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北極星風力發電網訊:9月4日，豪氏威馬（Huisman）在廈門工廠用自己的「擎天吊」（Skyhook起重機）吊起了首批1700噸巨型海上風電單樁基礎，該款新型吊車可以吊起最高重達2600噸的單樁。而隨著未來海上風電大容量風電機組不斷升級後，超巨型單樁越做越大、越做越重，能否保證單樁製造和運輸成本的競爭力，是一個不得不考慮的難題，本文後附一篇有關下一代超巨型單樁製造和設計協同的重磅文章，供參考。
2600噸「擎天吊」在豪氏威馬中國廈門生產基地
豪氏威馬中國廈門生產基地自有碼頭，矗立著一臺名為「擎天吊」的門座式起重機，起重能力達2600噸。它可在滿載時沿碼頭岸線移動。擎天吊類型獨特，加載配重塊時，起重能力達2,600噸（工作半徑30米）；不帶配重時，起重能力為1,200噸（工作半徑23米）。
9月4日，廈門工廠吊起了首批海上風電單樁，單樁重1700噸（不包括索具）。
此臺2600噸的擎天吊，是由豪氏威馬設計並建造的世界上最大的全迴轉碼頭起重機。該起重機服務於豪氏威馬集團位於中國廈門港的生產基地。它專為重型設備的裝載而設計，例如Heerema公司Sleipnir船舶上的雙10,000噸盆座式起重機和Boskalis的3000噸桅杆式起重機的裝載。通過這次吊裝作業，豪氏威馬充分展示出其擎天吊在海上風機裝運港口也可以大有作為。
豪氏威馬產品經理Cees van Veluw表示：
隨著全球海上風電市場發展，我們看到，更持久、更靈活的吊裝方案是進一步提高物流鏈效率的關鍵。擎天吊的起重能力能夠匹配我們在不久的將來所看到的單樁基礎尺寸，而雙主鉤的設計為快速簡便的連接及操作負載提供了巨大的優勢。隨著全球範圍內新的海上風機裝運港的發展，我們可以看到擎天吊在進一步優化海上風機和單樁基礎的物流作業方面有著巨大的應用前景。
豪氏威馬2,600噸「擎天吊」能力除了包括有30m半徑的2600噸起吊能力，超級飛臂的提升高度可達到水面以上170米高，這特別適合於海上風電設備的運輸和吊裝。豪氏威馬擎天吊的特點及優勢：全電驅系統，減少了維護，提高了可靠性，並有可能將再生電能回饋電網。雙主鉤提升系統，使得在索具配置上有很大的靈活性。有限的軌道載荷，從而降低了碼頭的建造成本。優化了配重系統，避免了吊載輕負載時的過度磨損。抗颱風功能，可以在颱風狀況下將吊臂下降到特殊角度進行存放，因此起重機適用於多颱風地區。型號可為客戶量身定製，安裝工作載荷可達5000噸。具體型號可根據特定的當地需求進行定製。
巨型風電單樁在未來海上風電市場或可繼續保持競爭優勢
《歐洲海上風電》報告顯示，單樁佔80%的海上風電基礎份額
今年7月，單樁生產商Steelwind Nordenham為臺灣雲林海上風電場發送了最後四個單樁。根據合同，Steelwind Nordenham將為整個風電場提供80個單樁，其中40個完整單樁的在德國生產並發運，另外40個單樁，先在Nordenham製造120個單樁段，再發往臺灣進行組裝。
雲林海上風電場總裝機640MW，配備80臺西門子歌美颯8.4MW風電機組。計劃於2021年底併網。
Steelwind Nordenham於2018年12月被選為雲林項目的首選供應商。2019年6月，第一份訂單確定 。第一批單樁2019年10月從Nordenham發運。
越來越大型的海上風機發展趨勢，對機艙和單樁的運輸和吊裝形成挑戰
未來，隨著風電機組容量的增大，機艙和單樁的吊裝將是海上風電安裝巨大的挑戰。2019年底，全球首個12MW風電巨無霸GE Haliade-X 12MW 在荷蘭鹿特丹港安裝， 風機機艙淨重達675噸，加上吊具，起吊總重量超過780噸，需要兩臺吊車才能安裝好。因吊裝難度加大，在荷蘭鹿特丹港安裝時，光等待一個無風的時間窗口，就花了整整兩天時間。在海上安裝超大型單樁，同樣是一個難題。參考：視頻 | 利勃海爾大吊車挑戰780噸全球最大海上風機。
