海上風(fēng)電安裝平臺(tái)輪機(jī)運(yùn)行故障與維護(hù)

（中鐵福船海洋工程有限責(zé)任公司，福建 福州 350015）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力建設(shè)的規(guī)模也越來(lái)越大，其中風(fēng)力電力開發(fā)逐步從陸地轉(zhuǎn)向海洋，國(guó)內(nèi)開始在沿海、近海水域上建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)，而海上風(fēng)電風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝離不開專業(yè)的風(fēng)電安裝平臺(tái)。海上風(fēng)電安裝平臺(tái)是近10年來(lái)我國(guó)科技高速發(fā)展的產(chǎn)物。目前，我國(guó)海上風(fēng)電安裝平臺(tái)目標(biāo)作業(yè)海域主要在廣東、福建和江蘇等沿海海域，也可以兼顧我國(guó)其他沿海海域、歐洲以及東南亞沿海海域。輪機(jī)是海上風(fēng)電安裝平臺(tái)的核心設(shè)備，做好對(duì)輪機(jī)的日常維護(hù)工作至關(guān)重要，其關(guān)系到平臺(tái)是否能夠正常運(yùn)作。良好的輪機(jī)日常管理和正確的操作方式能夠降低維護(hù)的頻率及難度，進(jìn)而減少平臺(tái)發(fā)生事故的次數(shù)，提高平臺(tái)的使用壽命。

1 典型海上風(fēng)電安裝平臺(tái)輪機(jī)的主要構(gòu)成

海上風(fēng)電安裝平臺(tái)作為海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)安裝施工的專業(yè)船舶，與傳統(tǒng)的航行貨船的輪機(jī)組成存在較大的差異性，主要原因是船舶的功能不同。典型海上風(fēng)電安裝平臺(tái)輪機(jī)構(gòu)成如下。

艉部設(shè)2臺(tái)1 800 kW全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)裝置，艏部設(shè)2套全回轉(zhuǎn)輔推進(jìn)裝置，均由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，滿足海上風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的短距離移位及機(jī)位的動(dòng)力定位需求。配置4臺(tái)1 600 kW柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組、1臺(tái)500 kW停泊發(fā)電機(jī)組、1臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組及相應(yīng)配電系統(tǒng)，為起重機(jī)、升樁機(jī)構(gòu)以及甲板機(jī)械等提供其所需電力。配置單樁最大支持力6 000 t的液壓插銷式升降裝置，滿足平臺(tái)就位后的提升、下降及起重作業(yè)時(shí)承載力要求，同時(shí)滿足17級(jí)臺(tái)風(fēng)情況下平臺(tái)在海上的自存。配置1臺(tái)1 000 t級(jí)電動(dòng)全回轉(zhuǎn)繞樁式主起重機(jī)、1臺(tái)200 t級(jí)全回轉(zhuǎn)起重機(jī)，滿足海上風(fēng)機(jī)各個(gè)設(shè)備部件的吊裝要求。配置2臺(tái)電動(dòng)齒輪齒條式、1臺(tái)卷盤式海水提升裝置，用于平臺(tái)升離水面后海水系統(tǒng)的供應(yīng)。并且配備錨泊、空調(diào)、通風(fēng)、冷藏、燃油、滑油、冷卻水、壓縮空氣、壓載、樁靴噴沖、消防和生活等必備系統(tǒng)裝置。

2 海上風(fēng)電安裝平臺(tái)輪機(jī)運(yùn)行故障與分析

2.1 海上風(fēng)電安裝平臺(tái)輪機(jī)運(yùn)行故障頻發(fā)及原因分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，典型海上風(fēng)電平臺(tái)2019年期間，輪機(jī)設(shè)備故障共發(fā)生98起，平均每月高達(dá)8.2起，故障涵蓋了動(dòng)力系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、推進(jìn)裝置、起重機(jī)械、消防救生設(shè)施、甲板機(jī)械、生活設(shè)施等諸多系統(tǒng)和設(shè)施。海上風(fēng)電安裝平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備故障頻發(fā)，已嚴(yán)重影響到正常作業(yè)生產(chǎn)。相關(guān)統(tǒng)計(jì)情況如圖1所示。

