坐底式起重船成套裝備研究

畢宇

[摘 要]2016年有多艘坐底式起重船在淺灘施工作業(yè)時由于海底沖刷掏空等各方面原因發(fā)生船體破損以及斷裂海損事故，導(dǎo)致目前絕大部分起重船無法滿足此類型風(fēng)場風(fēng)機安裝施工，也導(dǎo)致工程工期受嚴(yán)重影響。風(fēng)電施工企業(yè)面臨兩方面的情況：一方面是普通起重船無法滿足施工條件，一方面是全國近海風(fēng)電場增多，起重船坐底施工情況明顯增加。這兩個背景條件下，普通起重船如何改造成為能安全坐底施工的起重船這個課題就變得急需研究。本文就是對坐底式起重船成套裝備進行研究來確保坐底式起重船安全施工。

[關(guān)鍵詞]坐底式，起重船，淺灘，自動控制系統(tǒng)，PLC，結(jié)構(gòu)應(yīng)力片，手動測深裝置

中圖分類號：TE85 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）04-0182-02

我國海上風(fēng)能資源豐富，具備大規(guī)模發(fā)展海上風(fēng)電的風(fēng)資源條件，在節(jié)能減排、應(yīng)對氣候變化、能源短缺、能源供應(yīng)安全形勢日趨嚴(yán)峻的大形勢下，海上風(fēng)電作為典型清潔能源越來越受到重視。而在淺水海區(qū)的風(fēng)電場施工中，由于地形、水深等特點，陸上風(fēng)電常規(guī)施工機械、運輸設(shè)備一般難于直接進入，近海風(fēng)電常見的自升式安裝平臺無法進點，浮態(tài)安裝船舶容易受潮水影響而擱淺，因此建設(shè)該區(qū)域海上風(fēng)電場面臨的巨大難題。

海上風(fēng)電半潛式坐底安裝平臺由半潛駁發(fā)展而來，其通過主動坐底，即船舶通過調(diào)節(jié)自重使船體緩慢、穩(wěn)定下沉與海底泥面接觸，利用泥面的支撐力進行風(fēng)機安裝作業(yè)。它可以最大程度上滿足吊機工作要求，降低天氣和海況對吊機工作的影響，為縮短海上安裝作業(yè)周期、降低建設(shè)風(fēng)險、控制施工成本創(chuàng)造了先決條件。對于淺水區(qū)域，主動式坐底作業(yè)方式無需樁腿、樁靴及升降鎖緊裝置，降低建造技術(shù)上的難點，建造成本同浮式起重船類似，一次性投資小，在建造成本上具有較大的競爭力。海上風(fēng)電半潛式坐底安裝平臺由于其獨特的船舶結(jié)構(gòu)特點，能夠滿足3-20m水深范圍內(nèi)的作業(yè)，以其優(yōu)越的地質(zhì)適應(yīng)性彌補了這一施工盲區(qū)。

當(dāng)海上風(fēng)電半潛式坐底安裝平臺坐底時，如果船底與泥面接觸均勻，則船體受力也近似均勻，一般不會發(fā)生嚴(yán)重的船身斷裂危險。但是，當(dāng)船底接觸到不均勻泥面、孤立巖礁時、或泥面被沖刷淘空時，船底受力不均勻。此時如果船身強度無法承受船的自重造成的彎矩時，就會導(dǎo)致斷裂破壞。因此，需要開發(fā)一套預(yù)警系統(tǒng)對船體結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進行實時監(jiān)測和結(jié)構(gòu)強度評估，同時還需根據(jù)實時監(jiān)測情況，制定相應(yīng)的技術(shù)措施，以彌補沖刷與淘空所造成的造成船底受力不均勻，使船體在事故發(fā)生之前脫離危險，解決困擾海上風(fēng)電半潛式坐底安裝平臺安全施工的這一大難題。

一、坐底重量自動控制系統(tǒng)

1.1、控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)在原來液位遙測基礎(chǔ)上，在中控臺內(nèi)通過通訊將26個壓載艙數(shù)據(jù)和4個吃水的數(shù)據(jù)進行采集，在中控室通過權(quán)限模式切換，通過PLC控制壓載系統(tǒng)50個閥門的開關(guān)，以及1個閥門液壓泵站、4個壓載泵的啟?？刂?。通過在船舶座底過程中，實時測深儀數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)，控制排出目標(biāo)壓載水重量來保證船舶與海地面的接觸不會導(dǎo)致船底變形（圖1）。