目前，西門子歌美颯已經發布了14MW的風機，首先將在中國臺灣和美國海上風電場安裝。未來幾年，15MW甚至超過20MW的風機也很快就會研製出來，風機越做越大，承載大風機的海上風電基礎，包括單樁基礎、導管架基礎或漂浮式基礎也勢必越做越大，越來越重。
8月27日，在濟南召開的2020海上風電大會上，全球海上風電之父Henrik Stiesdal預測2030年海上風機將達到20MW容量，葉輪直徑超過275m。
如何將單樁基礎做大的同時做輕？
7月6日，由中國三峽參股的蘇格蘭Moray East風電場的首套三根腿的導管架基礎下水。採用三腿式結構可以節約風電基礎材料的成本，且能在超過50米水深海域使用，是海上固定單樁基礎到漂浮式的很好的過渡方案。但重量依舊超過1000噸，鋼材的使用非常多。參考：視頻 | 三條腿的導管架基礎在英國Moray East風電場安裝。
2019年4月，為臺灣雲林風電場提供單樁的生產商 Steelwind Nordenham 在 Offshore WIND Magazine 雜誌第4期上發布了一篇非常有參考價值的文章，文章提出，成功用於超過40米水深的超大型單樁（XXL-Monopiles）還有必要更進一步，製造出「超越XXL」的單樁（又叫超超大型單樁，下一代XXL-Monopile），進一步降低成本，以配合未來超過15MW的海上風機使用。
單樁的演化及主要設計驅動力
回到2010年，沒有人能想像出10MW風電機組和超大型單樁（XXL-Monopiles）會成為海上風電基礎設施的最新技術。但如今，海上風電進入遠海和深海後，將使用最大超過14MW的風機，水深甚至超過65米，海上環境更惡劣。
超超大型單樁（下一代XXL-Monopile）應運而生，其設計主要驅動因素，必須考慮：
海上風電機組最大功率達15MW，風輪直徑超過230米。（編者按：2020年，數據可能會修正為20MW，275米）
極高的風荷載，特別是因颶風或颱風帶來的極端風荷載。
水深達65米。
大西洋和太平洋底洶湧的波浪帶來的載荷。
這些因素，使得在進行超大型單樁設計時，要考慮底部直徑達8至11米之間，長度最大達120米，壁厚最大為150毫米。這樣，單樁的最終重量可能高達2400噸。
超過2400噸的單樁，是否還能保持其經濟性？對比導管架基礎和漂浮式，還有何優勢可言？為此，設計時，需要引入設計和製造優化的思想，以確保單樁繼續保持最經濟基礎的美譽。
因單樁的成本主要是鋼材，因此保持單樁經濟性的方法，無疑需要減輕單樁的重量，也即減少鋼材的使用量。減重的方法可以使用高強度鋼，但這一般只在某些需要高應力的罐體設計部分使用高強度鋼，而像風電基礎這樣的抗疲勞設計的地方，並不會使用高強度鋼。因此，減輕重量的另一種最優選擇是增加「/ t比」（直徑/厚度比），這樣則會產生更「細長」的單樁。這種發展趨勢，需要對幾個設計主題以及諸多製造方面的細節進行分析。必須對整個製造過程進行調整，才能既安全又經濟地製造出細長的超巨型單樁。
設計研究：可以加大細長比
Steelwind Nordenham針對不同的水深、海底土壤條件和高達15 MW的風電機組分別進行了設計研究，不同的風電機組也的剛度要求也各不相同。
由於打樁的原因，傳統的樁在細長比設計時有個限度，即/ t = 100至120之間。這將導致樁的重量遠遠超過2400噸。研究顯示，實際的細長比/ t可以從100到190不等。
採用高達160的細長比的單樁實際上也是可行的，並且適用於深水和大型風電機組。在給定條件下，這些單樁的直徑可達11米，樁重可達2000噸。
