2600吨起重机吊起1700吨海上风电巨型单桩，附未来单桩基础成本竞争力解决方案

风能专委会CWEA 2022-08-01

9月4日，豪氏威马（Huisman）在厦门工厂用自己的“擎天吊”（Skyhook起重机）吊起了首批1700吨巨型海上风电单桩基础，该款新型吊车可以吊起最高重达2600吨的单桩。而随着未来海上风电大容量风电机组不断升级后，超巨型单桩越做越大、越做越重，能否保证单桩制造和运输成本的竞争力，是一个不得不考虑的难题，本文后附一篇有关下一代超巨型单桩制造和设计协同的重磅文章，供参考。

参考视频：豪氏威马用Skyhook吊起了第一批海上风电单桩

2600吨“擎天吊”在豪氏威马中国厦门生产基地

豪氏威马中国厦门生产基地自有码头，矗立着一台名为“擎天吊”的门座式起重机，起重能力达2600吨。它可在满载时沿码头岸线移动。擎天吊类型独特，加载配重块时，起重能力达2,600吨（工作半径30米）；不带配重时，起重能力为1,200吨（工作半径23米）。

9月4日，厦门工厂吊起了首批海上风电单桩，单桩重1700吨（不包括索具）。

此台2600吨的擎天吊，是由豪氏威马设计并建造的世界上最大的全回转码头起重机。该起重机服务于豪氏威马集团位于中国厦门港的生产基地。它专为重型设备的装载而设计，例如Heerema公司Sleipnir船舶上的双10,000吨盆座式起重机和Boskalis的3000吨桅杆式起重机的装载。通过这次吊装作业，豪氏威马充分展示出其擎天吊在海上风机装运港口也可以大有作为。

豪氏威马产品经理Cees van Veluw表示：

随着全球海上风电市场发展，我们看到，更持久、更灵活的吊装方案是进一步提高物流链效率的关键。擎天吊的起重能力能够匹配我们在不久的将来所看到的单桩基础尺寸，而双主钩的设计为快速简便的连接及操作负载提供了巨大的优势。随着全球范围内新的海上风机装运港的发展，我们可以看到擎天吊在进一步优化海上风机和单桩基础的物流作业方面有着巨大的应用前景。

豪氏威马2,600吨“擎天吊”能力除了包括有30m半径的2600吨起吊能力，超级飞臂的提升高度可达到水面以上170米高，这特别适合于海上风电设备的运输和吊装。豪氏威马擎天吊的特点及优势：全电驱系统，减少了维护，提高了可靠性，并有可能将再生电能回馈电网。双主钩提升系统，使得在索具配置上有很大的灵活性。有限的轨道载荷，从而降低了码头的建造成本。优化了配重系统，避免了吊载轻负载时的过度磨损。抗台风功能，可以在台风状况下将吊臂下降到特殊角度进行存放，因此起重机适用于多台风地区。型号可为客户量身定制，安装工作载荷可达5000吨。具体型号可根据特定的当地需求进行定制。

巨型风电单桩在未来海上风电市场或可继续保持竞争优势

《欧洲海上风电》报告显示，单桩占80%的海上风电基础份额

今年7月，单桩生产商Steelwind Nordenham为台湾云林海上风电场发送了最后四个单桩。根据合同，Steelwind Nordenham将为整个风电场提供80个单桩，其中40个完整单桩的在德国生产并发运，另外40个单桩，先在Nordenham制造120个单桩段，再发往台湾进行组装。

云林海上风电场总装机640MW，配备80台西门子歌美飒8.4MW风电机组。计划于2021年底并网。

最后的四个单桩于7月8日被装载从德国诺登汉的单桩基础制造基地发船。

Steelwind Nordenham于2018年12月被选为云林项目的首选供应商。2019年6月，第一份订单确定。第一批单桩2019年10月从Nordenham发运。

第一批单桩由Biglift运输

越来越大型的海上风机发展趋势，对机舱和单桩的运输和吊装形成挑战

未来，随着风电机组容量的增大，机舱和单桩的吊装将是海上风电安装巨大的挑战。2019年底，全球首个12MW风电巨无霸GE Haliade-X 12MW 在荷兰鹿特丹港安装，风机机舱净重达675吨，加上吊具，起吊总重量超过780吨，需要两台吊车才能安装好。因吊装难度加大，在荷兰鹿特丹港安装时，光等待一个无风的时间窗口，就花了整整两天时间。在海上安装超大型单桩，同样是一个难题。参考：视频 | 利勃海尔大吊车挑战780吨全球最大海上风机。

