1 000 t自升式風(fēng)電安裝船“三航風(fēng)華”號(hào)的研制

沈火群，汪崢，胡靈斌，盧益峰，黃超

1 000 t自升式風(fēng)電安裝船“三航風(fēng)華”號(hào)的研制

沈火群，汪崢，胡靈斌，盧益峰，黃超

（中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海200032）

自升式風(fēng)電安裝船是近海風(fēng)電場(chǎng)施工的專(zhuān)用裝備，在充分研究分析了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有自升式風(fēng)電安裝船的基礎(chǔ)上，吸收該船型先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和建造經(jīng)驗(yàn)，利用國(guó)內(nèi)相關(guān)配套設(shè)備，設(shè)計(jì)和建造了國(guó)內(nèi)最先進(jìn)、具備最大起重能力1 000 t自升式風(fēng)電安裝船“三航風(fēng)華”號(hào)。介紹了該風(fēng)電安裝船的總體布置方案，吊機(jī)的選擇及布置，抬升系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)思想和方案。通過(guò)該船的實(shí)際工程運(yùn)用，證明了上述一系列設(shè)計(jì)的科學(xué)和合理性。

自升式風(fēng)電安裝船；總布置；可變載荷；繞樁吊；抬升系統(tǒng)

1 國(guó)內(nèi)外風(fēng)電安裝船現(xiàn)狀

自升式風(fēng)電安裝船是進(jìn)行海上風(fēng)電場(chǎng)施工（安裝、打樁）的專(zhuān)用裝備，是一種特殊的海洋作業(yè)平臺(tái)。風(fēng)電安裝船的發(fā)展根據(jù)功能可劃分為三個(gè)階段[1-2]，第一代沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的風(fēng)電工程船，由已有的起重船和工作駁船等聯(lián)合作業(yè)；第二代是具有自升功能的駁船或平臺(tái)，這類(lèi)船舶比較簡(jiǎn)單，船體就是一個(gè)簡(jiǎn)單的駁船，工作時(shí)依靠錨機(jī)定位移船，調(diào)遣靠大型拖輪拖帶；第三代是具有自航、自升、起重功能的專(zhuān)用風(fēng)電安裝船，這類(lèi)船舶配置有功率較大的推進(jìn)系統(tǒng)，具備有先進(jìn)的動(dòng)力定位功能，工作時(shí)依靠自身舵槳?jiǎng)恿Χㄎ幌到y(tǒng)進(jìn)行定位（不需拋錨），定位時(shí)間短、效率高，也更安全，依靠自身也可航行調(diào)遣。國(guó)外船東專(zhuān)門(mén)建造的第三代風(fēng)電安裝船具有船體抬升、吊裝風(fēng)機(jī)設(shè)備、打樁、作業(yè)人員居住、風(fēng)機(jī)運(yùn)輸、動(dòng)力定位六大功能于一體，用于海上風(fēng)電場(chǎng)的施工和維護(hù)。目前已建的第三代風(fēng)電安裝船中，船東和設(shè)計(jì)公司均來(lái)自歐洲，如丹麥的A2SEA公司、英國(guó)的Seajacks公司、MPI公司、荷蘭的Jack-up barge公司等均擁有不少風(fēng)電安裝船，其中的關(guān)鍵設(shè)備也是國(guó)外制造，而承擔(dān)建造任務(wù)的船廠(chǎng)不少都在亞洲[1]。中國(guó)風(fēng)電安裝船設(shè)計(jì)建造起步較晚，國(guó)內(nèi)已建造的風(fēng)電安裝船基本屬于第二代，主要設(shè)備以國(guó)產(chǎn)為主[3]。

本文通過(guò)積極探索風(fēng)機(jī)分體安裝技術(shù)，研制出具有國(guó)際先進(jìn)水平、適合國(guó)內(nèi)施工條件、主要裝備國(guó)內(nèi)配套、且造價(jià)大幅下降的多功能自升式風(fēng)電安裝船。該船主要的設(shè)計(jì)思考和具體方案如下。

