一种海上风电单桩基础的延寿服役装置的制作方法

1.本实用新型涉及海上风电机组基础领域，具体涉及一种海上风电单桩基础的延寿服役装置。


背景技术：

2.海上风电作为一种极为重要的清洁能源，是国家能源转型的重要战略支撑。海上风力发电机由机组、塔架和机组基础构成，海上风电机组基础是海上风电场设计、建设和运维的关键环节之一。目前，单桩基础是国内外海上风电场最常用的基础型式，据统计，单桩基础在已建海上风电场中的占比接近80％。在风机运行过程中，单桩基础承受着风机荷载、波浪荷载、水流荷载、海冰荷载、地震作用等耦合形成循环荷载，在长期循环荷载作用下，单桩基础周围的海洋土会发生循环弱化，导致单桩基础承载力逐渐降低，进而存在寿命缩短的问题。
3.国内海上风电场设计使用年限为25年，主要取决于风机机组使用寿命。相对于风机机组，机组基础按照50年一遇的组合工况进行结构设计。从2009年国内第一座海上风电场建成，以及近年来国内海上风电的跨越式发展，风机机组逐渐达到使用寿命，风机退役将成为行业面临的关键问题。
4.目前，国内外对延长风电单桩基础的延寿服役技术研究较少，风机达到使用寿命后，采用现有单桩基础，更换新的更大容量风机机组的总成本远低于拆除整个风电场，更换新的大容量风机机组后，容易出现现有的单桩基础承载力无法支撑新的风电机组的问题。


