海上风电新型吸力筒基础关键技术

完成单位：深圳中广核工程设计有限公司

主要完成人：王志明、黎鹏飞、慕仝、魏鹏、严华刚、吴建军、王文杰、易建军、苏磊、王德元

一、研发背景

吸力筒导管架基础是一种新型的海上风电风机机组基础形式，优点在于可替代嵌岩桩，可以节省钢用量,节省费用,采用负压施工，无需额外稳桩平台,施工速度快，可作为海上风电机组一种经济高效的基础形式，具有较好的产业化前景。欧洲在吸力筒岩土工程设计方法方面提出了最新的研究成果已建成小批量的海风吸力筒基础项目。由于我国海风主要开发区域的极端工况如台风、近岸海洋岩土有较厚淤泥及淤泥质土等软弱土层等不利条件，与欧洲有较大差异，欧洲吸力筒技术成果不能直接采用。国内、外尚无吸力筒基础设计相关规范，缺少适用于国内厂址岩土、环境特点的吸力筒基础的关键分析技术，国内尚属于技术空白，尚不具备开展工程应用的条件。因此，急需研发一种适用于国内厂址岩土、环境特点的吸力筒基础成套分析技术，以及勘察、设计、制造、施工、监测的工程实施方案，用于解决海风工程“卡脖子”技术难题。

国内目前主要开发的近岸厂址地质条件较为复杂，如广东省一些目标厂址（如广东阳江沙扒、南鹏岛、汕尾后湖等）存在大量嵌岩区。传统的嵌岩设计及施工方案将造成造价超50%以上，海上施工有较高施工技术风险。吸力筒导管架基础作为海上风电机组一种经济高效的基础形式，优点在于可以避免嵌岩、便于运输和安装和采用负压施工施工速度快、大幅度节约工期、显著节省施工费用及造价。欧洲海风最先应用该技术，从 2015至2018年，欧洲的德国BorkumRffrund 1、BorkumRffrund 2 项目、英国Aberdeen项目已建成小批量的海风吸力筒基础项目。 由于我国海风主要开发区域如广东、福建、江苏沿海的极端工况如台风频繁，特别是台风-浪作用、长期风机运行下的动循环载荷对吸力筒基础这种埋深浅的基础类型，对其承载力、疲劳、沉降等的不利影响和后果将远大于常规固定式基础。并且中国近岸海洋岩土有较厚淤泥及淤泥质土等软弱土层，对于吸力筒承载力有较大影响。鉴于中国厂址地基及环境荷载与欧洲有较大差异，欧洲吸力筒成果不能直接采用，国内、外尚缺乏专门的规范、标准用于指导吸力筒基础设计，尚缺少适用于国内厂址岩土、环境特点的吸力筒基础的关键分析技术。

本项目自主开发了海上风电新型吸力筒基础关键技术，并在汕尾后湖海上风电项目的22机位采用吸力筒基础方案设计及项目示范。设计院自主研发的吸力筒基础为三筒吸力筒筒导管架基础，适用于近海深、浅水海域,且地质条件宜为砂性土或软粘土，该新型吸力筒基础可替代嵌岩桩，可以节省钢用量,节省费用,采用负压施工，无需额外稳桩平台,施工速度快，可作为海上风电机组一种经济高效的基础形式。通过项目研发及应用，形成了一套中广核自主知识产权的适合广东海域的新型吸力筒基础先进技术方案，包括新型吸力筒基础的勘察、设计、制造、安装和监测方案，为新型吸力筒基础推广应用提供保障。

本研究团队深入贯彻“科技引领海风高质量发展”理念，在项目策划、勘察、设计、制造及施工安装等方面采用国内外先进技术和装备，研发了具有自主知识产权的新型吸力筒导管架基础先进技术，并在后湖22号机位成功实现了示范应用。地质勘察采用国内先进的广海局“海洋地质10号”船完成现场原位测试（CPTU）、静压钻孔取样、室内高级土工试验等岩土先进技术手段，岩土工程设计联合挪威岩土所研发了基于广东海洋成层土条件下的吸力筒-土动循环本构模型，基础结构设计首次采用台风-浪-流耦合时间历程荷载的基础-风机一体化分析的创新技术。该吸力筒导管架基础沉贯过程同设计值高度吻合、基础法兰水平度控制精度极高（0.14‰）、灌浆过程未出现堵塞漏浆等同行缺陷等，表明设计成果达到国内领先水平。