2 船體及總布置

首先明確該船要達(dá)到的功能是：

1）該船具備頂升狀態(tài)分體安裝（單件安裝、兔耳式安裝和甲板上拼三葉后吊裝3種方式）單機(jī)6 MW風(fēng)機(jī)的能力；并具備裝載和工地區(qū)域運(yùn)輸2～3臺(tái)6 MW風(fēng)機(jī)的能力；2）該船具備打樁功能，最大單樁重量1 000 t，直徑4.5～7.5 m，最大吊距約27 m，設(shè)計(jì)有抱樁器；3）浮態(tài)時(shí)可作起重船使用；4）帶有動(dòng)力定位系統(tǒng)（DP1），具備工作區(qū)域航行、長(zhǎng)途調(diào)遺助航能力。

對(duì)風(fēng)電安裝船來(lái)說(shuō)，重要的性能指標(biāo)之一是可變荷載（Variable load），可變載荷就是指除船舶自身固定重量之外增加到船舶上的所有載荷，除甲板上增加的荷載外，還包括燃油、淡水、潤(rùn)滑油、工作人員及生活用品等。在船舶主尺度已定的情況下，各部分（船體、吊機(jī)、抬升系統(tǒng)）的重量盡可能減少，則可變載荷就會(huì)相應(yīng)增加。在船舶設(shè)計(jì)以及各主要設(shè)備方案選擇中，控制和減輕重量是目標(biāo)和重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。綜合考慮最終確定船舶主尺度及主要性能參數(shù)：船長(zhǎng)伊型寬伊型深：81.6 m伊40.8 m伊7.2 m；最大作業(yè)水深：40 m；甲板可用面積：2 000 m2；滿(mǎn)載吃水：4.9 m；可變載荷；3 763 t；居住人數(shù)：75人；入級(jí)符號(hào)：繹CSA Self-elevating Offshore Wind Turbine Service Unit，thruster，Lifting Appliance。船舶的側(cè)視圖和甲板布置圖如圖1和圖2所示。

圖1 安裝船側(cè)視圖Fig.1 Main view of installation vessel

圖2 甲板布置圖Fig.2Arrangement of the deck

目前國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)的風(fēng)電安裝船一般都是把甲板生活樓布置在船首。為了保證安全，按照《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》第2篇第1章1.8.3節(jié)規(guī)定，甲板生活樓必須布置于防撞艙壁以后的位置，這樣艏部前沿大約6 m的甲板空間必須空出，浪費(fèi)了不少空間，也增加了船舶的重量。而傳統(tǒng)的打樁船、起重船都是將樁架、吊機(jī)布置在船首，甲板生活樓布置于船尾，這樣生活樓到艉部的距離就不需要很大，所以把甲板生活樓布置在艉部。

為了方便在船舶甲板上拼裝風(fēng)機(jī)3個(gè)葉片，在拼裝時(shí)左右兩舷各伸出1片，另一片從艉部船中伸出，這樣把生活樓分為兩部分，左右舷布置，中間空出。

傳統(tǒng)的非自航工程船舶靠甲板絞車(chē)拋錨定位來(lái)完成移船，一般設(shè)置4～6臺(tái)甲板絞車(chē)。國(guó)外自航自升式風(fēng)電安裝船都是采用DP2動(dòng)力定位系統(tǒng)，靠螺旋槳驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)定位，只設(shè)1臺(tái)甲板絞車(chē)拋起錨。采取了DP1動(dòng)力定位系統(tǒng)再加4臺(tái)40 t液壓甲板絞車(chē)的方案，一旦DP1動(dòng)力定位系統(tǒng)失效就靠4臺(tái)甲板絞車(chē)來(lái)完成船舶定位和移船。船舶要具備動(dòng)力定位的能力，必須設(shè)置合理的螺旋槳推進(jìn)裝置，很多船舶采用艉部全回轉(zhuǎn)螺旋槳而艏部采用側(cè)推固定螺旋槳的方案。本文中采用的是艉部設(shè)置2臺(tái)1 470 kW全回轉(zhuǎn)螺旋槳，艏部也采用2臺(tái)800 kW全回轉(zhuǎn)螺旋槳。這個(gè)方案的好處：一是當(dāng)2臺(tái)1 470 kW全回轉(zhuǎn)螺旋槳作推進(jìn)不足時(shí)，2臺(tái)800 kW全回轉(zhuǎn)螺旋槳也可參與推進(jìn)；二是船靠碼頭時(shí)艏、艉皆可作為船頭，動(dòng)作方便；三是2臺(tái)800 kW全回轉(zhuǎn)螺旋槳相比側(cè)推固定槳維修方便。動(dòng)力定位控制系統(tǒng)由挪威Kangsberg公司提供并由其進(jìn)行動(dòng)力定位能力的校核，滿(mǎn)足在浪高2.0 m、表面流速2 kn、風(fēng)速21 kn情況下動(dòng)力定位能力要求。

