新型海上風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸船舶設(shè)計(jì)研究

王徽華，杜振東

(江蘇龍?jiān)凑袢A海洋工程有限公司，江蘇南通226010)

0 引言

國內(nèi)海上風(fēng)電場自2015年開始進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展階段，降低成本、提高安全性是海上風(fēng)電發(fā)展的必要基礎(chǔ)［1］。在海上風(fēng)電場建設(shè)總投資中兩大成本分別是風(fēng)機(jī)設(shè)備采購和施工成本［2］。通過相關(guān)技術(shù)手段來提高施工效率，可在一定程度上降低海上風(fēng)電場的總投資成本，并可降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

海上風(fēng)電基礎(chǔ)和設(shè)備的運(yùn)輸費(fèi)用是施工成本的重要組成部分，運(yùn)輸方式在很大程度上決定了施工效率及總費(fèi)用。目前常規(guī)的海上風(fēng)電場運(yùn)輸通常采用3 000～4 000 t中小型運(yùn)輸船，這種船型一次運(yùn)輸2臺管樁基礎(chǔ)或1套風(fēng)機(jī)設(shè)備。由于這類運(yùn)輸船尺度小、穩(wěn)性差，在風(fēng)電設(shè)備吊裝過程中無法長期處于較小的運(yùn)動狀態(tài)，致使這類運(yùn)輸船的施工窗口期較短、效率較低［3-4］，且小型運(yùn)輸船在海上施工現(xiàn)場與自升式施工平臺配合施工存在較大安全隱患。另外一種方式是采用自升式風(fēng)電安裝船兼做運(yùn)輸船來進(jìn)行風(fēng)電設(shè)備的運(yùn)輸和安裝。由于風(fēng)機(jī)設(shè)備占用了用于組裝的甲板面積，致使這種方式效率也較低，但安全隱患比較少［3］。本文以某海上風(fēng)電工程為案例研究設(shè)計(jì)一種批量運(yùn)輸海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和設(shè)備的新型船舶，采用一種合理的運(yùn)輸方式和船機(jī)設(shè)備保證海上風(fēng)電場現(xiàn)場施工時造價高昂的風(fēng)電安裝船連續(xù)、高效、安全作業(yè)，以降低整體施工成本。

1 新型海上風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)輸船舶設(shè)計(jì)

1．1 工程需求

江蘇如東某海上風(fēng)電場容量15萬kW，風(fēng)場水深3～15 m，離岸距離25 km，安裝38套4 MW風(fēng)機(jī)和38套單樁基礎(chǔ)。該風(fēng)場附近沒有大型碼頭用于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和設(shè)備的裝卸和存放。

需要運(yùn)輸?shù)暮Ｉ巷L(fēng)電裝備如下:

38套單樁基礎(chǔ)的最大直徑6．7 m，長81 m，壁厚55～70 mm，樁重700～900 t;30套風(fēng)機(jī)設(shè)備的總重約429 t。

1．2 運(yùn)輸方案研究

1．2．1 總體運(yùn)輸方案

(1)利用風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)制造廠出運(yùn)碼頭作為存儲、裝卸碼頭。

(2)用2艘1 000噸級左右的大型運(yùn)輸船單航次運(yùn)輸3套單樁基礎(chǔ)和3套風(fēng)機(jī)設(shè)備。

(3)為提高運(yùn)輸船有限甲板面積的利用率，采取如下措施:塔筒每段采用豎立運(yùn)輸，底塔筒在碼頭預(yù)組裝完畢;葉片采用疊層運(yùn)輸;單樁下方布置滑道工裝以降低施工現(xiàn)場1臺輔助浮吊的投入;機(jī)艙和輪轂在碼頭預(yù)組裝完畢。

1．2．2 運(yùn)輸方案的主要特點(diǎn)

(1)每套風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)下方布置1套滑道，現(xiàn)場單樁翻身作業(yè)時減少了1臺大型浮吊的投入。

(2)塔筒采用豎立運(yùn)輸，占用空間少，大大提高了運(yùn)輸船的甲板面積利用率，同時避免了施工現(xiàn)場塔筒的翻身作業(yè)工序。

(3)葉片采用3層疊放運(yùn)輸，大大降低了葉片運(yùn)輸空間占用面積。

(4)機(jī)艙和輪轂預(yù)組裝完畢后再運(yùn)輸，一定程度提高了運(yùn)輸船甲板面積利用率，避免了施工現(xiàn)場機(jī)艙與輪轂組裝工序。

