在役风电机组基础加固技术分析
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摘要：随着化石能源的逐渐枯竭以及全球碳排放要求的更加严格，风电场为追求发电量提升而开展的叶片加长、附件增功及塔架增高等技改项目显著增多，这都直接导致风电机组基础承受的载荷倍数增大，需要对在役风电机组基础进行加固以满足发电容量提高的需要。蒙东地区地下水条件复杂，含盐高，需采取有针对性的特殊防盐措施。
关键词：风力发电；风电机组基础；加固技术
近年来新装机风电机组单机容量持续增大，同容量机组向着大风轮、长叶片方向发展。风电场为追求发电量提升而开展的叶片加长、附件增功和塔架增高等技改项目显著增多，这都直接导致风电机组基础承受的载荷增大，进而引发故障频率明显增加。同时，老旧小功率风电机组也有改造为大功率新型机组的需求，满足增容要求的风电机组基础及塔架再设计及加强问题亟待解决。风电机组从开始运行服役起就承受巨大的剪力、弯矩和疲劳破坏，此外混凝土基础也遭受环境作用等破坏。从风叶、发电机组、塔筒、基础环到混凝土基础，自上而下传递荷载。由于基础环与水泥混凝土基础之间的连接方式的特殊性，导致了风电机组在服役过程中，基础环和混凝土基础界面破坏频繁发生。受风电机组混凝土基础自身的性能原因影响，冒灰、返浆现象时有发生，加速混凝土基础的破坏。需要采取必要手段来规避风险，例如清凿、灌浆补强等。风电机组基础采用了钢筋混凝土结构。然而，钢筋混凝土结构的耐久性问题日益突出，其中钢筋锈蚀是导致混凝土耐久性下降的主要原因之一。氯离子入侵、混凝土碳化和冻融循环作用等原因会引起钢筋锈蚀，不仅会引起钢筋横截面积减小、力学性能劣化，还会影响钢筋与混凝土间的黏结性能，并且引起保护层开裂、混凝土力学性能劣化。蒙东地区土壤渍化问题非常突出，本地区土壤中的盐渍土类型以氯化型盐渍土为主。当混凝土结构处于氯盐环境下，氯离子会从混凝土外表面向内部扩散，并吸附于钢筋表面。当pH值小于4时，钝化膜逐步被破坏，钢筋开始锈蚀。因此本项目在开展风电机组基础结构分析时，需要考虑土壤及混凝土的电化学问题。绝大多数情况下，风电机组基础仅是局部受损，经过有效加固之后可以继续使用。依据在役风电机组基础的现场检测结果，针对基础环周边混凝土以灰浆形式被挤出和钢立柱与混凝土之间出现松动、裂纹和破坏混凝土区域等问题，首先用灌浆法恢复基础环周边混凝土的密实度；采用高压注入无机胶凝材料以及有机胶凝材料，填充基础与钢立柱之间的缝隙，同时改善混凝土的抗裂性和耐久性。灌浆加固的实质是将基础环与混凝土基础之间的缝隙填堵密实，以改善局部受力状态。灌浆效果通过加固前后探地雷达的检测结果评价。
1技术路线
1.1风电机组塔架钢筋混凝土基础锈蚀腐蚀与应力疲劳机理分析
通过深入研究风电机组基础损伤机理，分析多场景不同外界离子对于塔架混凝土基础化学侵蚀行为，即不同盐溶液、酸溶液或碱溶液对于混凝土基础本身的侵蚀行为以及对于内部钢筋的化学腐蚀机理性分析，确定不同的混凝土保护层厚度和外涂层防护剂对于基础汇总混凝土材料的抗腐蚀性提升作用。在进一步了解不同的腐蚀程度下，研究混凝土材料的疲劳损伤演化特征和表征损伤演化指标，形成基础损伤现场检验技术、混凝土基础技术监督方案和损伤评定规则。
1.2在役风电机组基础风致疲劳损伤快速检测技术