3 甲板吊機(jī)的選擇及布置

現(xiàn)有風(fēng)電安裝船主吊機(jī)布置形式，有布置在前后兩樁腿之間的，如Sea Jack；有布置于一樁腿旁的，如JB118；有布置于左右兩樁腿之間的，如國(guó)內(nèi)幾條風(fēng)電安裝船；國(guó)外先進(jìn)的風(fēng)電安裝船多采用繞樁吊（Around pile crane），如Sea Installer、Zaranta，即把吊機(jī)布置在樁腿上，樁腿從吊機(jī)中心穿出，吊機(jī)工作時(shí)圍繞樁腿旋轉(zhuǎn)。這種方案有以下四點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：一是減少吊機(jī)占用甲板的面積，使甲板可用面積增加；二是吊機(jī)舷外有效伸距大大增加；三是減少工作時(shí)吊機(jī)與樁腿之間的干擾，如果不采用繞樁吊就面臨當(dāng)插樁深度淺的時(shí)候，甲板以上樁腿伸出的長(zhǎng)度很大，這樣必然影響吊機(jī)的工作；四是吊機(jī)的底座與樁腿固樁架作為一體，可減少結(jié)構(gòu)重量。

本來(lái)船選用1 000 t@25 m主吊機(jī)和360 t@24 m輔吊機(jī)，均采用繞樁吊的布置。如圖3所示，當(dāng)?shù)鯔C(jī)位于兩樁腿（A、C）之間中點(diǎn)（B），在D點(diǎn)起吊重物P；另一種狀態(tài)采用繞樁吊，吊機(jī)位于C，同樣在D點(diǎn)起吊重物P。上述兩種受力狀態(tài)，由于重物P的作用點(diǎn)相對(duì)風(fēng)電船是一樣的，如果把船體吊機(jī)視作剛體，則重物P引起平臺(tái)四條樁腿支反力的變化兩種狀態(tài)是一樣的。而吊機(jī)自重W引起的支腿反力是不同的，前一種狀態(tài)兩支腿（A、C）各受力W/2，后一種狀態(tài)繞樁吊機(jī)支腿C點(diǎn)受力W，而A點(diǎn)為0?？梢?jiàn)C點(diǎn)由于吊機(jī)自重引起的支反力大了W/2（最大值）。經(jīng)詳細(xì)計(jì)算[4-5]本船吊機(jī)幅度（BD）為25 m時(shí)，采用繞樁吊布置C點(diǎn)支反力要大415 t。

圖3 樁腿受力分析圖Fig.3Force analysis of pile leg

計(jì)算在空船抬升站立狀態(tài)主吊機(jī)在工作幅度25 m，吊重1 000 t吊機(jī)360毅全旋轉(zhuǎn)不同角度釆用繞樁吊時(shí)C樁腿的受力大小，也計(jì)算了把主吊機(jī)擺在前兩樁腿中間B時(shí)不同角度C樁腿的受力大小，具體見(jiàn)表1。

表1 樁腿受力計(jì)算Table 1Force calculation of pile leg t

由表中數(shù)據(jù)可以看出：主吊機(jī)位于C點(diǎn)和位于A、C樁腿中間B點(diǎn)計(jì)算C樁腿受力差最大為896 t，這時(shí)吊機(jī)的工作幅度要大很多。其實(shí)地基一旦達(dá)到砂質(zhì)持力土層，這點(diǎn)差值根本就不是問(wèn)題。所以釆用繞樁吊形式。

