風(fēng)電安裝平臺(tái)升降系統(tǒng)選型淺析

鄧國(guó)輝 張磊

摘? ? 要：升降系統(tǒng)作為自升式平臺(tái)中的關(guān)鍵部分，在平臺(tái)的設(shè)計(jì)制造中受到高度重視，其性能的優(yōu)劣直接影響平臺(tái)的安全和使用效果。升降系統(tǒng)的升降形式多種多樣，本文從升降系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)總體性能和成本的影響方面來分析一下各種形式的有優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：升降選型;上下環(huán)梁;液壓插銷式;螺旋升降

中圖分類號(hào)：U664.69 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper mainly describes the selection of the type of lifting system in the preliminary design of the wind power installation platform. As a key part of the jack-up platform， the lifting system has always been highly regarded in the design and manufacture of the platform， its performance of directly affects the security and use of the platform. In the wind power platform that has been delivered or is being produced and built in China， the lifting form of the lifting system is diverse. The advantages and disadvantages are analyzed from the impact of the lifting system on the overall performance and cost of the platform.

Key words： Lifting type selection; Upper and lower ring beam; Hydraulic bolt type; Screw lifting

1? ? 前言

自升式平臺(tái)的升降系統(tǒng)大致可分為兩大類：齒輪齒條電動(dòng)升降系統(tǒng);孔穴插銷液壓升降系統(tǒng)。由于齒輪齒條式升降速度快、操作簡(jiǎn)單、易對(duì)井位，多為桁架式自升式鉆井平臺(tái)所采用;而風(fēng)電安裝平臺(tái)的升降系統(tǒng)，其升降次數(shù)要遠(yuǎn)大于自升式鉆井平臺(tái)的升降系統(tǒng)，故多采用孔穴插銷液壓升降系統(tǒng)，它比齒輪齒條式電動(dòng)升降系統(tǒng)，使用壽命更長(zhǎng)、工作更可靠。

2? ? 孔穴插銷式液壓升降系統(tǒng)的分類和特點(diǎn)

在2017年國(guó)內(nèi)投入營(yíng)運(yùn)的風(fēng)電安裝平臺(tái)中，比較有代表性的有福船“三峽號(hào)”、韓通“海洋風(fēng)電69”、及“精銦01號(hào)”，分別是在福建馬尾船廠、江蘇韓通船舶重工及廣州黃埔文沖造船有限公司生產(chǎn)的。其中，福船“三峽號(hào)”是江蘇潤(rùn)幫重工提供的升降系統(tǒng)，韓通“海洋風(fēng)電69”是上海振華重工提供的升降系統(tǒng)，“精銦01號(hào)”是佛山精銦海工提供的升降系統(tǒng)。這三艘平臺(tái)的主尺度和升降能力均比較接近，而且都是由上海708所進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。參考上敘平臺(tái)的主尺度和升降能力，本文以升降總重量為11 500 t（包括2500t可變載荷，其中甲板載荷不低于1800 t）、升降速度24m/h、升降樁腿速度36 m/h、樁腿直徑4.0 m、樁腿孔節(jié)距1.5m、固樁架外形尺寸9 m×9 m、升降次數(shù)不小于2000次等參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，分析各種形式的液壓插銷式升降系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1? 對(duì)角插銷式液壓升降系統(tǒng)

（1）升平臺(tái)時(shí)：安裝在樁腿對(duì)側(cè)的兩套升降裝置的插銷插入樁腿，提升油缸伸出，平臺(tái)上升;另兩套升降裝置插銷拔出，提升油缸快速縮回，當(dāng)平臺(tái)升起至一個(gè)節(jié)距時(shí)，此組插銷插入樁腿，做功的兩套升降裝置停止，同時(shí)插銷拔出。反復(fù)上述動(dòng)作，可以達(dá)到連續(xù)起升平臺(tái)的目的。

（2）降平臺(tái)時(shí)：安裝在樁腿對(duì)側(cè)的兩套升降裝置的插銷插入樁腿，提升油缸縮回，平臺(tái)下降;另兩套升降裝置插銷拔出，提升油缸快速伸出，當(dāng)平臺(tái)升起至一個(gè)節(jié)距時(shí)，此組插銷插入樁腿，做功的兩套升降裝置停止，同時(shí)插銷拔出。反復(fù)上述動(dòng)作可以達(dá)到連續(xù)降平臺(tái)的目的（見圖1）。

（3）滿足升降速度、可變載荷等參數(shù)情況下，系統(tǒng)的外形大小和重量參數(shù)為：固裝架外形尺寸9 mX9 mX10 m（主甲板上）、升降系統(tǒng)總重440 t、固裝架總重608 t。

（4）主要設(shè)備組成：提升油缸48套、液壓插銷總成16套、升降滑座總成16套。

2.2? ?上下環(huán)梁式液壓升降系統(tǒng)

