波流作用下海上风电管缆结构稳定和安全性评估及风险处理方法

需求的背景和应用场景

随着全球对可再生能源需求的不断增长，海上风电作为清洁、高效的新能源形式，其开发规模日益扩大。然而，海上风电场的建设和运营面临着复杂的海洋环境挑战，尤其是波流作用下管缆结构的稳定性和安全性问题。管缆作为连接风电设备与海底电缆的关键部件，长期承受波浪、水流等动态载荷，易发生冲刷、摆动及疲劳损伤，严重影响风电系统的稳定运行和寿命。因此，亟需开发一套波流耦合作用下海上风电管缆冲刷与摆动稳定性评估及风险处理方法，以提升海上风电系统的整体安全性和可靠性，降低运维成本，推动海上风电行业的可持续发展。

要解决的关键技术问题

1. 多物理场耦合仿真模型构建：需整合流体动力学、结构力学及海洋环境参数，构建高精度的多物理场耦合仿真模型，以准确模拟波流作用下管缆的动态响应。这要求模型能够充分考虑流体与结构的相互作用，以及海洋环境参数（如波浪高度、流速、水深等）的变化对管缆稳定性的影响。
2. 基于机器学习的管缆动态响应预测：利用LSTM时序预测等机器学习算法，结合仿真模型数据，实现管缆动态响应的精准模拟和预测。这有助于提前识别潜在的安全风险，为管缆的设计和优化提供科学依据。
3. 数字孪生技术应用于管缆结构破坏预测：通过融合声呐扫描、光纤应变监测及冲刷深度反演数据，构建多维度退化特征库，建立基于数字孪生的管缆结构破坏预测理论。要求预测精度达到疲劳寿命误差率≤8%，以实现管缆状态的实时监测和预警。
4. 分级风险防控体系与关键技术研发：提出分级风险防控策略，并研发自适应阻尼调节装置（抑制摆动幅度≥60%）、复合材料修复技术（抗拉强度提升45%）以及结合北斗定位的应急抛石加固方案（响应时间≤5分钟）。这些技术将共同构成覆盖设计-监测-修复的全生命周期安全保障链，有效提升管缆的安全性和耐久性。

效果要求

本技术需求的实施将实现以下效果：

• 提升安全性：通过精准模拟和预测管缆的动态响应，以及实时监测和预警结构破坏风险，显著提升海上风电系统的整体安全性。
• 延长寿命：采用先进的复合材料修复技术和自适应阻尼调节装置，有效抑制管缆的冲刷和摆动，延长其使用寿命。
• 降低成本：通过全生命周期的安全保障链，减少因管缆故障导致的停机时间和维修成本，提高风电场的经济效益。
• 创新引领：本技术需求集成了多物理场仿真、机器学习、数字孪生等前沿技术，形成了具有自主知识产权的集成创新成果，将引领海上风电行业的技术进步和产业升级。