如果把主輔吊機(jī)都布置在船首，這樣左右舷易于平衡，且船舶縱向受力，比較合理。但這個(gè)方案最大的問(wèn)題是，在海上如果風(fēng)電安裝船順流停放，則配合的駁船肯定是吃橫流（潮流的方向與船長(zhǎng)方向垂直），反之亦然。這樣潮流大的情況下必有一條船的定位相當(dāng)困難，施工比較麻煩。

另一種方案是把輔吊機(jī)布置在主吊機(jī)同一側(cè)，如圖4，這個(gè)方案可以保證風(fēng)電安裝船和運(yùn)樁駁船同時(shí)順流，問(wèn)題在于主輔吊機(jī)位于同側(cè)（都在右舷）會(huì)使船舶右傾嚴(yán)重。

圖4 兩吊機(jī)位于同側(cè)示意圖Fig.4Schematic drawing of two cranes to be located at starboard

對(duì)上述兩種方案計(jì)算了空船抬升，從駁船上剛開(kāi)始起吊900 t單樁和翻樁時(shí)，三種狀態(tài)風(fēng)電船四樁腿的受力如表2所示。

表2 起吊單樁時(shí)樁腿受力計(jì)算Table 2Force calculation of pile legs during lifting mono pile t

由表2中的數(shù)據(jù)可以看出主輔吊都位于右舷起吊900 t單樁由于垮距只有20 m，而2臺(tái)吊機(jī)同時(shí)位于艏起吊900 t單樁時(shí)則跨距要28 m，所以2吊機(jī)同時(shí)位于右舷起吊900 t單樁引起的支腿反力反而較小，最終選擇2臺(tái)吊機(jī)同時(shí)位于右舷。

4 抬升系統(tǒng)方案的選擇

目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)建造的平臺(tái)液壓插銷(xiāo)式方案主要由固樁架（Jack house）、與固樁架連接的固定環(huán)梁、動(dòng)環(huán)梁、固定環(huán)梁與動(dòng)環(huán)梁之間聯(lián)接的油缸等組成（方案1），工作時(shí)依靠油缸作上下抬升運(yùn)動(dòng)，依靠固定環(huán)梁、動(dòng)環(huán)梁上的插銷(xiāo)交替插拔進(jìn)行換步，實(shí)現(xiàn)間斷式運(yùn)動(dòng)。

振華重工提供了另一個(gè)液壓插銷(xiāo)式的方案[6]，如圖5所示。

圖5 液壓插銷(xiāo)式抬升方案2Fig.5Programme 2 of hydraulic jacking system

根據(jù)兩個(gè)方案工作原理，主要差別分析如下：

1）方案2在支撐狀態(tài)是主輔油缸同時(shí)工作，因此其支撐能力（holding capacity）可達(dá)到抬升能力的2倍，即7 000 t。而方案1仍是一套油缸工作，支撐能力只能達(dá)到4 000 t，需要把各樁腿的插樁深度調(diào)整到差不多的高度，把上環(huán)梁上的插銷(xiāo)插入，這種狀態(tài)下，支撐能力才能進(jìn)一步提高。

2）方案2可方便由抬升系統(tǒng)加載實(shí)現(xiàn)對(duì)角預(yù)壓，最大荷載約為一半的船自重（6 000 t左右），而方案1由抬升系統(tǒng)加載對(duì)角壓最大只能到油缸支撐能力（4 000 t），大于油缸支撐能力必須靠水艙壓載加載，實(shí)現(xiàn)起來(lái)不方便，最大壓載力可能會(huì)受到限制。

3）方案2船體重量直接由油缸傳遞到樁腿上，固樁架不受力，只起到扶持、船體固樁的作用；而方案1船體重量是由固樁架傳遞到油缸，再由油缸傳遞到樁腿上，也就是說(shuō)方案1中的固樁架是受力的，這樣方案1固樁架要重很多；按照單樁腿3 500 t抬升能力設(shè)計(jì)計(jì)算，按方案1則1個(gè)固樁架（不包括吊機(jī)基座）重量要達(dá)到200 t，而方案2只有85 t。