（1）升降方式： 平臺(tái)在漂浮狀態(tài)下四條樁腿同時(shí)下放，每條樁腿單獨(dú)控制，當(dāng)樁腿到達(dá)海底時(shí)油缸壓力升高，停止動(dòng)作。具體操作過程如下：首先，在確定高位環(huán)梁插銷插入銷孔后，低位環(huán)梁插銷從銷孔中拔出;然后，高位環(huán)梁升降油缸開始收縮帶動(dòng)樁腿下降移動(dòng)，直到下一個(gè)銷孔位置;與此同時(shí)，低位環(huán)梁升降油缸伸出帶動(dòng)低位環(huán)梁空載移動(dòng)一個(gè)銷孔節(jié)距，低位環(huán)梁插銷插入銷孔，高位環(huán)梁插銷拔出，低位環(huán)梁升降油缸收縮帶動(dòng)樁腿下降移動(dòng)，直到下一個(gè)銷孔位置;與此同時(shí)，高位環(huán)梁升降油缸空載伸出帶動(dòng)高位環(huán)梁移動(dòng)一個(gè)銷孔節(jié)距。重復(fù)循環(huán)上述動(dòng)作，直到樁腿接觸到海底為止。

（2）當(dāng)四條樁腿全部接觸海底且平臺(tái)處于水平位置時(shí)，開始插樁動(dòng)作：斜對(duì)角的升降油缸同時(shí)收縮，油缸壓力升高，樁腿壓入海底淤泥且需要一段行程;直至壓實(shí)后，樁腿部繼續(xù)下降，由于樁腿對(duì)船體的反作用力，船體平臺(tái)開始上升，直到船體平臺(tái)離開海面（見圖2）。

（3）在滿足升降速度、可變載荷等參數(shù)情況下，系統(tǒng)外形大小和重量參數(shù)為：固裝架外形尺寸9 mX9 mX12 m（主甲板上）、升降系統(tǒng)總重830 t、固裝架總重570 t。

（4）主要設(shè)備組成：高位環(huán)梁（含插銷組件）;低位環(huán)梁（含插銷組件）;油缸閥塊64套;高位環(huán)梁升降油缸32套;低位環(huán)梁升降油缸32套;插銷油缸32套。

2.3? ? 螺旋升降式液壓升降系統(tǒng)

（1）升降方式： 初始狀態(tài)如圖3所示。1號(hào)滑座的提升油缸活塞在最高位置;2號(hào)滑座的提升油缸活塞伸出一個(gè)步進(jìn)行程;3號(hào)滑座的提升油缸活塞伸出兩個(gè)步進(jìn)行程;4號(hào)滑座的提升油缸活塞伸出三個(gè)步進(jìn)行程。

（2）開始升平臺(tái)：①4號(hào)滑座的插銷拔出，回程運(yùn)動(dòng)三個(gè)步進(jìn)行程，插銷插入;1號(hào)滑座、2號(hào)滑座、3號(hào)滑座同時(shí)伸出一個(gè)步進(jìn)行程，3號(hào)滑座在最低位置，3號(hào)滑座插銷拔出;②3號(hào)滑座回程運(yùn)動(dòng)三個(gè)步進(jìn)行程，插銷插入;1號(hào)滑座、3號(hào)滑座、4號(hào)滑座同時(shí)伸出一個(gè)步進(jìn)行程，2號(hào)滑座在最低位置，2號(hào)滑座插銷拔出;③2號(hào)滑座回程運(yùn)動(dòng)三個(gè)步進(jìn)行程，插銷插入;1號(hào)滑座、3號(hào)滑座、4號(hào)滑座同時(shí)伸出一個(gè)步進(jìn)行程，1號(hào)滑座在最低位置，1號(hào)滑座插銷拔出;④1號(hào)滑座回程運(yùn)動(dòng)三個(gè)步進(jìn)行程，插銷插入;2號(hào)滑座、3號(hào)滑座、4號(hào)滑座同時(shí)伸出一個(gè)步進(jìn)行程，4號(hào)滑座在最低位置，4號(hào)滑座插銷拔出，恢復(fù)初始狀態(tài)，如此往復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)升船動(dòng)作。

在滿足升降速度、可變載荷等參數(shù)情況下，系統(tǒng)的外形大小和重量參數(shù)為：固裝架外形尺寸9 mX9 mX7.7 m（主甲板上）、升降系統(tǒng)總重314 t、固裝架總重430 t。

