3海上風電安裝船的技術要點

 

　　本節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范對其設計的技術要求要點。區別于傳統的自升式鉆井平臺，自升式風力安裝船重量較輕，插拔樁頻繁，升降速度較快，船尾設置大功率的起重機，對平臺的站立穩性要求較高，因此在結構設計、設備布置等方面具有自身特點，詳細分析如下：

 

　　（1）樁腿設計

 

　　樁腿數量及結構形式的選擇要綜合考慮作業水深、作業能力、船體結構形式、船體尺寸等因素，需平衡各種因素，通過最終的結構分析確定。一般對于海上風電安裝船，樁腿數量為4根到6根，一般都為圓柱形結構形式樁腿。樁腿結構強度設計需考慮如下工況：①拖航/自航工況。CCS《海上移動平臺入級規范》中規定，自升式平臺遠洋或油田內遷移時，應考慮由于船體運動產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。規范中規定，在正常作業和風暴自存工況下，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進行考慮。

 

　　（2）樁靴設計

 

　　樁靴的大小、形式選擇對海上風電安裝船的設計至關重要，因為對于此類施工裝備，要求作業效率高，插拔樁迅速，因此插樁不易過深，設計時要根據實際作業海底地質條件確定樁底壓強，并綜合考慮各種因素確定樁靴形狀、大小。依據規范要求，樁靴的結構強度設計應滿足如下工況：① 預壓工況：預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 作業和自存工況：最大樁腿反力、樁腿下導向處彎矩的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，但在船體上設置有穿過樁腿的圍阱結構區域，站立作業狀態防止有過度的中垂。一般設計時首先確定甲板載荷分布圖，根據規范公式初步確定船體各部分結構尺寸（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范要求。依據規范要求，船體總體結構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下的結構強度，尤其是固樁區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和風暴自存工況下的強度，此工況一般為控制工況；③ 預壓、升船及拔樁工況：預壓和拔樁工況有時也較為危險，應根據實際預壓和拔樁設計進行船體強度分析。

 

　　除上述的船體整體強度設計外，還應考慮船體局部強度，主要包括大型設備底座，如吊機底座、主機基座等，升降圍阱區域，直升機甲板等。此外，船體設計還應滿足規范中的拖航穩性、站立穩性等相關要求。

 

　　（4）升降系統設計

 

　　升降系統的安全可靠是海上風電安裝船安全作業的保證。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，都各自有相應的優缺點。電動齒輪齒條式升降系統技術成熟，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。

 

　　依據規范，液壓油缸頂升式升降系統應考慮插銷設計、環梁設計、液壓系統設計等；電動齒輪齒條式升降系統應考慮齒輪、齒條強度設計，傳動系統設計、軸承強度、升降室結構設計等。此外，還應考慮升降裝置公差設計、升降系統在船體上的基礎設計、升降裝置與圍阱裝配公差等。

 

　　（5）吊機底座設計

 

　　用于海上風電安裝船上的起重機吊重較大，一般應根據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計、吊機底座的屈服、屈曲強度設計以及吊機底座支撐肘板的疲勞設計等，具體設計標準和要求可參照CCS《船舶和海上設施起重設備規范》中關于起重機底座及支撐結構部分。

 

　　（6）穩性設計

 

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

 

　　（7）其他部分設計要求

 

　　其他部分的設計要求，包括機電設備、防火、消防、救生、信號等，和常規自升式平臺并無區別，在此不再贅述，具體可參考CCS相關規范和標準。

 

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