技术实现要素：

5.因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的更换新的大容量风机机组后，现有的单桩基础承载力无法支撑新的风电机组的缺陷，从而提供一种海上风电单桩基础的延寿服役装置。
6.为了解决上述问题，本实用新型提供了一种海上风电单桩基础的延寿服役装置，包括：
7.桩套结构，所述桩套结构包括第一桩套和第二桩套，所述第一桩套适于套设于单桩基础的外周，所述桩套结构与单桩基础固定连接，所述第二桩套适于伸入海床内，在所述桩套结构的自重作用下，所述桩套结构部分沉入海床内，所述桩套结构以部分分担单桩基础的受到的荷载。
8.可选地，所述第一桩套、第二桩套和单桩基础同轴心设置。
9.可选地，所述第二桩套的外周壁与海床间为垂直设置或锐角设置。
10.可选地，所述第二桩套的外周壁上设有若干根助沉桩，所述助沉桩等间隔设置。
11.可选地，所述助沉桩的长度大于或等于第二桩套的长度。
12.可选地，所述第二桩套的内壁上固定设有朝向若干个朝向单桩基础设置的t形肋板。
13.可选地，所述第一桩套上设有扰流环。
14.可选地，所述第二桩套的外壁上设置有若干个等间隔设置的稳定翼。
15.可选地，所述第一桩套的内径大于单桩基础的外径，所述第二桩套的外径大于或等于1.1倍单桩直径。
16.可选地，所述第一桩套内壁、与单桩基础外壁以及海床平面间形成空腔，所述空腔内填充有灌浆料。
17.本实用新型技术方案，具有如下优点：
18.1.本实用新型提供的海上风电单桩基础的延寿服役装置，包括：桩套结构，设有第一桩套和第二桩套，第一桩套适于套设于单桩基础的外周，桩套结构与单桩基础固定连接，第二桩套适于伸入海床内，在桩套结构的自重作用下，桩套结构部分沉入海床内，桩套结构以部分分担单桩基础的承受的荷载，以减轻单桩基础受到的荷载，同时，桩套结构调动单桩基础外周未发生弱化的土体的水平抗力，第一桩套将受到的荷载传递给第二桩套、由第二桩套承担单桩基础的部分受到的荷载，以提高单桩基础的承载力，延长单桩基础的使用寿命，使之上部能够更换更大容量的风力发电机组。
19.2.本实用新型提供的海上风电单桩基础的延寿服役装置，第一桩套、第二桩套和单桩基础同轴心设置，以使单桩基础受到的荷载均匀地分布于第一桩套和第二桩套上。
20.3.本实用新型提供的海上风电单桩基础的延寿服役装置，第二桩套的外周壁与海床间为垂直设置或锐角设置，以使第二桩套顺利进入海床内。
21.4.本实用新型提供的海上风电单桩基础的延寿服役装置，第二桩套的外周壁上设有若干根助沉桩，助沉桩等间隔设置，助沉桩以增加桩套结构的重量，助沉桩在桩套结构自重作用下，沉入海床表层以下一定深度，通过负压下沉方式将整个桩套结构环绕单桩锚固于海床，具有施工简单、工艺成熟等优点。此外，助沉桩改变了桩套装置的几何结构，使桩套结构外周的土拱效应明显强度四周光滑的桩套结构自身。
22.5.本实用新型提供的海上风电单桩基础的延寿服役装置，助沉桩的长度大于或等于第二桩套的长度，以增加延寿结构与海床的接触面积。
23.6.本实用新型提供的海上风电单桩基础的延寿服役装置，第二桩套的内壁上固定设有朝向若干个朝向单桩基础设置的t形肋板，t形肋板保证桩套在下沉过程中与单桩共轴线。
24.7.本实用新型提供的海上风电单桩基础的延寿服役装置，第一桩套上设有扰流环，以进一步消弱水流冲刷的影响。
25.8.本实用新型提供的海上风电单桩基础的延寿服役装置，第二桩套的外壁上设置有若干个等间隔设置的稳定翼，以提升第二桩套的承载力。
26.9.本实用新型提供的海上风电单桩基础的延寿服役装置，第一桩套的内径大于单桩基础的外径，第二桩套的外径大于或等于1.1倍单桩直径，以有效规避单桩在荷载作用下发生最大桩身变形(即，0.1倍桩身直径)导致的桩周海洋土的循环弱化，充分调动循环弱化影响程度较小的外侧桩周土体的水平抗力，最大程度消除单桩基础受到桩周海洋土弱化的影响，使单桩基础承载力保持温度。
27.10.本实用新型提供的海上风电单桩基础的延寿服役装置，第一桩套内壁、与单桩基础外壁以及海床平面间形成空腔，空腔内填充有灌浆料，以实现第一桩套与单桩基础、海
床间的固定连接。
附图说明
28.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本实用新型的实施方式中提供的桩套结构与单桩基础连接的主视图；
30.图2为本实用新型的实施方式中提供的桩套结构与单桩基础连接的主视图；
31.图3为本实用新型的实施方式中提供的桩套结构与单桩基础连接的主视图；
