由结构经过水泥至钢桩。试验工作表明，荷载传递机理是水泥浆与钢桩表面之间的粘合和密闭摩擦的综合作用，以及水泥浆对于诸如剪切键一类机械装置的承压作用。

根据《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法 工作应力设计法》，7.4节中桩与结构的灌浆连接的论述，可以采用普通的管连接及设置剪力键的连接。在钢管桩与导管架的连接面设置剪力键，可以增加承载能力，因此，采用设置剪力键的连接。

3.1灌浆料的选择

选用高强灌浆材料及特性，常用的灌浆材料包括水泥浆、环氧胶泥、高强灌浆料等。普通水泥浆价格低廉、施工简单，但其结石体抗压及粘接强度低、易收缩，难以满足要求。环氧胶泥在国外海上风电场导管架与桩基连接中有应用，连接效果可靠，但价格昂贵。高强灌浆料是以水泥、高强度材料作为主要原料，辅以高流态、微膨胀、防离析等物质配置而成，该材料具有大流动度、无收缩、变形小、早强及高强等特点。

3.2灌浆连接承载力设计

根据《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法 工作应力设计法》7.4节，导管架与桩之间的灌浆料能承受轴向力初步计算，导管架与钢管桩连接套管直径2700mm，套管长度初步5000mm，灌浆结石体与钢桩之间平均剪应力为0.637MPa，如果套管长度改为4000m，灌浆结石体与钢桩之间平均剪应力为0.796 MPa，以上两数据均远小于高强灌浆料的粘接强度。

灌浆材料如采用水泥砂浆，根据《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法 工作应力设计法》7.4节，需要设置剪力键才能符合要求。在极端工况下，设置剪力键的尺寸为间距310mm，高度31mm，名义容许轴向荷载传递应力为1.357MPa，水泥浆粘结强度可满足要求。

3.3灌浆连接疲劳设计

灌浆结石体承担的荷载即导管架计算出的支座反力，根据导管架疲劳荷载需要的支座反力进行疲劳分析，由于《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法 工作应力设计法》中没有相应灌浆料疲劳计算的要求，参考《混凝土结构设计规范》中混凝土疲劳容许应力的折减，对灌浆料结石体抗压强度及粘接强度进行折减。由于疲劳荷载产生的支座反力均大大小于极端工况的荷载，疲劳荷载下灌浆料承担的压应力、剪应力均较小。满足极端工况的灌浆连接可以同时满足疲劳要求。

4.结论

本文重点介绍了风机基础钢管桩在建造过程中各工种、工序的施工以及检验质量的要求，对规范施工者施工、贯彻全面质量管理方面具有一定的指导性作用。

参考文献:

【1】林兆启.钢管桩施工工艺及施工方法【J】.黑龙江科技信息，2008（1）∶ 203-203.

【2】谢志根，倪宗运，倪新华，等.钢管桩制造工艺中的几个要点【J】.造船技术，1992（5）;36-40.