世界對可持續(xù)能源資源的追求意味著海上風力發(fā)電的快速發(fā)展在能源行業(yè)的未來發(fā)揮著重要作用。2021 年，全球新安裝了82 座海上風力發(fā)電機（WTG）發(fā)電廠，為280多座現(xiàn)役發(fā)電廠做出貢獻，并為世界電網(wǎng)增加21.1 吉瓦（GW）的風力發(fā)電。2022 年5 月，歐盟委員會發(fā)布了REPowerEU 計劃，旨在在2030 年之前讓歐洲從俄羅斯化石燃料中獨立出來。根據(jù)歐盟委員會的海上可再生能源戰(zhàn)略，到2030 年海上風電裝機容量至少達到6500 吉瓦，并計劃到2050 年將海上風電總裝機容量增加一倍以上，至少達到1.5 吉瓦，提供超過歐盟氣候中和所需電力的一半。

　　設計成果

　　● GFRP 復合材料接頭取代了導管架基礎接頭中的傳統(tǒng)接頭焊接。

　　● 與焊接導管架基礎接頭相比，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)性能，防止了化學腐蝕。

　　● 提高了風電機組的生產(chǎn)率并減少了風力發(fā)電機（WTG）運行前的排放。

　　隨著海上行業(yè)規(guī)模的擴大，WTG制造商正專注于通過減少資源密集型的制造和安裝來實現(xiàn)可持續(xù)的擴張，并對難以減少的運營前排放進行脫碳。

　　Tree Composites 是荷蘭的一家復合接頭設計和制造商，開發(fā)了一種玻璃纖維增強塑料（GFRP）復材接頭，用于連接WTG 基礎結(jié)構(gòu)中的鋼管構(gòu)件，取代了資源密集型焊接，顯著降低了運行前排放，并將基礎結(jié)構(gòu)制造吞吐量提高了100%。

　　基礎設計挑戰(zhàn)

　　根據(jù)水深不同，海上風電機組所使用的固定式支撐結(jié)構(gòu)會選擇單樁、導管架或浮動基礎形式。更深的水域通常有更優(yōu)化的風力發(fā)電條件。單樁基礎在經(jīng)濟上適用于40 米深的水域；導管架基礎則適用于40 至80 米深水域；這一深度也是風電機組行業(yè)大部分的投資方向。

　　導管架基礎通常由圓形橫截面的空心鋼管組成。該結(jié)構(gòu)的支腿被稱為弦桿構(gòu)件，由焊接支撐構(gòu)件支撐，以形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。每個鋼管的直徑通常約為1.5-2米，壁厚在50 至80 毫米之間。弦桿構(gòu)件在所謂的K、雙K、三K、T、X 或Y 接頭處連接到支撐構(gòu)件，字母表示接頭的形狀。

　　弦桿構(gòu)件通常使用樁子固定在海床上，以確保結(jié)構(gòu)的安全。施加在導管架基礎上的主要載荷是由于與海床接觸點周圍的風力所產(chǎn)生的傾覆力矩。傾覆力矩計算為水平荷載相對于基礎底座最極端角落產(chǎn)生的力矩。對風的反應轉(zhuǎn)化為弦桿上的垂直載荷和支撐構(gòu)件接頭處的角應力。因此，它們必須足夠強大才能應對。風荷載也是循環(huán)的，因此它們會在結(jié)構(gòu)的一些管道和接頭中引起振蕩疲勞。

　　此外，當渦輪機旋轉(zhuǎn)時，葉片在其后面產(chǎn)生壓力波，如果葉片落在結(jié)構(gòu)的固有頻率窗口中，可能會在塔架和基礎中引起共振激勵。如果壓力波頻率與風電機組結(jié)構(gòu)的共振頻率相匹配，系統(tǒng)可能會以更大的振幅響應，導致劇烈的搖擺運動和潛在的災難性故障。因此，結(jié)構(gòu)的設計必須避免任何荷載類型的共振，包括波浪、風和葉片通過頻率。

　　導管架基礎制造商不僅在投資新的設計，以克服這些挑戰(zhàn)并提高風電機組的部署率，而且他們還在為功率更大的風電機組開發(fā)更大的渦輪機支架，因為現(xiàn)有容量不足，無法滿足目標實施要求。

　　支架和弦桿交叉處復雜接頭的制造，是擴大WTG 行業(yè)規(guī)模最重要的挑戰(zhàn)之一。復雜的構(gòu)件節(jié)點對結(jié)構(gòu)的性能至關重要；接頭角度可以緊密到30°，通常由熟練的制造商手工焊接，生產(chǎn)過程緩慢而昂貴。