32.图4为本实用新型的实施方式中提供的灌浆料、混凝土、桩套结构与单桩基础连接的主视图；
33.图5为本实用新型的实施方式中提供的a－a向的助沉桩为矩形的剖视图；
34.图6为本实用新型的实施方式中提供的a－a向的助沉桩为圆形的剖视图；
35.图7为本实用新型的实施方式中提供的a－a向的助沉桩为三角形的剖视图；
36.图8为本实用新型的实施方式中提供的a－a向的助沉桩为圆形的剖视图。
37.附图标记说明：1、单桩基础；2、桩套结构；21、第一桩套；22、第二桩套；23、助沉桩；24、t形肋板；25、稳定翼；3、扰流环；4、灌浆料；5、胶结块石；6、混凝土。
具体实施方式
38.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
39.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
41.此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
42.如图1－图8所示的海上风电单桩基础的延寿服役装置的一种具体实施方式，包括：套设于单桩基础1外周的桩套结构2，且单桩基础1和桩套结构2间的间隙内填充有灌浆料4。
43.如图1、图2、图3、图4所示，桩套结构2包括第一桩套21和第二桩套22，其中，第一桩套21、第二桩套22和单桩基础1同轴心设置，且第一桩套21与第二桩套22一体成型，其中第二桩套22的底端直径大于顶端直径，以避免单桩基础1外壁与第二桩套22内壁间距过小而导致下沉重出现单桩基础1与桩套结构2产生明显土塞效应的问题，减小下沉阻力。为便于第二桩套22与海底有更大的接触面积，如图1、图2和图4所示，第二桩套22倾斜插入海床内，即，第二桩套22的外周壁与海床间为锐角设置，第二桩套22背离第一桩套21的外径大于第二桩套22与第一桩套21连接处的外径，第二桩套22的长度与单桩基础1的直径相同。为增加桩套结构2的整体重量，如图1－图5所示，第二桩套22的外周壁上设有四根助沉桩23，相邻助沉桩23间为等间隔设置，助沉桩23的截面为圆形、直径为2m，且助沉桩23的轴线与第一桩套21的外轮廓线平行。为便于助沉桩23插入海床内，助沉桩23的长度大于第二桩套22的长度。为避免进一步温度单桩基础1，第二桩套22的内壁上固定设于若干个朝向单桩基础1设置的t形肋板24，t形肋板24还可保证第二桩套22在下沉过程中与单桩基础1共轴线。为消除受到水流的干扰，第一桩套21上设有扰流环3。为稳定第二桩套22，如图5所示，第二桩套22的外壁设有稳定翼25，稳定翼25等间距设于相邻助沉桩23之间，即，相邻的助沉桩23间设有一个稳定翼25，同时，稳定翼25的宽度大于助沉桩23的宽度、且稳定翼25的长度等于第一桩套21的长度。
44.如图1、图2、图3和图4所示，第二桩套22的外径大于或等于1.1倍单桩基础1直径，优选为第二桩套22的外径等于1.2倍单桩基础1直径，以规避单桩基础1在荷载作用下发生最大桩身变形(即，0.1倍桩身直径)导致的单桩基础1桩周海洋土的循环弱化，以充分调动循环弱化影响程度较小的外侧桩周土体的水平抗力，同时，第二桩套22的底部直径大于顶部直径，避免单桩基础1外壁与第二桩套22内壁间距太小，导致下沉过程中出现单桩基础1与桩套结构2间产生的明显的土塞效应，增大下沉阻力。
45.一种海上风电单桩基础的延寿服役装置的施工方法，包括以下步骤：
46.1)建立海上风电单桩基础1数字孪生模型，分析单桩基础1承载力衰减程度、单桩基础1结构疲劳损伤程度以及桩周海洋土循环弱化程度及弱化范围，根据拟采用的大容量机组和延寿时长，计算单桩基础1延寿所需额外提高的承载力，最后根据计算结果进行延寿结构的形式和尺寸设计，同时评估单桩周围已有防冲刷结构对延寿结构下沉过程的影响；
47.2)逐步拆除单桩基础1上部准备技改的风机和塔筒；
48.3)将负压加载装置安装于助沉桩23顶盖；
49.4)待负压加载装置安装完成后，利用起重船垂直起吊桩套结构2，并将桩套结构2移动至单桩基础1正上方，使桩套结构2中轴线与单桩基础1中轴线基本共线，随后逐渐下放桩套结构2至海床泥面，桩套结构2在自重作用下使助沉桩23沉入海床泥面以下一定深度；
50.5)开启负压加载装置，助沉桩23在负压作用下带动桩套结构2逐渐嵌入海床，待助沉桩23下沉至设计标高，拆除负压加载装置；
51.6)向第一桩套21内壁、单桩基础1外壁和海床面间的空腔中填充灌浆料4，使桩套结构2与单桩基础1连接；