吊装GE Haliade-X 12MW 的机舱，总重量780吨

目前，西门子歌美飒已经发布了14MW的风机，首先将在中国台湾和美国海上风电场安装。未来几年，15MW甚至超过20MW的风机也很快就会研制出来，风机越做越大，承载大风机的海上风电基础，包括单桩基础、导管架基础或漂浮式基础也势必越做越大，越来越重。

8月27日，在济南召开的2020海上风电大会上，全球海上风电之父Henrik Stiesdal预测2030年海上风机将达到20MW容量，叶轮直径超过275m。

如何将单桩基础做大的同时做轻？

7月6日，由中国三峡参股的苏格兰Moray East风电场的首套三根腿的导管架基础下水。采用三腿式结构可以节约风电基础材料的成本，且能在超过50米水深海域使用，是海上固定单桩基础到漂浮式的很好的过渡方案。但重量依旧超过1000吨，钢材的使用非常多。参考：视频 | 三条腿的导管架基础在英国Moray East风电场安装。

点击播放（50秒）三腿导管架基础下水，带字幕

第一个三腿导管架基础已经安装完毕（DEME offshore）

2019年4月，为台湾云林风电场提供单桩的生产商 Steelwind Nordenham 在 Offshore WIND Magazine 杂志第4期上发布了一篇非常有参考价值的文章，文章提出，成功用于超过40米水深的超大型单桩（XXL-Monopiles）还有必要更进一步，制造出“超越XXL”的单桩（又叫超超大型单桩，下一代XXL-Monopile），进一步降低成本，以配合未来超过15MW的海上风机使用。风能专委会特将文章内容编译出来，供业界参考。原文位置：https://www.offshorewind.biz/2020/05/11/beyond-xxl-slim-monopiles-for-deep-water-wind-farms/

用于云林海上风电场的“超越XXL”单桩（重量：1732 吨，直径：8 米，长度：93 米）；资料来源：FHI公司Steelwind Nordenham

单桩的演化及主要设计驱动力

回到2010年，没有人能想象出10MW风电机组和超大型单桩（XXL-Monopiles）会成为海上风电基础设施的最新技术。但如今，海上风电进入远海和深海后，将使用最大超过14MW的风机，水深甚至超过65米，海上环境更恶劣。

超超大型单桩（下一代XXL-Monopile）应运而生，其设计主要驱动因素，必须考虑：

海上风电机组最大功率达15MW，风轮直径超过230米。（编者按：2020年，数据可能会修正为20MW，275米）
极高的风荷载，特别是因飓风或台风带来的极端风荷载。
水深达65米。
大西洋和太平洋底汹涌的波浪带来的载荷。

这些因素，使得在进行超大型单桩设计时，要考虑底部直径达8至11米之间，长度最大达120米，壁厚最大为150毫米。这样，单桩的最终重量可能高达2400吨。

超过2400吨的单桩，是否还能保持其经济性？对比导管架基础和漂浮式，还有何优势可言？为此，设计时，需要引入设计和制造优化的思想，以确保单桩继续保持最经济基础的美誉。

因单桩的成本主要是钢材，因此保持单桩经济性的方法，无疑需要减轻单桩的重量，也即减少钢材的使用量。减重的方法可以使用高强度钢，但这一般只在某些需要高应力的罐体设计部分使用高强度钢，而像风电基础这样的抗疲劳设计的地方，并不会使用高强度钢。因此，减轻重量的另一种最优选择是增加“Ø/ t比”（直径/厚度比），这样则会产生更“细长”的单桩。这种发展趋势，需要对几个设计主题以及诸多制造方面的细节进行分析。必须对整个制造过程进行调整，才能既安全又经济地制造出细长的超巨型单桩。

设计研究：可以加大细长比

Steelwind Nordenham针对不同的水深、海底土壤条件和高达15 MW的风电机组分别进行了设计研究，不同的风电机组也的刚度要求也各不相同。

由于打桩的原因，传统的桩在细长比设计时有个限度，即Ø/ t = 100至120之间。这将导致桩的重量远远超过2400吨。研究显示，实际的细长比Ø/ t可以从100到190不等。

采用高达160的细长比的单桩实际上也是可行的，并且适用于深水和大型风电机组。在给定条件下，这些单桩的直径可达11米，桩重可达2000吨。

这时候，又出现了两个主要的问题：如何加工制造如此超大型的细长单桩？又该如何运输和吊装如此规模的细长单桩？

问题1：如何加工制造超大型单桩？

单桩桩体制作：将扁平钢板冷压成型圆柱罐体

单桩的制造过程，首先应将扁平钢板冷压成型为圆柱罐体的单桩段。单桩段必须由合适的支撑点支撑，而不会被损坏。下图1的左侧显示了由于桩体自重引起的典型应力分布（细长比为160，通过FEM分析）。