考虑到风电机组基础常年处于外界环境侵蚀和上端风电场结构传递载荷作用，基础内部与上部连接件由于锈蚀和应力疲劳，会导致一定程度的不可逆损伤，并呈现出逐年虐化性和不可逆性等问题，以上情况将会大大降低基础的耐久性。为了明确混凝土内部基础损伤情况，通过结合先进无损测试技术，非线性介质中声速传播的散射和衍射规律存在区别的科学理论，对不同服役周期混凝土基础内部结构进行检测分析，形成先进风电机组基础疲劳损伤快速检测技术。
1.3基于局部加强的基础加固技术
通过对不同构造方案的基础环栓钉、穿孔板组合剪力键进行缩比模型疲劳试验，研究组合剪力键的荷载-滑移曲线，揭示组合剪力键的剪切受力及破坏机理，提出在役风电机组基础加固设计方法。
1.4“风电机组增容”的混凝土基础及局部塔架再设计和加强等技术
结合现场实际工程，通过对不同构造的“小改大”方案，进行连接区域受力状态优化分析、混凝土化学侵蚀和疲劳载荷下的失效分析、静力极限载荷测试与仿真模拟，提出满足增容要求的风电机组基础及塔架再设计及加强方案。
2实施方案
处于自然环境下的风机塔架钢筋混凝土基础，会遭受到氯盐、硫酸盐、二氧化碳及其他盐溶液的侵蚀，而导致混凝土开裂及钢筋锈蚀。确定不同侵蚀介质下混凝土的腐蚀程度，用氯盐和硫酸盐溶液浸泡混凝土，放入碳化试验箱进行碳化侵蚀，得到侵蚀后的混凝土。劣化后的混凝土在长期风荷载的作用下，更容易产生弯曲疲劳。通过提高混凝土密实度、保护层厚度和防护涂层的方法，延缓和防止混凝土开裂和钢筋腐蚀。针对基础锈蚀腐蚀与应力疲劳机理分析和防护方法，从氯盐钢筋锈蚀、硫酸盐混凝土劣化、应力疲劳及基础防护方法4个方面进行研究。
2.1氯盐导致钢筋锈蚀机理分析
滨海及海洋环境下的混凝土易受到氯盐的侵蚀，氯离子通过渗透或扩散作用进入混凝土，在钢筋表面聚积到一定浓度，降低钢筋表面附近混凝土的pH值，随着浓度升高，钢筋表面钝化膜被破坏，在钢筋表面形成锈蚀原电池，未破坏钝化膜的位置与钝化膜被破坏的位置形成电位差，变成原电池，出现坑蚀现象，氯离子在这一电化学反应过程中周而复始，最终使蚀坑连成一片。2.1.1实验手段混凝土抗氯离子渗透性能的试验方法有电通量法和氯离子快速迁移RCM法，由于RCM法测定渗透深度时有人为因素导致的偏差存在，采用电通量法评价混凝土的抗氯离子渗透能力，根据电通量实验结果，通过经验公式换算出氯离子扩散系数，便于数值模拟。2.1.2数值模拟数值模拟部分通过COMSOLMultiphysics软件扩散模块实现，以外界环境的浓度作为边界条件，实验测试扩散系数作为参数输入，根据表面氯离子浓度值、环境温度、环境相对湿度、水化程度和水灰比等参数对菲克第二定律进行修正，作为扩散方程，以钢筋表面达到临界浓度作为侵蚀程度的评价指标。
2.2硫酸盐导致混凝土劣化机理分析
硫酸盐分布广泛，主要来源于滨海盐土壤和内陆盐土壤，置于土下的风电基础受到硫酸盐侵蚀。硫酸盐侵蚀引起的混凝土结构劣化破坏，表现为侵蚀性离子通过与混凝土中水化产物发生反应，生成膨胀性物质，造成混凝土开裂、剥落，使更多的侵蚀性介质进入混凝土内部，进一步造成结构劣化和承载力降低。2.2.1实验手段以棱柱体砂浆试件作为研究对象，进行了其在硫酸盐作用下的膨胀率试验研究。通过研究风电基础混凝土在不同硫酸盐侵蚀龄期下的膨胀率，得到硫酸盐侵蚀环境下水泥砂浆膨胀作用机理及提高抗硫酸盐侵蚀作用的方式途径。2.2.2数值模拟利用ABAQUS软件，对包含随机骨料的混凝土试件在硫酸盐侵蚀下的损伤破坏过程进行模拟。侵蚀破坏过程主要分为3个部分：硫酸根离子在混凝土内的扩散，混凝土体积膨胀以及混凝土的损伤演化。首先模拟硫酸根离子在混凝土内的扩散过程，得到任一时刻混凝中的硫酸根离子浓度分布情况。运用“等效温度法”，将模型中各节点处的硫酸根离子浓度折算成节点等效温度，进一步将节点温度场施加于模型上，最终得到硫酸盐侵蚀下腐蚀环境下混凝土中的损伤演化期情况。