(5)運(yùn)輸船增加了6臺大型定位錨機(jī)，提高了運(yùn)輸船在施工現(xiàn)場與自升式施工平臺配合施工的安全性。

(6)該風(fēng)機(jī)設(shè)備批量運(yùn)輸技術(shù)大大提高了海上施工的窗口期。

1．3 效率評估

碼頭距離風(fēng)電場海運(yùn)距離約為135 n mile，運(yùn)輸船航速5～8 kn，每次碼頭裝船用時約3 d，每船設(shè)備現(xiàn)場施工完畢用時約10 d。據(jù)此估算，運(yùn)輸船每航次從現(xiàn)場返航、碼頭裝船、航行至現(xiàn)場共用時約5 d，小于現(xiàn)場施工完畢用時，因而2艘運(yùn)輸船來回運(yùn)輸，可保證自升式施工平臺在海上風(fēng)場機(jī)位連續(xù)作業(yè)。

2 運(yùn)輸船舶的選型及改造方案

依據(jù)上述運(yùn)輸方案，可初步選擇船型規(guī)格為:船長137 m，船寬40 m，型深8 m，甲板載荷180 kN/m2，航速 8 kn。

由于該船沒有定位系統(tǒng)，因而需要增加6臺大型定位錨絞車。為了保證該船在風(fēng)電場海域8級風(fēng)、4 kn流速、2 m浪的情況下，6臺大型定位錨絞車能夠滿足船舶定位要求，經(jīng)過計(jì)算，選擇定位錨絞車的拉力為450 kN。

為提高甲板的利用率，同時由于海上風(fēng)機(jī)設(shè)備中基礎(chǔ)管樁很長且重量很大，因此風(fēng)機(jī)塔筒采用臥式布置于甲板上。風(fēng)機(jī)葉片較為易損，則采用桁架式工裝加以保護(hù)。分機(jī)塔筒分為上、中、下三段豎向直立于甲板。同時，運(yùn)輸船舶在運(yùn)輸過程中會不停地進(jìn)行橫搖、縱搖以及艏搖運(yùn)動，這些將會使風(fēng)機(jī)設(shè)備不能穩(wěn)定于船舶甲板上，因此需要開展海上風(fēng)電設(shè)備的海綁研究。

3 運(yùn)輸海綁設(shè)計(jì)

整個海綁應(yīng)包括3套滑道工裝和3套風(fēng)機(jī)設(shè)備(包含9個塔筒豎立運(yùn)輸工裝、3套葉片疊層運(yùn)輸工裝和3個機(jī)艙輪轂運(yùn)輸工裝)，其中重量較大的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)樁、機(jī)艙輪轂組件放置于船舷邊，以利于現(xiàn)場起吊作業(yè)時降低對自升式施工平臺起重機(jī)回轉(zhuǎn)半徑的要求。

3．1 滑道工裝

通常大直徑單管樁在海上翻身需要2臺大型浮吊抬吊翻身。主鉤起吊負(fù)荷為10 000 kN，輔吊起吊負(fù)荷為5 000 kN。為了降低成本，避免大型輔吊的投入，擬設(shè)計(jì)一種滑道工裝作為大直徑打樁翻身的一個支撐點(diǎn)，配合主吊完成單樁翻身。

3．1．1 額定噸位選擇

單樁在翻身過程中受力情況如圖1所示。圖中，G為單樁重量，F(xiàn)1為主吊受力，F(xiàn)2為滑道工裝受力，L1為主吊點(diǎn)距離重心距離，L2為滑道工裝受力點(diǎn)距離重心距離。根據(jù)計(jì)算，滑道工件在翻身過程中最大受力F2max約為2 940 kN。為了該滑道工裝可以適應(yīng)將來更大打樁的翻身要求，滑道工裝設(shè)計(jì)額定載荷選擇為5 880 kN。

圖1 單樁翻身受力分析

3．1．2 滑道設(shè)計(jì)

滑道工裝設(shè)計(jì)為以下幾大部分:軌道、小車、前滑車牽引、后滑車牽引?；佬≤噦?cè)視圖及俯視圖分別如圖2和圖3所示。小車駐牙結(jié)構(gòu)包括坦克鏈輪、旋轉(zhuǎn)支架、軸和固定支架。前后滑車牽引的作用是為了保證海上施工時單樁在翻身過程中不會與運(yùn)輸船之間產(chǎn)生較大的前后位移。

