风力发电机组延寿——风电机组基础运行疲劳损伤与检测

风力发电机组的基础用于安装、支承、平衡机组在运行过程中所产生的各种载荷，以保证其安全、稳定地运行。对老旧机组进行延寿工作之前，必须对机组基础进行全面的检查评估确保机组健康运行。

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风力发电机组的基础经过多年连续运行，在长期载荷作用下的疲劳损伤问题日益突显。早期的风电机组很多采用基础环结构，为钢筋混凝土柱下独立基础形式，依靠自身的重力来维持结构的稳定与强度，设计简单，可适用于任何地形和地质条件，是应用较为广泛也是数量最多的一种。但是，近年来不断有问题风电机组出现基础环与周边混凝土因长期风载荷作用导致脱开严重，进而引发机组塔架晃动，不能正常运行的安全事故，需要引起行业的密切重视。

风力发电机组基础类型：

由于风力发电机组型号与自重不同，要求基础承载载荷也各不相同。风力发电机基础均为现浇钢筋混凝土独立基础。根据风电场场址工程地质条件和地基承载力以及基础荷载、尺寸大小不同，从结构的形式看，常用的基础可分为：

(1)平板块状基础：即实体重力式基础，是目前国内应用最广泛的基础形式。对基础进行动力分析时，可以忽略基础的变形，将基础作为刚性体来处理，而仅考虑地基的变形。按其结构剖面又可分为“凹”形和“凸”形两种（如图1所示）。底座盘上的回填土是基础重力的一部分，这样可节省材料，降低费用。

图1 两种形式平板块状基础

在地面以下几米至几十米设置一定面积的平板块状基础，平板块比塔架底面积大很多，利用机组、基础及基础上覆盖层重量的偏心反作用力来抑制倾覆力矩。平板块上有一个比塔架底面积稍大一些的柱状体承台，用于和塔架连接。平板块形状常用正方形、六角形、八角形或圆形（如图2所示）。其中第一种为均匀平板块，当岩床距地面较近时选用，平板块必须有足够的厚度和合理的钢筋网。第二种平板块上部为锥形，可以节省材料。第三种将平板块用岩石锚固装置固定在岩层上，可以减小埋深及平板面积，但施工难度大。

图2 平板块形状分类

(2)桩基础：在地质条件较差地方，柱状的桩基础比平板块状基础能更有效地利用材料。目前普遍应用的有框架式桩基础、混凝土实心单桩基础、空心复合桩基础（如图3所示）。

图3 三种桩基础图

框架式桩基础，是桩基群与平板块桩帽的组合体，它是将几个至几十个圆柱形桩，利用一个平板块形桩帽把它们连接起来，桩帽上设计有与塔架连接的承台组成的基础。倾覆力矩由桩在垂直和侧面载荷两者抵抗，侧面载荷由施加于每个桩的顶部力矩产生，所以要求钢筋必须在桩和桩帽之间提供充分连续的力矩。多桩基础可以使用桩基钻孔机，高效率的打出几十米深的桩孔。

混凝土实心单桩基础，由一个大直径混凝土圆柱和其上面的与塔架连接的承台组成。适用于地基上部土层软弱、地基持力层位置较深，且开挖施工坑边缘不会塌方时采用，但混凝土消耗量大、成本高。

空心复合桩基础，比混凝土实芯单桩基础节省材料，但施工难度大。适用条件与混凝土实芯单桩基础相同。

(3)桁架式塔架基础：桁架式塔架基础的特点是腿之间的跨距比较大，并且还可以使用各自独立的基础桩（结构如图4所示）。一般在现场使用螺旋钻孔机钻孔后浇注混凝土桩，防止倾覆的作用力在桩上被简单地上提和下推，上提力和下推力被桩表面的摩擦力所抵抗。组成塔架基础的角钢框架，应提前进行组装，然后在给桩灌注混凝土时就地浇注。角钢框架应设置好间隔和倾斜度，以便上部桁架的安装。

图4 桁架式塔架基础

风力发电机组基础运行损伤与原因：

鉴衡通过对国内风电场的长期检测与调查研究，归纳出目前主要有以下基础损伤现象：

表层混凝土与塔架出现明显可见的脱开裂缝（例如正常运行荷载工况最大裂缝宽度超过0.2mm,极端荷载工况最大裂缝宽度超过0.3mm）以及混凝土受压破损，以主风向更为常见；