2.3混凝土应力疲劳机理分析
建立腐蚀环境下的混凝土，以硫酸盐为例，将混凝土试件完全浸泡在5%硫酸钠溶液，通过室内试验得到不同硫酸盐侵蚀龄期下的混凝土，进行静力试验和疲劳试验，静力试验包括28d抗压强度和抗折强度；疲劳试验在UTM试验机上进行，施加的动荷载为正弦荷载，加载形式为三分点加载，以疲劳寿命作为混凝土材料疲劳损伤演化指标，分析应力疲劳机理。
2.机塔架钢筋混凝土基础防护方法
针对风机塔架钢筋混凝土基础防护，分为新建基础和现有基础防护2类，对于新建基础，进行配合比设计，提高混凝土的密实度以及抗氯盐、硫酸盐侵蚀能力；进行结构优化，增大保护层厚度，延长侵蚀介质渗透路径。对于现有基础，在原混凝土表面涂刷防护层，有效阻止酸、盐等腐蚀介质向混凝土内部的渗入，延缓和防止混凝土的劣化和钢筋的腐蚀。
2.5在役风电机组基础风致疲劳损伤快速检测的具体方法
根据风电机组基础风致损伤具有主风方向性、逐年虐化性和不可逆性等特点以及传统的单一检测方式不能迅速有效地检测出风致损伤的情况，综合多种方法研究一套有效的快速检测技术。参考《风力发电机组延寿技术规范》，陆上风电机组基础重点关注基础与塔架连接附近的裂缝、混凝土强度、水平度进行检测、沉降等数据，结合基础内部的密实度无损探伤检测结果进行综合分析，形成一个风电机组基础损伤评估技术规范，实现对基础的风致疲劳损伤情况进行快速检测。具体包括如下方面。2.5.1基础与塔架连接附近的裂缝分布图绘制依据《混凝土结构工程施工质量验收规范》，进行机组基础整体外观检测：重点检查基础与塔架连接附近出现的脱开裂隙、裂纹、压溃现象，若有混凝土裂缝则进行长度、宽度、深度及走向测量，绘制裂缝分布图。2.5.2采用超声波检测仪或地质雷达检测风电机组基础的混凝土密实度依据《雷达法检测混凝土结构技术标准》，进行基础混凝土雷达密实度检测，利用机组周围的开阔地带，对基础混凝土进行雷达扫描，以检测混凝土的密实度及内部缺陷。2.5.3基础水平倾斜情况的评定依据《风电机组地基基础设计规定》《建筑变形测量规范》，进行基础沉降检测，评定基础水平倾斜情况。2.5.4基础环水平度、塔架垂直度测量依据《风力发电机组验收规范》，采用基础环水平度测量方法沿着风电机组基础环均匀布置若干个水准测点测量风电机组基础环水平度。采用全站仪进行风电机组塔架垂直度检测，用以评定机组基础沉降和塔架变形综合情况。2.5.5基础安全在线监测装置对风电机组，或技改、小改大的机组安装基础在线监测装置，机组运行过程中基础环竖向位移量进行现场测量，通过换算得到实时基础环水平度值。基础安全在线监测需现场水平度静态测试，以确定最高和最低点，并现场布置LVDT动态位移计，以实现动态基础环水平度参数的现场采集。同时，在规定时间内定期进行基础环水平度静态测试，以确定新的最高和最低点，并将动态位移计调整至新的位置上，确定动态测试始终是基础环最大的竖向位移值和水平度，以保证监控结果的有效性。基于以上对基础的监测结果，结合风电机组输出功率、轮毂转速、风速、风向角及偏航误差等参数一起同步采集，采用Stacking集成学习方法，以多种不同检测方法结果为输入来训练一个预测模型，最终得到一个高精度损伤预测输出结果。
2.6风电机组基础加固技术