52.需要注意的是，本施工方法适用于单桩基础的桩周存在冲刷坑的情况，步骤1)－5)相同，步骤6)为向桩套结构2外部冲刷坑中抛填块石，向桩套结构2内部冲刷坑填充混凝土6至海床泥面，向助沉桩23内部填充灌浆料4，向桩套结构2与单桩基础1之间的空腔中不
断填充灌浆料4，直至灌浆料4由第二桩套22与单桩基础1顶部间隙沿着第二桩套22外壁向块石中灌注形成胶结块石5防护结构。
53.本技术提供的海上风电单桩基础的延寿服役装置，单桩基础1将受到的部分荷载(风电荷载、水流荷载、波浪荷载、海冰荷载等)传递至桩套结构2，桩套结构2调动外侧未发生明显弱化土体的水平抗力，助沉桩23利用桩内负压以及桩周土体抗力，共同提供单桩基础1的水平承载能力，同时，助沉桩23改变了桩套结构2的几何外形，使桩套结构2外侧的土拱效应明显强于四周光滑的桩套结构2本身。
54.作为替代的实施方式，助沉桩23的截面形状还可为三角形、矩形等其它形状。
55.作为替代的实施方式，助沉桩23的数量还可为3根、5根、6根甚至更多根。
56.作为替代的实施方式，助沉桩23的直径还可为1m、1.5m、2.5m、3m、4m等其它尺寸。
57.作为替代的实施方式，第二桩套22的长度与单桩基础1的直径比例关系还可为0.5倍、1.5倍、2倍等。
58.作为替代的实施方式，助沉桩23的长度还可等于第二桩套22的长度。
59.作为替代的实施方式，稳定翼25的宽度还可等于助沉桩23的宽度。
60.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种海上风电单桩基础的延寿服役装置，其特征在于，包括：桩套结构(2)，所述桩套结构(2)包括第一桩套(21)和第二桩套(22)，所述第一桩套(21)适于套设于单桩基础(1)的外周，所述桩套结构(2)与单桩基础(1)固定连接，所述第二桩套(22)适于伸入海床内，在所述桩套结构(2)的自重作用下，所述桩套结构(2)部分沉入海床内，所述桩套结构(2)以部分分担单桩基础(1)的受到的荷载。2.根据权利要求1所述的海上风电单桩基础的延寿服役装置，其特征在于，所述第一桩套(21)、第二桩套(22)和单桩基础(1)同轴心设置。3.根据权利要求1所述的海上风电单桩基础的延寿服役装置，其特征在于，所述第二桩套(22)的外周壁与海床间为垂直设置或锐角设置。4.根据权利要求3所述的海上风电单桩基础的延寿服役装置，其特征在于，所述第二桩套(22)的外周壁上设有若干根助沉桩(23)，所述助沉桩(23)等间隔设置。5.根据权利要求4所述的海上风电单桩基础的延寿服役装置，其特征在于，所述助沉桩(23)的长度大于或等于第二桩套(22)的长度。6.根据权利要求4所述的海上风电单桩基础的延寿服役装置，其特征在于，所述第二桩套(22)的内壁上固定设有朝向若干个朝向单桩基础(1)设置的t形肋板(24)。7.根据权利要求6所述的海上风电单桩基础的延寿服役装置，其特征在于，所述第一桩套(21)上设有扰流环(3)。8.根据权利要求7所述的海上风电单桩基础的延寿服役装置，其特征在于，所述第二桩套(22)的外壁上设置有若干个等间隔设置的稳定翼(25)。9.根据权利要求8所述的海上风电单桩基础的延寿服役装置，其特征在于，所述第一桩套(21)的内径大于单桩基础(1)的外径，所述第二桩套(22)的外径大于或等于1.1倍单桩直径。10.根据权利要求9所述的海上风电单桩基础的延寿服役装置，其特征在于，所述第一桩套(21)内壁、与单桩基础(1)外壁以及海床平面间形成空腔，所述空腔内填充有灌浆料(4)。

技术总结
本实用新型涉及海上风电机组基础领域，具体涉及一种海上风电单桩基础的延寿服役装置。一种海上风电单桩基础的延寿服役装置，包括：桩套结构，所述桩套结构包括第一桩套和第二桩套，所述第一桩套适于套设于单桩基础的外周，所述桩套结构与单桩基础固定连接，所述第二桩套适于伸入海床内，在所述桩套结构的自重作用下，所述桩套结构部分沉入海床内，所述桩套结构以部分分担单桩基础的受到的荷载。本实用新型解决更换新的大容量风电机组后，现有的单桩基础无法支撑新的风电机组的缺陷，从而提供一种海上风电单桩基础的延寿服役装置。种海上风电单桩基础的延寿服役装置。种海上风电单桩基础的延寿服役装置。


技术研发人员：王卫 于光明 张泽超 罗仑博 翟汉波
受保护的技术使用者：中国长江三峡集团有限公司
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/7/23