造成平臺(tái)故障頻發(fā)的原因有以下6點(diǎn)：1）隨著海上風(fēng)電安裝平臺(tái)向著智能化、自動(dòng)化、系統(tǒng)化方向發(fā)展，大量有別于傳統(tǒng)船舶的先進(jìn)設(shè)備得以應(yīng)用，海上風(fēng)電安裝平臺(tái)設(shè)施不斷更新?lián)Q代。而國(guó)內(nèi)針對(duì)該類平臺(tái)的輪機(jī)運(yùn)行研究卻停滯不前[1]。2）我國(guó)的海上風(fēng)電安裝平臺(tái)出現(xiàn)較晚，輪機(jī)操作者多為此前近岸、碼頭工程的非自航船舶人員轉(zhuǎn)入，專業(yè)技術(shù)知識(shí)水平還有待提高，創(chuàng)新意識(shí)略顯不足，在實(shí)施離岸風(fēng)電工程時(shí)工作經(jīng)驗(yàn)相對(duì)欠缺。3）海上風(fēng)電安裝平臺(tái)的航行、動(dòng)力定位、起重作業(yè)、升降作業(yè)等均依托于主發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力供應(yīng)，造成動(dòng)力系統(tǒng)的頻繁報(bào)警與故障。4）長(zhǎng)期駐在海上風(fēng)電安裝平臺(tái)的人員數(shù)量偏多，高峰期時(shí)可達(dá)150人以上，是普通船舶的5倍以上，給平臺(tái)空調(diào)、冷藏、生活水等系統(tǒng)造成很大壓力，壓縮機(jī)、熱水柜等設(shè)備經(jīng)常性維修甚至換新。5）隨著國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電行業(yè)“搶裝潮”的出現(xiàn)，起重機(jī)長(zhǎng)期處于超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至無(wú)法保證正常的維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間。6）由于平臺(tái)的頻繁升降，造成海水系統(tǒng)中海水泵及部分機(jī)構(gòu)頻繁地與海水、空氣交替接觸，因此極易造成海水泵及管系等的損壞。

圖1 典型海上風(fēng)電安裝平臺(tái)故障統(tǒng)計(jì)

2.2 運(yùn)行故障的產(chǎn)生與施工作業(yè)高度相關(guān)

海上風(fēng)電安裝平臺(tái)的施工作業(yè)受限于海域的風(fēng)、浪、涌等海況條件。受國(guó)內(nèi)沿海季風(fēng)、臺(tái)風(fēng)等的影響，每年的3月～9月為施工窗口期，其中7月～9月為臺(tái)風(fēng)多發(fā)期；10月～第2年2月受冷空氣影響，為非窗口期。另外，受春節(jié)放假影響，施工暫停；而每年第4季度，施工工期相對(duì)緊張。非作業(yè)窗口期內(nèi)，平臺(tái)只有維持人員生活的相關(guān)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，而當(dāng)海況處于作業(yè)窗口期時(shí)，平臺(tái)施工連班作業(yè)，這樣必然造成平臺(tái)輪機(jī)設(shè)備負(fù)荷不均，進(jìn)而造成設(shè)備故障，給運(yùn)行管理和維護(hù)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。受以上因素影響，每年的1月～2月，平臺(tái)施工時(shí)間較少，輪機(jī)設(shè)備故障最少；3月～6月為平臺(tái)作業(yè)高峰期，同時(shí)也故障多發(fā)期，特別是3月～4月為春節(jié)復(fù)工后的生產(chǎn)高峰，故障最多；7月～9月為防抗臺(tái)時(shí)間，平臺(tái)作業(yè)較高峰期少；10月～12月為趕工周期，平臺(tái)必須合理利用一切可用窗口期，受惡劣海況影響，故障較多。平臺(tái)必須合理利用一切可用窗口期來(lái)進(jìn)行施工作業(yè)。單月故障統(tǒng)計(jì)相關(guān)情況如圖2所示。