　　接頭處的焊縫在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了應力集中區(qū)，其局部應力是未焊接部分的40 倍，這使接頭的疲勞壽命減少了五倍之多。因此，為了對抗疲勞，需要大幅增加這些復雜焊縫位置的壁厚，以應對其使用壽命期間增加的應力。這種焊接方法是眾所周知的，但其替代方案已經(jīng)有了。

　　復合替代方案

　　2016 年，荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft）鋼與復合材料結(jié)構(gòu)助理教授Marko Pavlovic 受到家鄉(xiāng)附近一棵300 年樹齡的樹的啟發(fā)，提出了一個復合導管架基礎接頭的想法；為了拯救這棵樹，當?shù)厣鐓^(qū)用鋼管結(jié)構(gòu)把它支撐了起來。隨著時間的推移，支撐的樹在管道上和周圍生長，形成了結(jié)構(gòu)連接。因此，這棵樹能夠?qū)λ惺艿妮d荷做出反應，只在需要的地方生長額外的纖維。利用這一概念，Pavlovic 設計了一種預制復合材料接頭，其形狀為海上導管架基礎的K、雙K、三K、T、X 和Y接頭，以提供鋼管構(gòu)件之間的荷載路徑優(yōu)化連接，消除了資源密集型和易發(fā)生故障的焊接結(jié)構(gòu)。復合材料接頭結(jié)構(gòu)將由復合材料包裹物形成，以產(chǎn)生足夠大的結(jié)合表面，以重量和材料體積有效的方式承載應力，從而減少構(gòu)件界面處的極限載荷。

　　與研究海上風力渦輪機連接的代爾夫特大學校友Maxim Segeren 博士合作，第一個復合材料導管架基礎接頭套管原型于2017年在Versteden B.V.（荷蘭）建造。

　　優(yōu)化WTG結(jié)構(gòu)

　　該原型復合接頭是通過手工鋪層玻璃纖維增強塑料（GFRP）制成的，GFRP 是專門為海上應用選擇的，并用熱固性樹脂加固。復合接頭的長度、UD 層數(shù)及其方向可根據(jù)每個接頭的載荷要求定制。

　　該結(jié)構(gòu)在環(huán)境溫度下通過放熱反應而不是在高壓釜條件下固結(jié)。固結(jié)過程中沒有使用真空袋，制造是在氣候控制的工廠中進行的，以防止水分侵入并提供質(zhì)量控制。

　　載荷路徑優(yōu)化形狀朝著接頭根部增加厚度，減少了構(gòu)件界面處的應力集中，從而有助于獲得盡可能高的疲勞強度。Segeren 博士指出：“由于復合材料的高耐久性和靈活性，避免了焊接中常見的應力集中、殘余應力、脆化和缺口效應，抗疲勞性能得到了顯著提高。通過指定復合接頭和粘結(jié)界面，不需要過度設計管道的整體厚度；整個鋼結(jié)構(gòu)的設計可以考慮靜載荷，從而大幅減少壁厚。”

　　Segeren博士表示：“由于導管架基礎結(jié)構(gòu)中使用的鋼占風力發(fā)電機總生產(chǎn)碳足跡的70-80%，復合接頭將減少高達60% 的鋼材需求；這將使導管架基礎的碳足跡減少30-50%。”

　　穩(wěn)健測試

　　為了優(yōu)化其設計，代爾夫特大學對復合導管架基礎接頭進行了100 多次測試。由于要在海上作業(yè)，它需要符合環(huán)境條件，包括與風、水、空氣和地表的相互作用，即空氣和水的界面。

　　波浪會產(chǎn)生循環(huán)載荷，風會產(chǎn)生持續(xù)的力，導致蠕變應力，水可能具有腐蝕性。陽光也會對復合材料造成輻射和紫外線暴露應力。

　　試驗期間證明，復合接頭成功地控制了導管架基礎接頭荷載，甚至優(yōu)于未焊接導管架基礎鋼管構(gòu)件的疲勞性能，在鋼失效后保持良好的穩(wěn)定性。

　　在成功測試量化復合材料接頭在海上條件下的特性后，Segeren 與Versteden B.V.的P.Bogers和E.Simons于2020 年成立了Tree Composites，將復合材料接頭（即TC 接頭）推向市場。2020 年底， 認證機構(gòu)DetNorske Veritas（挪威Høvik）提供了TC 合資企業(yè)的可行性聲明，為TreeComposites 這項新技術(shù)的認證邁出了第一步。

　　與殼牌全球工業(yè)公司（荷蘭）和西門子歌美颯公司在海上風力渦輪機方面的合作伙伴關系，以及工程公司Enersea（荷蘭）、兩家導管架基礎制造商HSM offshore（ 荷蘭） 與Smulders（比利時）的合作，為在未來的風力發(fā)電機項目中使用TC 接頭提供了途徑。

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