塔架周边出现泛浆现象；

钢筋剪断与周围混凝土破损；

混凝土内部空洞、裂缝、不密实；

混凝土腐蚀（氯化物的渗入、碱集料反应、硫酸盐及酸侵蚀、冻融作用）；

基础的差异沉降、累计沉降量超过规范要求、沉降速率增大；

桩基础的内部缺陷；

基础倾斜等。

图5 长期运行风载疲劳损伤发展

图6 基础裂纹与泛浆

图7 混凝土内部损伤

导致这些问题的原因通常包含：

长期运行中风载荷使得基础承受360°方向的重复荷载和大偏心受力，导致混凝土疲劳损伤；

混凝土的原材料、拌和物和易性、浇筑工艺、养护质量问题；

混凝土腐蚀问题；

设计问题等。

风力发电机组基础检测方法

目前，应用于机组基础检测的方法主要分为无损检测和微破损检测两大类，具体包括：

(1)无损检测方法

依据《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204-2015），进行机组基础整体外观检测：重点检查基础周边是否出现明显的脱开裂隙，防水层裂纹，混凝土压溃以及冒浆的现象，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。

依据《风电机组地基基础设计规定》（FD 003-2007）、《建筑变形测量规范》（JTJ 8-2016），进行基础沉降检测，用以评定基础水平倾斜情况。

依据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23-2011），进行混凝土表面强度回弹检测，用以评定混凝土的表面强度。

依据《雷达法检测混凝土结构技术标准》（JGJ/T 456-2019），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。

依据《风力发电机组 验收规范》（GB/T 20319-2017），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。

依据《建筑桩基检测技术规范》（JGJ 106-2014），进行桩基完整性检测：高应变、低应变、超声波检测。

(2)微破损与其他检测方法

依据《钻芯法检测混凝土强度技术规程》（JGJ/T 384-2016），进行混凝土钻芯，该检测可以评定基础混凝土强度和密实度。

依据《钻芯法检测混凝土强度技术规程》（JGJ/T 384-2016），进行钻孔视频检测，该方法可以评定混凝土内部空腔和钢筋周边混凝土压碎情况。

依据《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204-2015），进行基础混凝土局部破拆，用以确认混凝土质量和内部损伤。

依据《建筑桩基检测技术规范》（JGJ 106-2014），进行桩基载荷试验检测，包含：单桩竖向抗压静载试验、单桩竖向抗拔静载试验、单桩水平静载试验等。

依据《建筑地基检测技术规范》（JGJ 340-2015）,进行天然地基、复合地基承载力检测，包含：标准贯入试验检测、动力触探试验检测等。

依据鉴衡认证发布的《风力发电机组延寿技术规范》（CGC/GF 149:2020），陆上基础重点关注基础与塔架连接附近的裂缝，对裂缝的长度进行定期测量，判断其是否在合理范围内；同时对基础的混凝土强度、水平度进行检测，对基础的沉降观测数据进行分析，并对基础内部的密实度进行无损探伤检测。

检测周期

运行期的不同阶段，建议的基础检测周期有所不同（如表1所示），同时我们建议对机组的基础检测数据进行单机建档并长期跟踪分析。

表1 建议基础检测周期

总结

对于已经长期运行风力发电机组，风载引发基础疲劳问题随着运行年限的增加日益突显。我国的风场环境千差万别，以承受动载荷为主的机组基础结构面临着较大的安全风险。通过对国内大量风电场风电机组基础损伤问题的检测与调查研究，鉴衡提出一套适时可行的检测方案，以便风场工作人员定期开展对基础的检测作业，并建立检测数据档案，长期追踪基础的损伤问题，避免重大的机组运行安全风险。

基础的疲劳损伤会直接影响延寿的决策，延寿前和延寿期间的基础损伤监控和检测是机组延寿的重要内容。对此，鉴衡发布了《风力发电机组延寿技术规范》，其中对陆上基础、海上基础的不同关注点作出了规定。

此外，为了进一步加深行业对延寿的了解，鉴衡还将针对更多延寿技术的关键模块开展专题讨论，包括：延寿的检查、外部条件的分析、运行状态的分析、模型建立方法、寿命计算方法、延寿与技改等。