2.3 導(dǎo)致重大停機(jī)事件的故障相對(duì)集中

如圖1所示，海上風(fēng)電安裝平臺(tái)發(fā)生故障次數(shù)最多的設(shè)備為升降系統(tǒng)，同時(shí)平臺(tái)故障次數(shù)多也是導(dǎo)致平臺(tái)停工的主要原因。例如，因3號(hào)樁腿36 m處插銷孔變形嚴(yán)重，銷孔下側(cè)塌陷130 mm，平臺(tái)不能正常升降，造成停工時(shí)間168 h；因1#樁靴高壓沖水孔堵塞，無(wú)法進(jìn)行降船作業(yè)，停工3 d。造成這種情況主要原因有以下3點(diǎn)：1）升降系統(tǒng)的使用率非常高，平均每年超過(guò)100次，如此頻繁的升降作業(yè)給升降機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)造成極大壓力。2）該類設(shè)備的運(yùn)行操作與維護(hù)在國(guó)內(nèi)無(wú)成熟的管理方法和操作流程可以借鑒，主要靠輪機(jī)人員不斷的摸索和總結(jié)。3）不同海域的海底地質(zhì)條件，造成升降系統(tǒng)在升降過(guò)程中無(wú)法保證受力平衡。如果在海床平緩的砂質(zhì)地質(zhì)條件下，淺表層足以提供平臺(tái)舉升的承載力，此時(shí)樁腿插入太淺，隨著海流和潮水的沖刷，容易將樁靴底部掏空，造成樁靴滑移；在海床平緩的淤泥質(zhì)地質(zhì)條件下，為提供足夠的承載力，樁靴需要插入較深土層，隨著樁腿周圍土壤的回填，給安裝完成后的拔樁造成極大的困難；在海床起伏過(guò)大的地質(zhì)情況下，4個(gè)樁腿的入泥深度各異，在單個(gè)或單側(cè)樁腿插入過(guò)深時(shí)，容易造成單個(gè)樁腿偏向，有時(shí)2個(gè)樁腿成“外八”或“內(nèi)八”字形狀，造成樁腿局面應(yīng)力集中或偏磨等。

圖2 單月故障統(tǒng)計(jì)

3 海上風(fēng)電安裝平臺(tái)輪機(jī)運(yùn)行與維護(hù)策略

3.1 優(yōu)化平臺(tái)營(yíng)運(yùn)工作

為了有效提高我國(guó)海上風(fēng)電安裝平臺(tái)的使用效率，必須對(duì)我國(guó)海上風(fēng)電安裝平臺(tái)的營(yíng)運(yùn)工作進(jìn)行優(yōu)化，使之更具合理性及科學(xué)性。具體可從2個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：1）結(jié)合海況條件，對(duì)風(fēng)電安裝平臺(tái)的作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行合理安排，對(duì)作業(yè)進(jìn)度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，選擇最優(yōu)的營(yíng)運(yùn)方式，事前分析影響平臺(tái)作業(yè)流程、設(shè)備狀況的因素，合理配置平臺(tái)上的各種資源，制定詳細(xì)的策略，以防發(fā)生意外狀況。2）制定科學(xué)合理的施工方案，避免吊裝作業(yè)過(guò)程中因海浪、風(fēng)載造成的瞬時(shí)過(guò)載，避免制定吊裝方案時(shí)過(guò)多使用極限狀態(tài)。

3.2 提高海上風(fēng)電安裝平臺(tái)輪機(jī)管理人員的綜合素質(zhì)