這時候，又出現了兩個主要的問題：如何加工製造如此超大型的細長單樁？又該如何運輸和吊裝如此規模的細長單樁？
問題1：如何加工製造超大型單樁？
單樁的製造過程，首先應將扁平鋼板冷壓成型為圓柱罐體的單樁段。單樁段必須由合適的支撐點支撐，而不會被損壞。下圖1的左側顯示了由於樁體自重引起的典型應力分布（細長比為160，通過FEM分析）。
如果細長度超過/ t = 100，則局部彎曲和環向應力會隨著細長度而增加。滾軸支架距罐體或型材邊緣的距離，以及滾軸支架的寬度在避免塑性變形方面起著重要作用。另一方面，在使用鋼質支撐滾軸時，必須考慮罐體與支撐滾軸之間接觸區域的赫茲接觸應力。
圖1：由於局部應力，支撐滾軸上被允許的罐體重量隨壁厚的變化曲線（單位：噸，毫米）
在支撐滾軸上由於自重就可以產生變形。圖2顯示了支撐滾軸上的罐體或單樁段的最大撓度（或變形度，單位：mm），具體數據會隨著單樁的直徑（從7米到12米）和細長比（由罐體壁厚度從30mm至120mm）而變化。單柱段越細長，這種影響就越會在以後的單樁組裝過程中引發問題。因此，需要使用其他的支撐結構來保持罐體的圓形保持不變。
圖2：隨著單樁直徑和細長比的增加，罐體或型材的最大變形度
問題2：運輸和儲存帶來的問題
單柱段在製造過程中通常由起重機和C型梁運輸。類似於支撐滾軸的情況，單柱段的自重會在與C型梁的接觸區域引起較高的局部彎曲應力，特別是對於細長的部件，會發生塑性變形。（如紅色區域所示）
圖3顯示了此載荷工況的評估結果，該評估是針對直徑在10至12米之間的單柱段進行的。處於中間位置的細長比就已經存在塑性變形的風險。因此，提升和吊車裝置也必須以適當的方式進行改進。
圖3：用C型梁起重的單柱段極限細長比推導過程
進一步加工製造單柱段的過程中，也要考慮好支撐結構的問題。通常認為，600至1200噸以上的中段和單樁段，要有兩個或兩個以上的位置做好支撐。
對於大型和重型單樁的支撐件而言，設置好最佳支撐位置，可產生較均勻的支撐力，如圖4所示。特別是對於單柱底部圓錐形過渡附近的圓錐形支撐點，會在這些支撐點處產生額外的高應力。
圖4：重型單樁所設計支撐點的最佳位置
正如上面的圖示，超大型細長單樁在製造、運輸和存儲各個環節，都需要進行非常全面的計劃，因此在生產前就該做好詳細預案和規劃，以避免未來產生損壞。
必不可少的通力協作
綜上所述，未來設計出超超大型細長的單樁基礎（下一代XXL-Monopile）完全沒有問題，但在生產和製作包括存儲運輸過程中，則需要充分考慮到一些「隨機因素」，包括：必須注意支撐結構的類型和位置。注意搬運設備。注意其他加固支撐的結構。注意特殊的運輸和存儲條件等等。
如果不仔細考慮上述隨機因素，可能會導致單柱結構的嚴重損壞。為了使製造過程就適應未來的安裝過程，通常需要進行大量的投資。這些投資如果加上額外浪費的製造時間，都可能導致成本的大幅增加。只有儘可能早地在設計階段就考慮到製造階段，才能找到最佳平衡點。可以說，設計和製造過程的通力協作是超超大型單樁繼續保持競爭力的關鍵。
關於Steelwind Nordenham GmbH
Steelwind Nordenham GmbH是歐洲重型鋼板市場領導者迪林格集團（Dillinger）旗下公司，自2015年以來一直在德國Nordenham港製造單樁和過渡件，目前可生產單重達2400噸的「單件」單樁基礎。單件式單樁基礎通過將過渡件的某些部分集成到單樁中，用單獨的單樁和過渡件替代了先前的設計。這樣，單樁可以長達120米，其單柱基礎所用的鋼材來自迪林格。 CWEA
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