圖2 滑道小車側(cè)視圖

圖3 滑道小車俯視圖

利用ANSYS軟件建立滑道小車模型，施加相應(yīng)載荷。根據(jù)計(jì)算得到在塔筒吊裝工況下由于塔筒滑動引起的旋轉(zhuǎn)支架最大應(yīng)力為272 MPa，固定支架最大應(yīng)力為258 MPa，其應(yīng)力云圖如圖4所示?；拦ぱb鋼材為Q345B，其屈服應(yīng)力為345 MPa。根據(jù)美國船級社(ABS)規(guī)范，取等效應(yīng)力安全系數(shù)K為1．1，許用應(yīng)力［σ］為313 MPa。因此，該滑道小車的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖4 滑道小車應(yīng)力云圖

3．2 塔筒工裝

3．2．1 塔筒固定裝置設(shè)計(jì)

塔筒豎立運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)為兩大部分:下部為固定塔筒底座通過焊接方式連接在運(yùn)輸船甲板上，上部為聯(lián)接法蘭，其工裝圖見圖5。上部聯(lián)接法蘭通過螺栓與下部固定塔筒底座連接，上部聯(lián)接法蘭的規(guī)格尺寸隨著塔筒尺寸的不同可以調(diào)整更換。3．2．2 強(qiáng)度校核

圖5 塔筒豎立運(yùn)輸工裝圖

塔筒豎立運(yùn)輸工裝采用ANSYS軟件建立有限元模型。載荷選用最重、最長塔筒，計(jì)算載荷還包括風(fēng)載荷、運(yùn)輸施工過程中的船舶晃動加速度。通過有限元分析，該工裝的最大應(yīng)力為247 MPa，其應(yīng)力云圖如圖6所示。工裝鋼材采用Q345B，其屈服應(yīng)力為345 MPa。根據(jù)ABS規(guī)范，取等效應(yīng)力安全系數(shù)K為1．1，許用應(yīng)力［σ］為 313 MPa。因此，塔筒豎立運(yùn)輸工裝的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖6 塔筒豎立工裝應(yīng)力云圖

3．3 葉片疊層運(yùn)輸工裝

3．3．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葉片疊層運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)為一次可疊放三層，每層工裝之間采用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱箱角形式通過標(biāo)準(zhǔn)鎖銷連接，其工裝示意總圖如圖7所示。這種連接方式的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)實(shí)際需要選擇為一次疊層運(yùn)輸2套風(fēng)機(jī)葉片或3套風(fēng)機(jī)葉片。3．3．2 強(qiáng)度校核

圖7 葉片疊層運(yùn)工裝示意總圖

葉片疊層運(yùn)輸工裝采用ANSYS軟件建立有限元模型。計(jì)算載荷還包括風(fēng)載荷、運(yùn)輸施工過程中的船舶晃動加速度。通過有限元分析得知，葉片疊層運(yùn)輸工裝的最大應(yīng)力為292 MPa，應(yīng)力云圖如圖8所示。工裝鋼材選用Q345B，根據(jù)ABS規(guī)范，取等效應(yīng)力安全系數(shù)K為1．1，許用應(yīng)力［σ］為313 MPa。因此，該工裝的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖8 葉片疊層運(yùn)輸工裝底層、中上層結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

4 實(shí)際效率評估

該海上風(fēng)電場采用本文設(shè)計(jì)的運(yùn)輸工裝、運(yùn)輸船和運(yùn)輸方式，于2015年10月開工，2016年7月完工，總工期約10個月，共完成38套風(fēng)機(jī)的吊裝施工任務(wù)。

5 結(jié)語

采用本文設(shè)計(jì)的單航次運(yùn)輸3套風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和3套風(fēng)機(jī)設(shè)備的技術(shù)方案大大提高了海上風(fēng)電場施工效率和施工安全性，增加了施工窗口期，降低了施工成本。

該海上風(fēng)機(jī)設(shè)備批量運(yùn)輸技術(shù)在江蘇如東某海上風(fēng)電場得到成功應(yīng)用，實(shí)際效果良好，可在未來海上風(fēng)電場大規(guī)模建設(shè)進(jìn)程中推廣應(yīng)用。

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