3海上風電安裝船的技術(shù)要點

 

　　本節(jié)主要以目前常見的自升式風力安裝船為例，論述中國船級社入級規(guī)范對其設(shè)計的技術(shù)要求要點。區(qū)別于傳統(tǒng)的自升式鉆井平臺，自升式風力安裝船重量較輕，插拔樁頻繁，升降速度較快，船尾設(shè)置大功率的起重機，對平臺的站立穩(wěn)性要求較高，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備布置等方面具有自身特點，詳細分析如下：

 

　　（1）樁腿設(shè)計

 

　　樁腿數(shù)量及結(jié)構(gòu)形式的選擇要綜合考慮作業(yè)水深、作業(yè)能力、船體結(jié)構(gòu)形式、船體尺寸等因素，需平衡各種因素，通過最終的結(jié)構(gòu)分析確定。一般對于海上風電安裝船，樁腿數(shù)量為4根到6根，一般都為圓柱形結(jié)構(gòu)形式樁腿。樁腿結(jié)構(gòu)強度設(shè)計需考慮如下工況：①拖航/自航工況。CCS《海上移動平臺入級規(guī)范》中規(guī)定，自升式平臺遠洋或油田內(nèi)遷移時，應(yīng)考慮由于船體運動產(chǎn)生的搖擺慣性力及傾斜角度，并校核上固樁楔塊處的樁腿強度；②站立工況。規(guī)范中規(guī)定，在正常作業(yè)和風暴自存工況下，考慮平臺重量、風浪流外載荷作用下的樁腿強度，尤其是位于下固樁楔塊處的樁腿強度；③預(yù)壓、升船及拔樁工況。此工況一般不是控制工況，但在極端不利條件下也應(yīng)進行考慮。

 

　　（2）樁靴設(shè)計

 

　　樁靴的大小、形式選擇對海上風電安裝船的設(shè)計至關(guān)重要，因為對于此類施工裝備，要求作業(yè)效率高，插拔樁迅速，因此插樁不易過深，設(shè)計時要根據(jù)實際作業(yè)海底地質(zhì)條件確定樁底壓強，并綜合考慮各種因素確定樁靴形狀、大小。依據(jù)規(guī)范要求，樁靴的結(jié)構(gòu)強度設(shè)計應(yīng)滿足如下工況：① 預(yù)壓工況：預(yù)壓載荷同心分布最初接觸到完全灌入一系列可能的接觸面積上；② 作業(yè)和自存工況：最大樁腿反力、樁腿下導(dǎo)向處彎矩的50%和水平載荷疊加作用于樁靴；③ 特殊工況：樁腿最大垂直反力作用于50%的樁靴底部面積。

 

　　（3）船體設(shè)計

 

　　海上風電安裝船的船體類似平板駁船，長寬比值較大，但在船體上設(shè)置有穿過樁腿的圍阱結(jié)構(gòu)區(qū)域，站立作業(yè)狀態(tài)防止有過度的中垂。一般設(shè)計時首先確定甲板載荷分布圖，根據(jù)規(guī)范公式初步確定船體各部分結(jié)構(gòu)尺寸（板厚、型材大小等），然后通過有限元直接計算確定船體整體強度是否滿足規(guī)范要求。依據(jù)規(guī)范要求，船體總體結(jié)構(gòu)強度分析主要工況包括：① 拖航/自航工況：分析船體在漂浮狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強度，尤其是固樁區(qū)域在樁腿搖擺作用下的強度；② 站立工況：分析船體在正常作業(yè)和風暴自存工況下的強度，此工況一般為控制工況；③ 預(yù)壓、升船及拔樁工況：預(yù)壓和拔樁工況有時也較為危險，應(yīng)根據(jù)實際預(yù)壓和拔樁設(shè)計進行船體強度分析。

 

　　除上述的船體整體強度設(shè)計外，還應(yīng)考慮船體局部強度，主要包括大型設(shè)備底座，如吊機底座、主機基座等，升降圍阱區(qū)域，直升機甲板等。此外，船體設(shè)計還應(yīng)滿足規(guī)范中的拖航穩(wěn)性、站立穩(wěn)性等相關(guān)要求。

 

　　（4）升降系統(tǒng)設(shè)計

 

　　升降系統(tǒng)的安全可靠是海上風電安裝船安全作業(yè)的保證。目前自升式平臺的升降裝置有多種形式，包括電動齒輪齒條式、液壓油缸頂升式、鋼絲繩式等，都各自有相應(yīng)的優(yōu)缺點。電動齒輪齒條式升降系統(tǒng)技術(shù)成熟，升降速度快，效率高，但由于頻繁升降，齒輪、齒條的疲勞壽命會影響到平臺的使用年限；鋼絲繩式升降系統(tǒng)也有實際工程案例，但在安全性、可靠性及使用效率上尚存有疑慮，因此并不能被廣泛采用。因此目前在海上風電安裝平臺上使用較多的是液壓油缸頂升式升降系統(tǒng)。

 

　　依據(jù)規(guī)范，液壓油缸頂升式升降系統(tǒng)應(yīng)考慮插銷設(shè)計、環(huán)梁設(shè)計、液壓系統(tǒng)設(shè)計等；電動齒輪齒條式升降系統(tǒng)應(yīng)考慮齒輪、齒條強度設(shè)計，傳動系統(tǒng)設(shè)計、軸承強度、升降室結(jié)構(gòu)設(shè)計等。此外，還應(yīng)考慮升降裝置公差設(shè)計、升降系統(tǒng)在船體上的基礎(chǔ)設(shè)計、升降裝置與圍阱裝配公差等。

 

　　（5）吊機底座設(shè)計

 

　　用于海上風電安裝船上的起重機吊重較大，一般應(yīng)根據(jù)吊重能力確定吊機底座位置、形式、與船體的連接形式等，并著重考慮吊機底座的焊接設(shè)計、吊機底座的屈服、屈曲強度設(shè)計以及吊機底座支撐肘板的疲勞設(shè)計等，具體設(shè)計標準和要求可參照CCS《船舶和海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》中關(guān)于起重機底座及支撐結(jié)構(gòu)部分。

 

　　（6）穩(wěn)性設(shè)計

 

　　海上風電安裝船的穩(wěn)性要求可分為漂浮穩(wěn)性和站立穩(wěn)性。此類海上風電安裝船一般干舷較小，且艙室布置較為集中，穩(wěn)性分析時尤其要注意滿足規(guī)范對平臺的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性要求。站立穩(wěn)性分析時要考慮舷外起吊和環(huán)境載荷方向一致時對其最不利的影響，且傾覆力矩應(yīng)計及動力放大效應(yīng)和P-Delta效應(yīng)。具體設(shè)計標準和要求可參照CCS《海上風機作業(yè)平臺指南》中的關(guān)于穩(wěn)性部分。

 

　　（7）其他部分設(shè)計要求

 

　　其他部分的設(shè)計要求，包括機電設(shè)備、防火、消防、救生、信號等，和常規(guī)自升式平臺并無區(qū)別，在此不再贅述，具體可參考CCS相關(guān)規(guī)范和標準。

 

　　表2為最近幾年入級CCS的海上風電安裝船的技術(shù)參數(shù)，隨著國內(nèi)海上風電的不斷發(fā)展，海上風電安裝船的能力也在不斷提升。