平臺(tái)輪機(jī)日常維護(hù)及管理對(duì)維護(hù)及管理人員的技術(shù)水平有著較高的要求，這就需要平臺(tái)人員加強(qiáng)培養(yǎng)和提高輪機(jī)管理的綜合素質(zhì)，特別是對(duì)先進(jìn)設(shè)備、特種設(shè)備運(yùn)行管理技術(shù)的學(xué)習(xí)和鉆研，同時(shí)要有較強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。專業(yè)水平素養(yǎng)高的管理人員應(yīng)幫助其他管理人員改善管理方式，好的設(shè)備維護(hù)方法及管理模式應(yīng)得到大力推廣，實(shí)時(shí)共享。例如，開展技能培訓(xùn)時(shí)做好交流，最好是能做現(xiàn)場(chǎng)講解，以提高平時(shí)檢查工作中的判斷力及準(zhǔn)確性，以及增強(qiáng)處理問(wèn)題的業(yè)務(wù)能力。

3.3 完善海上風(fēng)電安裝平臺(tái)輪機(jī)維護(hù)保養(yǎng)方案

國(guó)內(nèi)在海上風(fēng)電安裝平臺(tái)輪機(jī)維護(hù)保養(yǎng)方面存在以下3點(diǎn)不足：1）設(shè)備維護(hù)僅停留在預(yù)防階段，對(duì)于突發(fā)事件往往會(huì)手足無(wú)措，并且缺乏一定的科學(xué)理論指導(dǎo)。2）國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電安裝平臺(tái)輪機(jī)起步較晚，相應(yīng)的輪機(jī)管理制度還不完善，管理人員經(jīng)驗(yàn)還有所欠缺。3）輪機(jī)維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間沒有形成一定間隔，不能保證輪機(jī)維護(hù)的質(zhì)量?？偟膩?lái)說(shuō)，當(dāng)前的維護(hù)保養(yǎng)方案無(wú)法達(dá)到應(yīng)有的輪機(jī)維護(hù)保養(yǎng)質(zhì)量，急需對(duì)海上風(fēng)電安裝平臺(tái)輪機(jī)維護(hù)保養(yǎng)方案進(jìn)行補(bǔ)充完善，優(yōu)化后的維護(hù)保養(yǎng)方案應(yīng)能夠適應(yīng)平臺(tái)輪機(jī)智能化、自動(dòng)化、系統(tǒng)化運(yùn)行的需要，行之有效的維護(hù)保養(yǎng)方案能夠保證海上風(fēng)電安裝平臺(tái)輪機(jī)的正常運(yùn)行，降低輪機(jī)故障率，從而提升平臺(tái)輪機(jī)的使用壽命，保證平臺(tái)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。表1為某平臺(tái)輪機(jī)的檢修維護(hù)計(jì)劃表，通過(guò)嚴(yán)格執(zhí)行既定的維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃，輪機(jī)的故障率大幅降低。

3.4 升降系統(tǒng)優(yōu)化方案及運(yùn)行對(duì)策

3.4.1 升降系統(tǒng)高壓沖水優(yōu)化方案

升降系統(tǒng)為海上風(fēng)電平臺(tái)的升降機(jī)構(gòu)，其主體設(shè)計(jì)的原理及總體構(gòu)件的研究相對(duì)成熟，隨著國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電建設(shè)的區(qū)域不斷擴(kuò)大，涉及的地質(zhì)海況多樣，對(duì)升降系統(tǒng)的適應(yīng)性有了更高的要求，主要體現(xiàn)在細(xì)節(jié)方面的設(shè)計(jì)上。根據(jù)典型海上風(fēng)電平臺(tái)故障統(tǒng)計(jì)可看出，升降系統(tǒng)的高壓沖樁系統(tǒng)是平臺(tái)正常升降的必要保障，而其關(guān)鍵點(diǎn)便在于樁靴上、下表面沖樁孔的合理布置和設(shè)計(jì)。優(yōu)化后樁靴沖樁系統(tǒng)在考慮常規(guī)流量因素的基礎(chǔ)上，針對(duì)淤泥質(zhì)及黏土地質(zhì)情況，具有更好的切削破土能力及防止土壤因擠壓進(jìn)入沖樁管線內(nèi)造成孔堵塞的功能，新型沖樁孔的布置及結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

