漂浮式海上风机施工安装现状与发展趋势及技术挑战

漂浮式海上风机是开发和利用海上风能资源的关键技术装备,对拓展海上风电的开发空间具有重要战略意义。施工安装是漂浮式海上风机全生命周期的重要环节,也是实现海上风电经济、安全和高效开发的关键。然而随着海上风机的深远海和大型化发展,施工安装难度大幅提升,现有安装工艺及技术装备无法满足其安装作业需求。本文首先回顾了国内、外漂浮式海上风机发展历程,展望了未来漂浮式海上风机在降本增效以及解决施工安装难题中的创新设计理念;然后在此基础上,通过工程案例分析,总结梳理漂浮式海上风机运输安装工艺,分析漂浮式海上风机运输安装关键问题与技术挑战;最后针对漂浮式海上风机施工安装难题,从新工艺、新装备和新技术等方面提出发展建议,以期为漂浮式海上风电迈向深远海提供参考。

基于循环孔洞扩张模型的海工钢超低周疲劳断裂分析与预测

基于微观断裂机理的循环孔洞扩张模型是一种进行超低周疲劳断裂分析及预测的有效方法。在该方法中,孔洞扩张指数与损伤退化参数是控制裂纹扩展进程的重要参数。受生产工艺的影响,不同批次钢材的孔洞扩张指数与损伤退化参数往往存在较大差异,使得对结构的超低周疲劳断裂分析存在准确性不足的问题。为解决上述问题,本文采用光滑圆棒、平滑槽口圆棒及缺口试样开展试验,进行钢材超低周疲劳特性研究,探索试样开裂机制和损伤演化规律;其次,编写基于循环孔洞扩张模型的VUSDFLD程序,结合圆棒试验结果进行有限元分析,校准孔洞扩张指数及损伤退化参数;最后,基于前述理论和程序,开展缺口试样超低周疲劳断裂研究,分析裂纹萌生及裂纹扩展速率,并就试样的超低周疲劳断裂寿命展开预测。结果表明,基于循环孔洞扩张模型的超低周疲劳断裂进程与试验结果比对良好,适用于超低周疲劳断裂寿命预测。

波浪作用下平台吊放遥控水下机器人系统共振响应研究

针对平台吊放遥控水下机器人(Remotely operated underwater vehicle, ROV)过程中产生的复杂的共振现象会激发ROV剧烈的摆动和纵荡响应,从而影响下放安全的问题,本文基于Orcaflex软件建立了平台-吊缆-ROV耦合运动系统的数值仿真模型,采用时域分析方法,研究波浪作用下平台吊放ROV过程的空中下放阶段和水中下放阶段的共振响应特性。结果表明:空中下放阶段,单摆共振周期公式可以估算吊缆-ROV系统摆动周期,系统共振周期随缆长增加而不断增大;由于吊缆-ROV系统会同平台发生纵摇的谐振,下放过程中出现共振摆动和纵荡响应尤为剧烈的阶段。水中下放阶段,本文对单摆公式进行了修正,系统摆动周期估算误差低于4%;海水阻尼使系统共振摆角随缆长增加而减小,共振摆动得到明显抑制;流荷载导致吊缆-ROV系统共振周期的增大,且流速越大,共振周期增加越明显。在常见海况下放ROV时,下放过程存在共振区,可通过选择合适的下放速度以减小下放过程中的共振效应。

基于ANN算法的海洋平台动力定位前馈-反馈控制方法

鉴于动力定位控制策略中的前馈控制与反馈控制方法具有不同的优缺点,提出一种基于人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)算法的二阶差频波浪力前馈控制与浮体位置反馈控制相结合的动力定位前馈-反馈控制方法,通过低频波浪载荷的超前预测提前做出反应,并对实时位置信息进行反馈控制以纠正前馈信息的误差及其累积效应,从而实现前馈、反馈两种控制模式的优势互补。对某半潜式平台动力定位模式进行数值仿真,验证所提出的前馈-反馈控制方法的可行性和有效性,与单一的前馈或反馈控制相比,平台动力定位的精度和稳定性得到显著提升。