4）方案2工作時(shí)，油缸是受拉力的；而方案1的油缸是受壓力的，油缸設(shè)計(jì)受到壓桿穩(wěn)定性的制約。方案1樁腿上銷(xiāo)孔間距為1 500 mm；方案2為2 000 mm，還可以更大。因此方案2速度大于方案1，效率更高。

5）方案2最大的問(wèn)題是支撐狀態(tài)下必須由油缸支撐，而方案1可實(shí)現(xiàn)機(jī)械鎖定支撐（上環(huán)梁插銷(xiāo)插上）。因此在油缸設(shè)計(jì)上要采取有效措施降低油缸內(nèi)泄漏。1 000 t自升式風(fēng)電安裝船于2016年1月5日完成插樁試驗(yàn)，到2016年2月23日在支撐狀態(tài)下油缸行程變化值最大為11.7 mm，平臺(tái)支撐狀態(tài)下主輔油缸內(nèi)泄露量較小，可滿(mǎn)足平臺(tái)液壓鎖緊功能。經(jīng)實(shí)際使用仍然比較穩(wěn)定。

最終選擇方案2，抬升系統(tǒng)主要性能如下：樁腿形式：圓柱形；樁腿數(shù)量伊外徑伊長(zhǎng)度：4根伊準(zhǔn)3 600 mm伊80 m；銷(xiāo)孔節(jié)距：2 000 mm；單樁提升力伊額定支持力（最大預(yù)壓力）：3 500 t伊7 000 t；樁腿下降速度：18 m/h；樁腿上升速度：13.1 m/h；平臺(tái)上升速度：9.92 m/h；平臺(tái)下降速度：5.88 m/h。

5 結(jié)語(yǔ)

本船由振華重工具體設(shè)計(jì)和建造，2014年8月開(kāi)工，2015年9月29日船舶下水，2016年1月5日完成插樁將平臺(tái)抬升水面，2月3日完成吊機(jī)吊重試驗(yàn)，3月16日竣工出廠(chǎng)。

由于前期設(shè)計(jì)方案考慮比較周全，建造過(guò)程中未出現(xiàn)大的方案變化和調(diào)整，進(jìn)展非常順利。在整個(gè)設(shè)計(jì)建造過(guò)程中注重船舶總重量的控制，船舶空船總重量由設(shè)計(jì)時(shí)的11 411 t減少到10 548 t（傾斜試驗(yàn)數(shù)據(jù)），減少了863 t。除去樁腿重量2 597 t，空船重量只有7 951 t，因此實(shí)際可變載荷為2 900（設(shè)計(jì)）+863=3 763 t，最大抬升重量為7 951+3 763=11 714 t<12 600 t（抬升最大允許載荷）。

本船取名“三航風(fēng)華”號(hào)，自2016年4月初投入使用以來(lái)，先后在福建莆田平海灣50 MW海上風(fēng)電項(xiàng)目，江蘇響水三峽200 MW近海風(fēng)電項(xiàng)目，如東華能300 MW海上風(fēng)電場(chǎng)安裝風(fēng)機(jī)，實(shí)際使用效果十分理想，得到了業(yè)主的廣泛好評(píng)。

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Development of 1 000 t self-elevating wind turbine installation vessel "SAN HANG FENG HUA"

SHEN Huo-qun,WANG Zheng,HU Ling-bin,LU Yi-feng,HUANG Chao
（CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Self-elevating wind turbine installation vessel is special equipment for offshore wind farm construction.Base on the research and analysis of the existing self-elevating wind installation vessels at home and abroad,absorbing the advanced concepts and experiences and using domestic equipments,our company has designed and built the most advanced selfelevating wind installation vessel"SAN HANG FENG HUA"with the largest lifting capacity of 1 000 t in domestic.We described the design idea and plan of the general arrangement of the vessel,the selection and arrangement of the crane,the jacking system,etc.The scientific and rationality of the above designs is proved through the actual projects.

self-elevating wind turbine installation vessel;general arrangement;variable load;around pile crane;jacking system

U655.32

A

2095-7874（2017）09-0090-05

10.7640/zggwjs201709020

2016-12-06

2017-02-28

沈火群（1962—），男，湖北大悟人，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事船舶技術(shù)管理工作。E-mail：18217382838@139.com