表1 輪機(jī)年度維護(hù)計(jì)劃表

3.4.2 升降系統(tǒng)工作過(guò)程中平衡受力的保證措施

升降系統(tǒng)在工作過(guò)程中保證每個(gè)樁腿的4個(gè)方向平衡受力是平穩(wěn)升降的的前提，而受地質(zhì)情況復(fù)雜的影響，在升降作業(yè)過(guò)程中保證其平衡受力是操作動(dòng)作的難點(diǎn)，極易造成樁腿插銷機(jī)構(gòu)的損傷，針對(duì)此問(wèn)題結(jié)合不同的地質(zhì)情況，相應(yīng)措施包括以下4點(diǎn)：1）平臺(tái)在砂質(zhì)地質(zhì)提升到位后，專人對(duì)各個(gè)樁腿的沉降情況進(jìn)行關(guān)注，每2 h進(jìn)行1次平臺(tái)預(yù)壓，保證樁靴底與海床的緊密結(jié)合。有條件的情況下，在樁靴底加裝防滑移檔板等。2）復(fù)雜地質(zhì)條件下的提升操作時(shí)，密切關(guān)注各個(gè)樁腿的入泥深度，盡量做到4個(gè)樁腿諧調(diào)動(dòng)作。認(rèn)真監(jiān)測(cè)動(dòng)、靜環(huán)梁是否出現(xiàn)錯(cuò)位或上下扭曲現(xiàn)象，如果不可避免出現(xiàn)樁腿姿態(tài)偏差，則通過(guò)對(duì)地質(zhì)情況的詳細(xì)分析，對(duì)情況的發(fā)展做出正確的預(yù)判，然后采用手動(dòng)模式邊點(diǎn)動(dòng)邊監(jiān)測(cè)，始終保持偏差控制在允許范圍內(nèi)，避免造成個(gè)別樁腿應(yīng)力集中，直至平臺(tái)提升到位。3）平臺(tái)進(jìn)行拔樁作業(yè)前，首先要特別關(guān)注所處海域潮水漲落情況，潮差不大的情況下，一般在高平潮前后2 h內(nèi)開始拔樁操作，同時(shí)一定要確認(rèn)高壓沖樁泵能正常運(yùn)轉(zhuǎn)并提前大流量進(jìn)行沖樁，直到樁靴底真空負(fù)壓消除。4）在拔樁過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)土層構(gòu)成及起樁情況，隨時(shí)調(diào)整沖樁策略，如果遇單個(gè)或單側(cè)樁腿插入過(guò)深難以拔出時(shí)，則首先應(yīng)保證平臺(tái)吃水不超過(guò)最大允許吃水，其次平臺(tái)在該情況下必然會(huì)發(fā)生一定程度的傾斜，對(duì)傾角的控制需要結(jié)合土層和平臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行綜合分析，輪機(jī)操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)謹(jǐn)慎操作，過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并調(diào)整系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)避免超限報(bào)警甚至停機(jī)。

圖3 新型沖樁孔圖

4 結(jié)論

總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于近十年內(nèi)我國(guó)剛興起的海上風(fēng)電安裝平臺(tái)來(lái)說(shuō)，輪機(jī)的日常維護(hù)及運(yùn)行管理工作至關(guān)重要，為了保證平臺(tái)輪機(jī)的正常運(yùn)行，仍然需要不斷處理解決某些方面存在的不足，相關(guān)管理機(jī)制仍然需要不斷完善，加強(qiáng)管理人員技能培訓(xùn)、學(xué)習(xí)專業(yè)技術(shù)知識(shí)、總結(jié)教訓(xùn)以及積累經(jīng)驗(yàn)，以求進(jìn)一步完善海上風(fēng)電安裝平臺(tái)輪機(jī)的運(yùn)行管理和維護(hù)工作。