1.2、系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)共配置1只閥控箱、1套計算機工作站、1套UPS、1套通訊模塊，1套多串口通訊模塊，1套控制軟件。

1.3、系統(tǒng)工作原理及技術(shù)特點

（1）閥控箱：

技術(shù)參數(shù)：

測控箱供電：AC220V；

防護等級：IP22；

安裝形式：落地式；

顏色：RAL7032；

板厚：2mm；

（2）計算機工作站功能：

與測深儀通訊，顯示測深儀數(shù)據(jù)，并根據(jù)測深儀數(shù)據(jù)提醒控制壓載水。

與GPS通訊功能，根據(jù)GPS數(shù)據(jù)與四角吃水?dāng)?shù)據(jù)，顯示當(dāng)前潮位。

與液位遙測系統(tǒng)通訊，顯示所有壓載艙液位與四角吃水功能。

控制和顯示50個壓載閥功能，并能控制液壓泵站與4個壓載排水泵

排水量設(shè)置功能。

根據(jù)預(yù)配載方案自動進行平衡控制功能。

（3）PLC（西門子S7-300）：

主要監(jiān)控反饋數(shù)據(jù)以及電腦指令的發(fā)出，已到控制系統(tǒng)的操作功能（圖2）。

坐底式起重船在每次坐底施工前，詳細調(diào)研施工現(xiàn)場地質(zhì)情況。通過計算得到坐底式起重船需與海平面接觸多少重量，再將此重量輸入計算機中。通過計算計計算得到實時需要調(diào)載的壓載水量，以及考慮吊運過程中船體姿態(tài)的平衡，左右前后平衡艙各需要調(diào)載多少壓載水量。通過PLC模塊進行自動控制，已達到船舶施工安全的狀態(tài)。

二、船體主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力預(yù)警系統(tǒng)

2.1 預(yù)警系統(tǒng)

船體主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測點應(yīng)根據(jù)計算結(jié)果確定，目前計算結(jié)果尚未出來，根據(jù)對船體結(jié)構(gòu)受力及坐底施工的作業(yè)工況分析，初步考慮布置80個應(yīng)力監(jiān)測點，采用防水應(yīng)變器。

2.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力片布置

傳感器優(yōu)化布置：以船體，建立有限元計算模型，研究分析基于淘空率的船身受力變化趨勢及主要構(gòu)件應(yīng)力變化值，提出傳感器測點分布方案。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)有限元計算結(jié)果，并結(jié)合施工經(jīng)驗，對傳感器設(shè)定不同的預(yù)警值，按照淘空程度的變化，以不同的預(yù)警級別評價危險程度，并采取相應(yīng)的處理措施，既保障安全，又不至于影響正常生產(chǎn)。80個應(yīng)力監(jiān)測點通過放水電纜將實時壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭惶?2通道測控單元以及一套16通道測控單元，再通過串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦I(yè)級交換機，最后傳輸工控機上顯示。

2.4 預(yù)警系統(tǒng)軟件開發(fā)

通過采集船體應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用模塊化和智能化的設(shè)計理念，系統(tǒng)主要由船底結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測單元和上位機軟件組成。系統(tǒng)可實時監(jiān)測船身主要結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化情況，當(dāng)應(yīng)力超過一定的限值（即預(yù)警值）時，系統(tǒng)會自動響應(yīng)發(fā)出聲光報警信息。

三、手動測深裝置

3.1 手動測深裝置布置

在左右舷各均勻布置4個貫穿船體的測深孔，測深孔管由直徑114的無縫鋼管與船體連接。上部導(dǎo)向管也采用直徑114的無縫管與測深孔管焊接成一整體。測深裝置由直徑76的無縫管做主體結(jié)構(gòu)，下部焊接一塊20mm厚鋼板（防止測深板陷入泥面導(dǎo)致無法準(zhǔn)備測量）。上下移動裝置則通過手搖式絞車進行手動控制（圖3，圖4）。

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