该吸力筒导管架基础适用于中国海上风电场项目特别是嵌岩区风机基础。可替代深水常规导管架基础。展望全国范围内的规划中的海上风场，该吸力筒基础大有用武之地，适宜吸力筒基础的比例保守估计为20%以上。中国2020年海上风电并网规模将达7.8-7.8GW，2021年预期并网4GW，2022-2025年预期并网14-15GW，因此从全国范围内来看，未来十四五期间新型吸力筒基础应用前景大有可为。预计本项目市场规模可达100亿元，年均产值约10亿。 

  二、发明团队介绍

深圳中广核工程设计有限公司（以下简称“设计公司”）是中国广核集团的主要成员企业，2005年公司成立，由中广核工程有限公司、中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司分别按照60%、40%的股比共同出资组建。截至2018年12月，公司注册资本0.79亿元，拥有员工约2000人。

设计公司具备核电工程型号研发、工程设计和在服务能力，是中国首家集核电站核岛、常规岛、电站辅助设施及全厂总体设计为一体的核电、常规电力及新能源发电工程设计高新技术企业，是中广核集团唯一的设计院，是中广核创新与发展的核心竞争力，支撑中广核集团清洁能源业务的发展。

设计院自2005年成立至今，新能源业务从无到有，承担了一批集团内外的风电、光伏光热、天然气分布式能源及风、光储微网、环保项目的工程咨询、设计、EPC总承包等业务，涉及全国10个省，并在国外市场有所斩获，市场规模逐步做大，服务领域逐步拓宽，竞争实力逐步做强；2018年3月成立新能源分院，作为公司非核工程设计业务的归口单位，统筹新能源设计业务，承担集团内、外非核领域的工程设计任务，支持工程公司形成新能源“AE”能力，获得了同行及客户的认可。

项目负责人：王志明，深圳中广核工程设计有限公司副总工，高级工程师。20年核电工程及设计咨询工作经历，主持并参与核电工程常规岛及BOP工艺设计、项目管理工作。工程设计基础扎实，经验丰富，在长期的工程实践探索中，擅长将科研与工程实践相结合，运用科研手段，解决工程技术问题。同时，具有高效的组织协调能力，有大型项目运作经验。荣获中国电力建设科学技术成果奖二等奖一项、全国电力行业企业管理创新成果奖二等奖一项、国家电网公司科学技术进步奖三等奖一项、中广核集团科技进步奖8项。

三、成果(专利)简介

本项目自主研发了国内领先、自主可控、成本优异的中广核首个新型吸力筒基础核心技术，形成一套适合广东海域的新型吸力筒基础先进技术方案，包括新型吸力筒基础的勘察、设计、制造、安装和监测方案，开展首个新型吸力筒基础项目示范，取得了一系列科技成果。

1.研究成果的创新点如下：

（1）基于吸力筒基础精细化岩土勘察、土工试验技术，构建了循环应力-应变-循环次数的海洋岩土本构模型，形成一套国内先进的吸力筒基础岩土工程分析方法；

（2）通过建立风电机组-塔筒-风机基础耦合分析模型，开创性的引入台风-浪时序荷载模型，开发了基于循环应力-应变-循环次数的海洋岩土本构模型的吸力筒基础一体化设计方法。相比传统技术在精确性和准确度方面有了大幅提升；

（3）自主研发的实用新型发明“吸力筒基础新型灌浆管线装置”已授予、发明“新型检测系统装置”已获国家知识产权局受理，在示范项目中应用的实施效果、技术指标达到了国内领先水平；

（4）形成了一套适合中国海上风电成层岩土地基下的新型吸力筒基础技术方案，包括勘察、设计、制造、安装和监测技术方案，以及一套吸力筒基础设计企标规范，填补了行业空白。

该技术成果可广泛应用于我国海上风电吸力筒基础勘察及设计工作之中，成功开展的新型吸力筒基础项目示范应用可引领该技术的产业化发展及规模化应用，具有较好的经济效益和社会效益。

2.专利3项：实用新型专利；一种导管架吸力筒基础的灌浆管线装置（已授予）；发明专利：一种海上风电新型吸力筒基础的一体化智能监测装置（已受理）；发明专利：一种吸力筒导管架基础外加电流的阴极保护装置（已受理）。

3.论文2篇：国际SCIE论文Marine Georesources & Geotechnology ，《Experience from installation of two suction bucket jacket foundations in layered soils》；国内核心期刊：核科学与工程，《基于台风-浪时间历程荷载的风机-吸力筒导管架基础耦合分析研究》。