腐蚀影响下深海平台系泊锚链疲劳损伤评估

由于海洋环境的强腐蚀性,海洋工程结构腐蚀成为其疲劳损伤评估的重要影响因素。结构疲劳与腐蚀耦合作用机理复杂,往往需要借助试验和实测数据进行研究,但这些方法周期长、成本高且干扰因素众多,实现难度大。该文用锚链直径损失表征其逐年腐蚀效应,基于时域疲劳计算方法和常用腐蚀模型,探讨了腐蚀要素对某半潜式平台系泊锚链疲劳损伤的影响规律,可为实际工程设计提供理论指导和参考依据。

极浅水大潮差海域漂浮式海上光伏阵列系泊系统优化设计

面向海上太阳能资源开发,提出一种轻量化单层框架式漂浮式海上光伏支撑结构。为应对极浅水、大潮差给漂浮式海上光伏阵列系泊系统设计带来的极大挑战,考虑风、浪、流等环境载荷联合作用,采用时域耦合动力分析方法对漂浮式光伏阵列与系泊系统整体动力响应进行数值仿真,探究不同系泊参数对模块阵列运动响应和系泊缆受力等的影响规律。结果表明,合理选择系泊半径、浮子位置、浮子净浮力和预张力大小等可有效改善漂浮式海上光伏模块阵列的运动响应和系泊缆张力。基于此对系泊系统进行优化设计,并给出满足工程要求的系泊系统设计方案。

半潜式平台垂荡响应抑制措施研究

半潜式平台垂荡响应较大,对生产平台立管和采油树系统的选择、钻井平台钻杆升沉补偿装置等提出更高要求,增大了作业和维护成本。针对这一问题,在传统结构基础上提出了三种新的结构概念:1)在浮筒底部加垂荡板;2)沿立柱外延加垂荡板;3)改变立柱为变截面结构。通过数值分析对各平台模型水动力性能进行比较,结果表明,各新型结构对半潜式平台垂荡起到一定程度的抑制效果。由于在浮筒底部加垂荡板的方案效果比较突出,对该方案进一步做了优化和改进工作,并对平台在南海百年一遇波浪环境条件下的垂荡响应概率密度函数和响应极值进行了预报和对比研究。

基于神经网络模型的波候变化影响下深海系泊缆疲劳损伤评估

全球气候变化导致波候变化显著,这一现象会造成系泊缆疲劳损伤的加速累积,危及到海洋平台的正常作业,甚至引发重大安全事故。然而,目前常用的频率和时域疲劳损伤评估方法均无法既准确又高效地计算考虑波候变化后的疲劳损伤。本文提出了一种基于贝叶斯正则化BP(back propagation)神经网络算法的深海浮式平台系泊系统疲劳损伤评估方法,在保证疲劳损伤评估精度的同时大幅提升了计算效率。以作业于北海的某半潜式平台和某单立柱平台及其系泊系统为研究对象,探究了波候变化对深海浮式平台系泊缆的全寿命期内疲劳损伤的影响规律,验证了方法的可行性与准确性,可为深海系泊缆的疲劳设计提供技术指导和解决方案。

环境激励下海上风电结构模态参数识别

针对海上风电结构,研究了环境激励下海上风电结构的模态参数识别问题。采用了一种时域联合算法:自然激励法(Natural Excitation Technique,简称NExT)和多参考点复指数法(Polyreference Complex Exponential,简称PRCE)的结合(简称NExT/PRCE方法)对海上风电结构的模态参数进行识别。对某三脚架式海上风电结构进行数值模拟,考虑了风电结构的实际操作工况,对结构施加了随机波浪荷载和风机载荷。利用动力响应数据进行了环境激励下风电整体结构模态参数识别,采用了稳定图与模态置信准则进行了虚假模态的剔除,并分析了NExT中参考通道选取对于模态参数识别效果的影响。通过与有限元模型模态参数比较,验证了NExT/PRCE方法对于风电结构参数识别的有效性。