仅局部受损，而未全面被破坏的风电机组基础，对其进行有效加固后可继续使用。针对基础环周边混凝土以灰浆形式被挤出和钢立柱与混凝土松动问题，首先用灌浆法恢复基础环周边混凝土的密实度；采用高压注入高强混凝土灌浆料，填充基础与钢立柱之间的缝隙。灌浆加固的实质是将基础环与混凝土基础之间的缝隙填堵密实，以改善局部受力状态。然而，灌浆加固只能起到恢复基础环周边混凝土承载力的作用。当基础环的连接承载力不足时，需要在灌浆加固完成后，运用局部穿孔板、栓钉组合剪力键加固，为风机塔筒提供新的支撑。2.6.1理论研究基于无腹筋梁的混凝土桁架-钢筋拉杆模型，揭示穿孔板剪力键的剪切受力机理，确定其合理的间距及穿孔钢筋参数。研究穿孔钢板间栓钉群剪切传力特点，明确栓钉群不均匀受力分布规律，确定栓钉群剪切受力的不均匀系数，建立穿孔板、栓钉组合剪力键抗剪承载力计算方法。2.6.2实验手段针对目前国内基础环式风电机组基础常采用的形式，采用缩比例推出模型试件，研究组合剪力键中穿孔钢板、穿孔钢筋、栓钉应变分布规律以及荷载-位移曲线特点，揭示组合剪力键剪切传力及破坏机理，建立基于销栓破坏的组合剪力键剪切受力模型。根据实际情况设计不同的方案，分别进行静载破坏试验和等幅200万次疲劳试验。2.6.3精细化有限元分析基于ANSYS程序，对于钢板与混凝土间采用面面接触对单元考虑两者的接触摩擦，由此建立与模型试验相对应的精细化有限元模型，通过与试验结果进行对比，验证有限元分析方法的正确性。通过对穿孔板间距、穿孔钢筋直径大小、栓钉间距及直径等参数进行大量的参数分析，提出基于栓钉破坏的穿孔板、栓钉组合剪力键构造方案。2.6.4现场测试运用局部穿孔板、栓钉组合剪力键对某问题风电机组基础进行了加固，对风电机组基础的基础环水平度进行跟踪监测并及时地对风电机组基础设计方法进行反馈。
2.7面向“风电机组增容”的混凝土基础、塔架再设计和加强技术
风电机组增容的一个直接结果是导致机组载荷整体性增大。在即有的原型机与基础条件下，评估混凝土地基与塔架性能，给出达到综合性能优化的再设计与加强方案是一个复杂过程，其涉及理论研究、实验手段、载荷计算与精细化有限元分析等环节。2.7.1理论研究考虑环境、设计使用年限、荷载，结合既有基础状况和“小改大”改良结构及材料，针对不同构造方案的“小改大”方案，计算地基承载力、基础抗滑稳定和抗倾覆稳定、基础沉降和倾斜变形、验算基础的裂缝宽度、验算基础内力、配筋和材料强度，提出满足增容要求的风电机组基础及塔筒再设计及加强方案。2.7.2载荷计算详细考虑风的随机性、脉动性、湍流度与剪切特征，计入地形地貌和地表粗糙度等微观地质特征，利用商业软件GHBladed建立“小改大”风电整机多体动力学分析模型，进一步采用瞬态求解算法完成载荷求解计算，获得多个评估位置的载荷时序谱和极值。2.7.3实验手段针对风电机组扩容转换筒的特点，采用缩比例模型试件，研究扩容转换筒中钢支撑、转换筒的应变分布规律以及荷载-位移曲线特点，揭示组合转换筒传力及破坏机理，建立基于钢支撑破坏的扩容转换筒的组合受力模型。根据实际情况设计不同的方案，分别进行静载破坏试验和等幅200万次疲劳试验。
3结束语
本文找出了蒙东地区风电机组基础及关键结构件受氯盐环境侵蚀的原因和机理，建立了用于加强和改善在役风电机组钢筋混凝土基础性能的一整套方法和实用施工技术，开发了风电机组塔筒损伤在线检测装置。有效解决了蒙东地区风电场存在的风电机组基础增容问题，本项目研究将风电机组增容和基础强化的成本压低约40%，使该地区风电场的风资源利用率、土地利用率均得到大幅度提高。
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作者：王亚超 田野 李昕龙 范慧博 单位：蒙东协合新能源有限公司