4.实施效果

2021年9月5日22时，中广核汕尾后湖海上风电场项目22号吸力筒导管架基础顺利完成了海上风电机组吊装，作为集团首个自主研发、设计的吸力筒导管架基础已完成全部主体结构的海上施工，各项指标达到了设计要求。监测及验证情况：22号风机吸力筒基础于2021年12月并网发电至今正常运行，状态良好。监测单位（上海港湾院）于2022年7月20日前往22号机位收集相关监测数据，并开展数据分析。 其中2021年 8 月~2022年7月期间该区域经历了多次台风等极端天气。监测结果表明，该设计安全性、准确性均达到较高水准。具体如下：分别从6月28日-7月2日的振动数据里筛选出10组平稳的数据用于结构振动1阶固有频率比为0.35Hz,与设计值相符。监测期间的应力、不均匀沉降、最大倾斜角、最大振动、位移、腐蚀观测值较低，均处于安全状态。其中台风期间的最大位移值和设计经复核结果相近。距中心位置半径20m范围内（不含桩基）海床较为平整，无冲刷坑；桩周半径20m内高程为-26.5~-26.9m，桩周半径50m位置， 泥面高程约为-26.6~-27.0m。 结果表明吸力筒导管架基础未出现冲刷，和设计分析结果一致。

项目组研发的后湖22号机位中广核吸力筒导管架基础为三筒吸力筒筒导管架基础，主体结构总重1717吨。导管架根开28米，高49.8米，单筒直径13.5米，筒高13.2米。该类型吸力筒导管架基础的适用与近海深、浅水海域,且地质条件宜为砂性土或软粘土。优点在于可替代嵌岩桩，可以节省钢用量,节省费用,采用负压施工，无需额外稳桩平台,施工速度快，可作为海上风电机组一种经济高效的基础形式。本项目地质勘察采用国内先进的广海局“海洋地质10号”船完成现场原位测试（CPTU）、静压钻孔取样、室内高级土工试验等岩土先进技术手段，岩土工程设计联合挪威岩土所研发了基于广东海洋成层土条件下的吸力筒-土动循环本构模型，基础结构设计首次采用台风-浪-流耦合时间历程荷载的基础-风机一体化分析的创新技术。具备完全自主知识产权的中广核吸力筒导管架基础勘察、设计的先进技术。

项目组深入贯彻“科技引领海风高质量发展”理念，在项目策划、勘察、设计、制造及施工安装等方面采用国内外先进技术和装备，研发了具有自主知识产权的新型吸力筒导管架基础先进技术，并在后湖22号机位成功实现了示范应用。该吸力筒导管架基础沉贯过程同设计值高度吻合、基础法兰水平度控制精度极高（0.14‰）、灌浆过程未出现堵塞漏浆等同行缺陷等，表明设计成果达到国内领先水平。该项目首次将科研和工程的管理实施相结合，管理有序、组织高效，是工程公司海风领域科研工程化的有效探索。

  四、成果（专利）转化情况介绍

本项目深入贯彻“科技引领海风高质量发展”理念，在项目策划、勘察、设计、制造及施工安装等方面采用国内、外先进技术和装备，研发了具有自主知识产权的新型吸力筒导管架基础先进技术，并在后湖22号机位成功实现了中广核首个吸力筒基础示范应用，设计成果达到国内同行业领先水平。相关专利、论文、企业标准等成果可为国内海风行业吸力筒基础技术推广应用提供坚实的技术基础。

五、经济效益与社会效益介绍

后湖项目22号吸力筒导管架基础海上安装全部费时44小时34分，其中入泥沉贯过程11小时30分。与嵌岩桩导管架基础相比海上工期节省 90%，与普通桩基导管架基础相比缩短近 50%，节省了稳桩平台等工装设施；相比嵌岩桩导管架基础单个风机施工成本节省 1000~1500 万；相比传统桩基导管架基础，单台吸力筒基础建造成本约降低 273 万元。

自主研发的中广核吸力筒导管架基础适用于中国海上风电场项目特别是嵌岩区风机基础。可替代深水常规导管架基础。我国海域地质情况多样，该吸力筒基础大有用武之地。从全国范围来看，海南岛、山东半岛沿海覆盖层多为固结~超固结粗粒砂土，广西北部湾、福建、浙江海域多见嵌岩机位，均适宜吸力筒基础规模化应用。珠三角、长三角、渤海等沿海新近沉积软土层厚度大，适合应用比例的相对较低；展望全国范围内的规划中的海上风场，适宜吸力筒基础的比例保守估计为20%。中国2020年海上风电并网规模将达7.8-7.8GW，2021年预期并网4GW，2022-2025年预期并网14-15GW，因此从全国范围内来看，未来十四五期间新型吸力筒基础应用前景大有可为。预计本项目市场规模可达100亿元，年均产值约10亿。