前言
张力腿风电平台在面外运动的幅值很小，具有漂浮式风电平台中最出色的运动性能。然而，其稳定性完全由作为系泊系统的筋腱来提供，因此选择合适的筋腱材料对张力腿风电平台的设计至关重要。
1. 张力腿风电平台
张力腿式风电平台(Tension Leg Platform , TLP)是指采用张紧的系泊系统来保持结构稳定的一种浮式风电平台。
张力腿平台概念在中等水深(40m-100m)下很有前景，主要由以下几方面原因：
◆在平台系统占海方面，它采用的垂向张紧系泊系统占海面积小，可以节约用海面积，实现更大规模的风电场，有望降低总体开发成本;
◆在平台自身运动方面，它本身的垂荡/横摇/纵摇运动很小，可以降低风机塔架和叶片上的结构荷载，为风机提供更安全的运行环境;
◆在平台结构重量方面，由于平台的稳定性是由筋腱系统的预张力而不是平台本身的重量提供，平台结构可以采用轻量化设计，因此具有显著降低成本的潜力。
目前，已经有多家企业、机构和大学等针对风电平台提出了多种张力腿平台方案，设计的平台主体排水量从大几百吨到上万吨不等，但是这些概念主要聚焦于对平台形状的设计创新，很少给出筋腱设计的细节。
2. 张力腿风电平台的新进展
2023年10月，法国普罗旺斯风电场的三台张力腿浮式风电平台安装就位，这也是世界上第一个商业化的张力腿浮式风电场项目。该项目所处水深约100米，平均风速10m/s。张力腿平台主体设计由SBM Offshore完成，风机采用了西门子歌美飒提供的8.4MW风力发电机。该项目的建成标志着主流的三种浮式平台：半潜式平台、单立柱式平台以及张力腿式平台均已商业化应用在深远海漂浮式风电行业中。
3. 张力腿系泊系统
张力腿平台至海底基础之间的垂向系泊系统称为筋键。张力腿平台的稳性完全是由筋腱系统提供的，在设计中筋腱必须满足以下要求：
◆在所有设计极端条件下保持正张力;
◆在设计极端条件下的最大应力必须小于设计许用应力;
◆必须具有足够的轴向刚度，以防止过度的垂向共振响应(垂荡/纵摇/横摇);
◆在其寿命期间由于动态荷载引起的疲劳寿命必须满足适当的安全系数。
目前，张力腿平台筋腱采用的材料主要包括：钢管、锚链、钢缆和合成纤维缆等。
3.1 钢管
钢管筋腱加工工艺简单，制造成本低，可靠性、安全性高。筋腱单元通常由4到5个管道单元焊接在一起，并在两端焊接接头连接件。筋腱在水中的重量一般设计为中性浮力状态。
钢管筋腱示意图
钢管筋腱优势比较明显，其强度高，疲劳寿命长;易进行防腐措施可以满足长寿命要求。迄今为止，油气行业中张力腿平台筋腱的首选材料主要是钢管(屈服强度为485MPa)。
但是钢管筋腱两端连接件以及钢管与平台、钢管与锚端的连接件国内没有相关产品，国外供应商也很少且价格昂贵。
3.2 锚链
锚链是海洋工程应用最早的系泊材料。锚链由于其制造成本低、工序简单、强度高、性能稳定等优点，广泛应用在海洋工程系泊系统中。目前，海工用的锚链等级最高为R6级，材料抗拉强度为1100MPa，直径最大尺寸可达208mm。
海工用无档系泊链 海工用有档系泊链
但是锚链材料的缺点也是比较明显的，它是所有材料中疲劳寿命最短的;水中重量很大，同样预张力条件下平台需要更多的排水量来支撑;整体弹性较差，不易吸收冲击载荷;较大的预张力下链环间易发生磨损。
目前法国的张力腿风电项目采用的筋腱就是锚链材料，平台由中央浮筒和支撑结构上的三个侧浮筒组成，每个侧浮筒有两条系泊筋腱，总共为六根筋腱(2×3)。
3.3 钢缆
钢缆也是海洋工程应用很广的系泊材料。在同等断裂强度下，钢缆的重量仅为锚链的20%，但是钢缆的制造工艺较为复杂，钢丝一般采用镀锌工艺来进行防腐，因此总体成本较钢链高一些。典型海工用带护套的螺旋单股钢缆截面如下图所示。
带护套的螺旋单股钢缆截面(©Bridon-Bekaert)
钢缆的疲劳寿命要比锚链好很多，在实际深水应用中一般和锚链组合使用，以减轻系泊系统的重量。
钢缆的缺点主要是易被划伤(如施工作业、渔网等)导致钢缆断丝，强度降低，而且带护套的钢缆在水下也无法检测内部状况。
3.4 合成纤维缆
合成纤维缆是深水浮式平台中应用最广泛的系泊材料，它主要包括三种高分子材料：聚酯缆，高分子聚乙烯(HMPE)和芳纶(芳香族聚酰胺)。高分子合成材料制成的缆绳比重小，不易被海水腐蚀，疲劳性能好，而且相比纯锚链或钢缆的系泊系统来说，其价格优势明显。典型海工用聚酯缆截面如下图所示。
聚酯缆截面(©Bridon-Bekaert)
以最小破断载荷10000kN为例，三种高分子材料和钢缆的重量和尺寸对比见下表所示。可以看出，高分子材料的自重较轻，能够降低对平台排水量的要求。
表 1 典型纤维缆重量和尺寸
(以最小破断强度10000kN为例)
合成纤维缆的缺点主要是在长期大张力条件下存在蠕变问题，需要定期预张紧;材料本身高弹性易受垂荡共振影响等。
目前，美国Glosten Associates公司的PelaStar TLP平台概念、荷兰SBM公司的Float4Wind TLP平台概念等均采用了合成纤维缆的方案设计。
结语
本文介绍了张力腿风电平台的特点，并重点对比了几种可能应用于张力腿风电平台筋腱的材料。张力腿风电平台的筋腱系统在维持平台稳定性和正常运行中扮演者至关重要的角色。在实际应用中，筋腱的选择要综合考虑平台特点、安装施工和后期运维成本等因素，以选择具有优异力学性能、优良耐腐蚀性能、使用寿命长久的高效系泊材料，从而提高张力腿风电平台的竞争力和经济效益，促进其在新能源领域的发展和应用。
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