3? ? 三種液壓插銷式升降系統(tǒng)的對(duì)比分析

3.1? ?升降系統(tǒng)整體重量方面

（1） 上述三種液壓插銷式升降系統(tǒng)中，螺旋升降式和對(duì)角插銷式升降系統(tǒng)的固裝架較小。但考慮到插銷實(shí)效時(shí)，對(duì)角插銷式升降的平臺(tái)載荷會(huì)集中在一個(gè)插銷上，而螺旋升降式是集中在二個(gè)插銷上，上下環(huán)梁式是集中在三個(gè)插銷上，所以按失效分析可知對(duì)角插銷式失效時(shí)最危險(xiǎn)，所以在對(duì)角插銷式的固裝架頂部增加了2.3 m高的鎖緊艙，以保證插銷失效時(shí)上端立即鎖緊，這樣使固裝架的高度增加，增加了固裝架整體重量。

（2） 從升降系統(tǒng)設(shè)備組成來看，螺旋升降式設(shè)備組成較少，所以在升降系統(tǒng)整體重量方面，螺旋升降式重量小于對(duì)角插銷式、對(duì)角插銷式重量小于上下環(huán)梁式。

3.2? ?控制系統(tǒng)方面

（1）螺旋升降式的油缸步長(zhǎng)不一致，控制傳遞信號(hào)多，難以精準(zhǔn)定位;同時(shí)，PLC電控系統(tǒng)制作復(fù)雜。因此，螺旋升降式升降系統(tǒng)的控制系統(tǒng)對(duì)可靠性和冗余度要求極高。

（2）對(duì)角插銷式因存在鎖緊插銷的控制，控制傳遞信號(hào)點(diǎn)比上下環(huán)梁式要多。所以在控制系統(tǒng)方面，螺旋升降式冗余度要大于對(duì)角插銷式、對(duì)角插銷式冗余度要大于上下環(huán)梁式。

3.3? ?對(duì)樁腿重量的影響方面

按中國(guó)沿海環(huán)境普遍需求，我們將作業(yè)水深設(shè)置為55 m、入泥深度設(shè)置為5 m，在此條件下樁腿長(zhǎng)度分析如下：

（1） 對(duì)角插銷式液壓升降系統(tǒng)的樁腿長(zhǎng)度約為86? m（5 m入泥深度+55 m水深+6 m作業(yè)氣隙+7 m型深+10? m升樁機(jī)構(gòu)室高度+3 m安全余量）;螺旋升降式樁腿長(zhǎng)度約為83.7 m（5? m入泥深度+55 m水深+6 m作業(yè)氣隙+7 m型深+7.7? m升樁機(jī)構(gòu)室高度+3? m安全余量）;上下環(huán)梁式樁腿長(zhǎng)度約為88 m（5? m入泥深度+55 m水深+6 m作業(yè)氣隙+7 m型深+12 m升樁機(jī)構(gòu)室高度+3 m安全余量）。

（2） 在10 500 t的平臺(tái)重量和2 500 t的可變載荷情況下，按4 m直徑的圓柱形樁腿，其厚度和重量分析如下：

① 對(duì)角插銷式升降系統(tǒng)和螺旋升降式升降系統(tǒng)在升平臺(tái)時(shí)，按照 CCS 規(guī)范要求，當(dāng)其中一個(gè)銷子失效時(shí)樁腿強(qiáng)度也應(yīng)滿足升平臺(tái)需要;如果僅有兩個(gè)銷子承擔(dān)升降平臺(tái)的載荷，則銷孔的局部強(qiáng)度就成為控制性工況，樁腿板厚要求較高，690 鋼材厚度需達(dá)到 74 mm 左右（無貼板情況下）， 結(jié)合樁腿長(zhǎng)度，四個(gè)樁腿樁靴的結(jié)構(gòu)總重量約為 3 300? t。

②上下環(huán)梁式升降系統(tǒng)當(dāng)其中一個(gè)銷子失效時(shí)，還有三個(gè)銷子插在樁腿上，其樁腿板厚要求較低， 690 鋼材厚度需 66 mm 左右（無貼板情況下），結(jié)合樁腿長(zhǎng)度，四個(gè)樁腿樁靴的結(jié)構(gòu)總重量約為 3 000? t。所以在樁腿的重量控制方面：螺旋升降式重量與對(duì)角插銷式相似，對(duì)角插銷式大于上下環(huán)梁式。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電安裝平臺(tái)的升降形式，以上下環(huán)梁式液壓插銷升降系統(tǒng)居多。但隨著控制系統(tǒng)的更新發(fā)展，以后肯定將會(huì)有越來越多的升降系統(tǒng)形式被創(chuàng)新應(yīng)用。本文僅淺析了現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)風(fēng)電平臺(tái)的幾種常見升降形式，在實(shí)際設(shè)計(jì)中會(huì)有細(xì)節(jié)上的優(yōu)化。

希望本文可以為大家打開思路，在以后風(fēng)電安裝平臺(tái)的升降系統(tǒng)能有更新的設(shè)計(jì)方案。

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