德國聯(lián)邦材料研究與測試研究院（Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung，簡稱BAM）近期發(fā)布新版年度研究報(bào)告，集中呈現(xiàn)多個(gè)面向未來安全領(lǐng)域的前沿研究項(xiàng)目。其中，一項(xiàng)聚焦海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)的研究格外引人關(guān)注——該項(xiàng)目旨在探索如何在減少用鋼量的同時(shí)，大幅延長單樁的使用壽命。

海上風(fēng)電場的建設(shè)消耗大量鋼材，絕大多數(shù)海上風(fēng)機(jī)依托單樁基礎(chǔ)固定于海床。這類大型鋼管直徑Zui大可達(dá)12米，長度往往超過100米，單根單樁的用鋼量可超過2000噸。然而，腐蝕侵蝕與持續(xù)的機(jī)械載荷共同制約著單樁的壽命，當(dāng)前主流設(shè)計(jì)的運(yùn)營周期僅約30年。隨著海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)張，如何提升單樁的經(jīng)濟(jì)性與可靠性，已成為行業(yè)共同面對的核心命題。

全流程優(yōu)化：從設(shè)計(jì)到運(yùn)營的系統(tǒng)性突破

為此，BAM牽頭發(fā)起了OptiMP項(xiàng)目（單樁優(yōu)化項(xiàng)目），系統(tǒng)研究如何在設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、安裝及長期運(yùn)營的完整產(chǎn)業(yè)鏈中，實(shí)現(xiàn)材料減量與壽命延伸。據(jù)BAM風(fēng)能能力中心專家馬克·蒂勒（Marc Thiele）介紹，項(xiàng)目預(yù)計(jì)通過全流程的針對性改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)鋼Zui高10%、單樁服務(wù)壽命延長Zui高30%的雙重目標(biāo)。這意味著，在風(fēng)機(jī)規(guī)模持續(xù)大型化的背景下，每個(gè)項(xiàng)目有望節(jié)省數(shù)千噸鋼材，同時(shí)將風(fēng)場運(yùn)營周期從30年推進(jìn)至接近40年。

焊縫質(zhì)量是研究的重點(diǎn)方向之一。焊縫對單樁的長期結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要，研究人員正在探究能否通過優(yōu)化焊縫設(shè)計(jì)或后處理工藝，顯著提升抗疲勞性能，進(jìn)而允許采用更薄的鋼板，從源頭壓縮用鋼量。這一思路若能落地，將對單樁生產(chǎn)工藝帶來深層變革。

安裝工況與標(biāo)準(zhǔn)更新：兩大關(guān)鍵突破口

安裝工藝對單樁耐久性的影響同樣受到項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注。在施工階段，單樁通常借助液壓錘打入海床，整個(gè)過程需承受數(shù)以千計(jì)的沖擊載荷。研究人員認(rèn)為，這一過程所導(dǎo)致的疲勞損傷可能低于此前工程預(yù)估，這一發(fā)現(xiàn)有望為更節(jié)材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有力支撐，并從根本上改變現(xiàn)有安全系數(shù)的設(shè)定邏輯。

此外，OptiMP項(xiàng)目還將推動(dòng)海上風(fēng)電單樁行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的修訂?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)大多沿用橋梁、建筑等通用鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，并未針對海上風(fēng)電的特殊工況進(jìn)行專項(xiàng)定制，存在明顯的適配性不足。項(xiàng)目研究成果有望為制定更具針對性的行業(yè)規(guī)范提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)體系與實(shí)際工程需求接軌。

參與該項(xiàng)目的機(jī)構(gòu)陣容強(qiáng)大，涵蓋弗勞恩霍夫大型結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工程研究所（Fraunhofer Institute for Large Structures in Production Engineering）、漢諾威萊布尼茨大學(xué)（Leibniz University Hannover）、杰博工程集團(tuán)（JBO Engineering Group）、格里洛鋅金屬公司（Grillo Zinc Metals）以及瓦滕法歐洲風(fēng)力發(fā)電公司（Vattenfall Europe Windkraft）。伊維斯特殊管道建造公司（EEW Special Pipe Constructions）、西門子歌美颯（Siemens Gamesa）、恩巴登（EnBW）、天生可再生能源（Skyborn Renewables）及挪威船級社可再生能源認(rèn)證部門（DNV Renewables Certification）作為合作伙伴參與其中。項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)來源于德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)與能源部第八期能源研究計(jì)劃。

對中國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈的啟示

中國已是全球Zui大的海上風(fēng)電市場，單樁基礎(chǔ)制造能力也居于列。隨著風(fēng)機(jī)大型化趨勢加劇，單樁直徑與重量不斷突破紀(jì)錄，用鋼成本與運(yùn)輸安裝難度隨之攀升。OptiMP項(xiàng)目所探索的焊縫優(yōu)化、安裝損傷重新評估與全流程節(jié)材設(shè)計(jì)，為國內(nèi)鋼管樁制造商、風(fēng)電整機(jī)企業(yè)及設(shè)計(jì)院提供了清晰的技術(shù)參考方向。尤其是安裝工況疲勞損傷的重新量化，若與中國實(shí)際海況數(shù)據(jù)結(jié)合驗(yàn)證，有望進(jìn)一步釋放國內(nèi)單樁設(shè)計(jì)的材料冗余空間，助力海上風(fēng)電度電成本持續(xù)下行。