海洋工程发展趋势与技术挑战

海洋是生命的摇篮、资源的宝库、交通的命脉和战略的要地,海洋工程是高质量、可持续开发与利用海洋的重要基础和关键支撑。在海洋强国建设及“双碳”目标等政策驱动下,我国海洋工程在全球发展格局中的核心支撑作用日益凸显,也面临着重要发展机遇与技术挑战。本文以我国海洋资源开发重大需求为导向,分析全球发展趋势,明确我国海洋工程发展的现状与短板;在此基础上,重点围绕海洋油气、海上风电、海上光伏、海底采矿及海洋养殖工程五大关键领域,深入分析关键领域所面临的新形势、新趋势及发展机遇。通过梳理其中关键科学问题、优势方向及不足,阐明瓶颈问题及技术挑战,指出重点突破方向,以期为今后的海洋资源开发利用以及海洋工程的发展提供科学指导和参考依据。

海洋科学装备研究进展与发展建议

海洋科学装备是知海、用海、护海的重要基础。本文从深入认知海洋、合理利用海洋、积极保护海洋、有效管控海洋四方面对我国海洋科学装备的需求进行了剖析,系统梳理了世界海洋强国在海气界面观测装备、水下移动式观测装备、海底观测网络系统等海洋科学观测平台领域的发展现状,总结了未来海洋科学装备的发展趋势;阐述了我国在海洋遥感卫星、海洋科考船、海洋深潜器、海底观测网络等海洋科学装备领域取得的进展,对标国际先进水平分析了通用技术、核心装备、集成系统等方面存在的差距与不足。研究提出了适合国情的发展建议,包括基础理论研究和关键技术突破、新型海洋科学装备研发和成果转换、海洋科学装备共享机制和综合服务平台、国际合作机制和标准体系建立,以期为海洋科学装备更好服务于国家海洋强国战略实施提供方向参考。

基于人工神经网络算法的深海浮式系统动力响应预报方法

深海浮式系统面临复杂恶劣海洋环境载荷的持续作用,海洋工程灾难性事故时有发生。论文通过优化神经网络结构、对比不同神经网络方法,发展了一种以附加动量法的BP神经网络为基础的浮式平台运动及系缆张力等动力响应统计值的计算预报模型。结合天气预报数据,该预报模型可实现深海浮式系统响应的即时计算和危险状态的超前预警,以便提前采取措施保障浮式系统的作业安全。某深海半潜式生产平台的计算实例表明,该动力响应预报模型在常规作业海况、极端生存海况下均具有较高的精度和较好的稳定性。

基于多失效模式的海上浮式风电机组结构可靠性研究

为准确评估浮式海上风电机组结构服役安全性,提出一种基于多失效模式的可靠性评估方法。以美国国家可再生能源实验室(NREL)研制的5 MW浮式风力发电机组OC3 Hywind为目标模型,根据不同海况下浮式风电机组结构耦合动力响应分析结果,分析关键结构的不同失效模式,最后基于多失效模式的可靠性评估方法计算整体系统可靠性。结果表明,考虑串联系统,基于多失效模式可靠性分析方法得到的海上浮式风电机组结构整体的失效概率远高于单一模式失效概率,采用此方式评估结构可靠度更加安全准确。

风浪流环境要素对半潜式平台气隙响应特性的影响研究

以三维势流理论为基础,针对风/浪/流联合作用下系泊半潜式平台的气隙响应特性开展研究,比较分析了波浪单独作用和风/浪/流联合作用对半潜式平台气隙响应特征的影响规律,探讨了风、浪、流等环境要素对半潜式平台气隙响应的贡献,同时开展了半潜式平台气隙响应对环境荷载方向的敏感性分析。结果表明:浪/风、浪/流作用下平台气隙值较波浪单独作用时有所减小,且海流的影响较风的影响更为显著;风/浪/流联合作用时,平台气隙值将进一步减小,出现负气隙的概率更大。对环境要素不同入射角度作用下的平台气隙响应进行对比,发现当荷载45度作用时平台气隙最小,情况最危险。