如果细长度超过Ø/ t = 100，则局部弯曲和环向应力会随着细长度而增加。滚轴支架距罐体或型材边缘的距离，以及滚轴支架的宽度在避免塑性变形方面起着重要作用。另一方面，在使用钢质支撑滚轴时，必须考虑罐体与支撑滚轴之间接触区域的赫兹接触应力。

图1：由于局部应力，支撑滚轴上被允许的罐体重量随壁厚的变化曲线（单位：吨，毫米）

在支撑滚轴上由于自重就可以产生变形。图2显示了支撑滚轴上的罐体或单桩段的最大挠度（或变形度，单位：mm），具体数据会随着单桩的直径（从7米到12米）和细长比（由罐体壁厚度从30mm至120mm）而变化。单柱段越细长，这种影响就越会在以后的单桩组装过程中引发问题。因此，需要使用其他的支撑结构来保持罐体的圆形保持不变。

图2：随着单桩直径和细长比的增加，罐体或型材的最大变形度

问题2：运输和储存带来的问题

单柱段在制造过程中通常由起重机和C型梁运输。类似于支撑滚轴的情况，单柱段的自重会在与C型梁的接触区域引起较高的局部弯曲应力，特别是对于细长的部件，会发生塑性变形。（如红色区域所示）

图3显示了此载荷工况的评估结果，该评估是针对直径在10至12米之间的单柱段进行的。处于中间位置的细长比就已经存在塑性变形的风险。因此，提升和吊车装置也必须以适当的方式进行改进。

图3：用C型梁起重的单柱段极限细长比推导过程

进一步加工制造单柱段的过程中，也要考虑好支撑结构的问题。通常认为，600至1200吨以上的中段和单桩段，要有两个或两个以上的位置做好支撑。

对于大型和重型单桩的支撑件而言，设置好最佳支撑位置，可产生较均匀的支撑力，如图4所示。特别是对于单柱底部圆锥形过渡附近的圆锥形支撑点，会在这些支撑点处产生额外的高应力。

图4：重型单桩所设计支撑点的最佳位置

单柱底部圆锥形过渡附近的圆锥形支撑点示意图

正如上面的图示，超大型细长单桩在制造、运输和存储各个环节，都需要进行非常全面的计划，因此在生产前就该做好详细预案和规划，以避免未来产生损坏。

必不可少的通力协作

综上所述，未来设计出超超大型细长的单桩基础（下一代XXL-Monopile）完全没有问题，但在生产和制作包括存储运输过程中，则需要充分考虑到一些“随机因素”，包括：必须注意支撑结构的类型和位置。注意搬运设备。注意其他加固支撑的结构。注意特殊的运输和存储条件等等。

如果不仔细考虑上述随机因素，可能会导致单柱结构的严重损坏。为了使制造过程就适应未来的安装过程，通常需要进行大量的投资。这些投资如果加上额外浪费的制造时间，都可能导致成本的大幅增加。只有尽可能早地在设计阶段就考虑到制造阶段，才能找到最佳平衡点。可以说，设计和制造过程的通力协作是超超大型单桩继续保持竞争力的关键。

关于Steelwind Nordenham GmbH

Steelwind Nordenham GmbH是欧洲重型钢板市场领导者迪林格集团（Dillinger）旗下公司，自2015年以来一直在德国Nordenham港制造单桩和过渡件，目前可生产单重达2400吨的“单件”单桩基础。单件式单桩基础通过将过渡件的某些部分集成到单桩中，用单独的单桩和过渡件替代了先前的设计。这样，单桩可以长达120米，其单柱基础所用的钢材来自迪林格。 CWEA

参考来源：豪氏威马、Steelwind Nordenham

https://www.huismanequipment.com/cn/media_centre/press_releases/news_item/148/Huisman-lifts-first-batch-of-monopoles-with-Skyhook-crane

https://www.huismanequipment.com/cn/products/cranes/various_cranes

http://www.steelwind-nordenham.de/

http://www.steelwind-nordenham.de/steelwind/produkte/megamonopiles/index.shtml.en 巨型单桩基础

https://www.offshorewind.biz/2020/05/11/beyond-xxl-slim-monopiles-for-deep-water-wind-farms/

https://www.offshorewind.biz/2020/07/09/steelwind-nordenham-sends-off-last-yunlin-monopiles/

https://www.bigliftshipping.com/en/projects/monopiles-and-tps-for-yunlin-project

编译：风能专委会CWEA公众号

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