深远海环境下换流站风浪与疲劳损伤协同优化研究

一、引言​

在 “双碳” 目标驱动下，深远海新能源项目蓬勃发展，对电力传输系统提出更高要求。深远海换流站长期承受复杂环境荷载，其中风浪荷载引发的周期性应力易致结构疲劳损伤，据统计，因风浪导致的疲劳失效占工程总故障超 35% 。传统设计将风浪抵抗与疲劳防护割裂，存在成本高、难以整体优化的问题。因此，开展风浪与疲劳损伤协同优化研究，构建 “荷载控制 - 结构响应 - 损伤防护” 一体化体系，对提升换流站安全性能、降低全生命周期成本意义重大。

二、风浪与疲劳损伤协同优化的关键技术

2.1 风浪荷载的主动控制技术

风浪荷载的主动控制是协同优化的基础，通过降低风浪荷载对结构的作用强度，从源头减少疲劳损伤的产生。目前可行的技术路径主要包括以下两类：

一是风荷载控制技术。通过优化换流站上部结构的气动外形，减少风致振动。例如，将设备舱的外形设计为流线型，降低风阻系数，同时在结构表面设置导流板与减振装置，削弱湍流风对结构的激励作用。此外，还可采用主动风振控制技术，在结构上安装传感器与电磁作动器，实时监测风振响应，并通过作动器输出反向控制力，抵消风振荷载的作用，该技术可使风振响应幅值降低 40% 以上。

二是波浪荷载控制技术。针对桩基础的波浪荷载，可采用消波结构设计，如在桩基础周围设置浮式消波堤或沉箱式防波结构，通过消波堤的阻挡与破碎作用，降低波浪的能量，减少波浪对桩基础的冲击。同时，优化桩基础的布置方式，采用群桩基础替代单桩基础，通过桩间的相互干扰效应，削弱波浪荷载的作用，群桩基础的波浪荷载可较单桩基础降低 25%-30% 。2.2 结构抗疲劳性能的优化设计

在控制风浪荷载的基础上，通过优化结构设计提升抗疲劳性能，实现 “荷载控制” 与 “结构防护” 的协同。具体可从以下三个方面开展：

一是材料选择与优化。优先选用具有高疲劳强度与抗腐蚀性能的材料，如耐候钢、不锈钢复合板等，这些材料在高盐雾环境下的疲劳寿命可较普通钢材延长 1.5-2 倍。同时，对关键部位的材料进行表面强化处理，如喷涂防腐涂层、进行喷丸强化，提高材料的抗腐蚀与抗疲劳能力。

二是结构几何与节点优化。避免关键部位出现尖锐的转角与截面突变，减少应力集中现象。例如，将桩基础的顶部设计为圆弧过渡形状，将焊接节点的坡口形式优化为 U 型坡口，降低焊接残余应力。此外，采用柔性连接替代刚性连接，如在设备与平台之间设置橡胶减振垫或弹簧阻尼器，通过柔性连接的变形吸收部分振动能量，减少应力循环幅值。

三是结构刚度的合理匹配。通过有限元分析软件建立换流站整体结构的力学模型，分析不同刚度分布下结构的动态响应。在保证结构整体稳定性的前提下，适当降低非关键部位的刚度，使结构的固有频率避开风浪荷载的主要激励频率，避免共振现象的发生。例如，通过调整支撑结构的截面尺寸，使结构的固有频率远离波浪荷载的频率范围（通常为 0.1-1Hz ），可有效降低共振导致的疲劳损伤。

2.3 全生命周期的监测与维护优化

协同优化不仅需要在设计阶段进行统筹规划，还需要在运行阶段通过监测与维护实现动态优化，确保换流站长期处于安全运行状态。

一是建立疲劳损伤在线监测系统。在换流站的关键部位（如桩基础、焊接节点）安装应变传感器、振动传感器与腐蚀传感器，实时采集结构的应力、振动与腐蚀数据。通过数据传输网络将监测数据上传至云端管理平台，利用大数据分析技术对疲劳损伤进行实时评估，预测结构的剩余寿命。当监测数据超过预设阈值时，系统自动发出预警信号，提醒运维人员采取措施。

二是制定基于损伤状态的维护策略。传统的定期维护方式存在维护不足或过度维护的问题，基于损伤状态的维护策略可根据在线监测系统评估的疲劳损伤程度，确定维护的时间与内容。例如，当某一焊接节点的疲劳损伤达到设计寿命的 70% 时，安排人员进行现场检查与加固；当腐蚀速率超过 0.1mm/ 年时，及时进行防腐涂层的修复。这种维护策略可减少不必要的维护成本，同时避免因维护不及时导致的安全事故。

三、协同优化方案的实施路径与应用效果

3.1 实施路径

深远海换流站风浪与疲劳损伤协同优化方案的实施需遵循 “设计- 建设 - 运维” 全流程统筹规划：设计阶段，借助协同优化设计平台，集成风浪荷载分析、结构有限元分析与疲劳损伤评估软件，实现多学科数据共享与协同计算，依据海域风浪参数计算荷载，建立结构力学模型分析响应，根据疲劳评估优化结构设计，以满足双重性能要求；建设阶段，严控施工质量，重点关注关键部位焊接与材料性能，使用自动化焊接设备减少缺陷，严格检验进场材料，并在施工中通过应力传感器实时监测桩基础应力，避免产生额外疲劳损伤；运维阶段，依托在线监测数据定期评估疲劳损伤，动态调整维护计划，每年全面评估结构状态并优化次年方案，同时积累历史数据，为后续设计优化提供依据。

3.2 应用效果

以某深远海换流站项目为例，该换流站位于我国南海海域，海域最大风速为 35m/s ，最大波高为 12m 。在采用本文提出的协同优化方案后，应用效果主要体现在以下三个方面：

一是抗风浪性能显著提升。通过优化上部结构的气动外形与桩基础的布置方式，换流站在极端风浪环境下的最大水平位移从 0.8m 降至0.4m ，结构的振动幅值降低了 50% ，有效避免了结构的过度变形。

二是疲劳寿命大幅延长。采用高疲劳强度材料与节点优化设计后，关键部位（如桩基础焊接节点）的疲劳寿命从 20 年延长至 35 年，超过了换流站 30 年的设计使用年限，降低了结构疲劳失效的风险。

三是全生命周期成本降低。通过主动控制风浪荷载与基于损伤状态的维护策略，换流站的建造成本降低了 10% ，运维成本降低了 20% ，全生命周期成本较传统设计方案降低了 15% 。

五、结论

本文针对深远海换流站风浪与疲劳损伤问题展开研究，结果表明：风浪荷载的强随机性与耦合效应是引发换流站疲劳损伤的核心因素。通过风浪荷载主动控制、结构抗疲劳优化设计及全生命周期监测维护的协同配合，能有效提升换流站抗风浪性能与抗疲劳能力，显著延长结构疲劳寿命，降低全生命周期成本，可为深远海换流站安全稳定运行提供技术支撑。

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