环境荷载作用下海上浮式风电结构动力响应研究

针对半潜式海上浮式风电结构,建立结构整体有限元模型,通过对其进行水动力分析以及风浪作用下整体结构时域动力响应分析,研究不同结构参数,如立柱间距、立柱直径、结构吃水以及是否有压水板对结构动力响应的影响。分析结果表明:立柱间距与压水板对于结构水动力影响较大,结构时域响应受立柱间距、立柱直径及压水板影响明显。

深海半潜式平台与系泊系统动力耦合的边界约束效应研究

深海浮式平台与其系泊系统的耦合作用显著,在数值分析中,需要合理确定二者耦合边界的模拟方法。本文以深水半潜式钻井平台及其系泊系统为研究对象,将浮体与系泊之间复杂的连接边界简化为固接、铰接和弹簧连接三种边界约束模型,提出了弹簧连接中相关参数的确定方法,并将不同边界约束下系缆张力的计算结果与模型试验数据进行对比验证。通过算例分析,探讨不同边界约束对平台运动、系缆张力及其疲劳损伤的影响,给出设计分析的选择建议。

海洋工程:发展趋势与技术挑战

海洋是地球上远未充分开发的资源宝库,对人类社会的持续发展有着重要的影响和作用。我国是海洋大国,拥有绵长的海岸线、广阔的海洋国土以及上万个岛屿,蕴藏着丰富的海洋资源和广泛的海洋战略利益。

高丰度稀土永磁材料的研究现状与展望

随着稀土永磁材料应用领域的扩大及需求量的猛增,导致关键稀土元素(Pr、Nd、Dy、Tb)的过度使用,而高丰度稀土元素(La、Ce、Y)却不断积压.高丰度稀土永磁材料不仅可以降低成本,还可实现稀土资源综合平衡利用,出于国家战略安全和原材料成本角度考虑,高性价比的高丰度稀土永磁材料的研究与开发势在必行.近年来,大量学者对高丰度稀土永磁材料的高值化利用展开了广泛研究.然而,在不同成分合金中,其主相热稳定性、第二相种类、相析出行为、价态、微量元素的偏聚冶金行为等方面均与目前广泛使用的Nd基商业磁体存在较大差异.综述了高丰度稀土永磁材料的相结构、磁性能、微观结构和耐蚀性能等研究现状,并为其进一步开发与利用提出了建议.

高性能烧结NdFeB磁体对辊“条片浇铸”新工艺

对辊“条片浇铸”新工艺 ,将 Nd Fe B铸锭中出现树枝状 α- Fe的最低稀土总含量降低到 2 8.5wt% ,且富 Nd相分布更均匀 ,Br显著提高 ,工艺简化 ,适合批量生产4 8M档以上高性能烧结 Nd Fe

Nd取代对Pr-Nd-Fe-B烧结磁体耐腐蚀性的影响

以HAST加速寿命试验后磁体失重,以及在不同腐蚀介质中磁体动电位极化曲线为表征,研究稀土元素Nd取代Pr对烧结Pr-Nd-Fe-B磁体耐腐蚀性的影响.结果表明:用Nd完全取代Pr后,磁体失重减小,室温下在0.1 mol/L HCl溶液、3.0%NaOH溶液、3.5%NaCl溶液中腐蚀电位不同程度地正移,表明磁体耐腐蚀性得到改善.通过场发射扫描电子显微镜观察HAST试验后磁体的微观组织形貌发现,Nd取代Pr后,晶界分布变得更加连续、清晰,且晶界交隅处的富稀土相含量减少,从而延缓了晶界腐蚀速率,使磁体的总体耐腐蚀性得到提升.