2 500 t沉墊自升式海上風電安裝平臺設計與布置

晁世方， 于 多

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

0 引 言

海上風電市場的發(fā)展方興未艾，為更充分地開發(fā)海上風電清潔能源，國內(nèi)外都在陸續(xù)研發(fā)8 MW乃至12 MW的大功率風機設備，風機大型化已然是大勢所趨。風電安裝平臺作為海上風電施工的關(guān)鍵裝備，需要滿足大型化風機設備的安裝要求。據(jù)了解，目前國內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)或即將投產(chǎn)的風電施工船大多為自升式，但是隨著起重量的大幅提升，并且考慮到國內(nèi)南海多數(shù)風電場地質(zhì)偏軟，傳統(tǒng)獨立樁靴式風電平臺較易存在拔樁困難等問題。為徹底解決拔樁難題，提高風電施工效率，設計建造一座2 500 t沉墊自升式風電安裝平臺。由于其型式比較特殊，通過較大體積的沉墊將4根樁腿連成一體，在海上作業(yè)時沉墊坐落于海床表層，能快速實現(xiàn)脫底起浮。

1 平臺概況

平臺集海上風電設備打樁、安裝、運輸?shù)裙δ苡谝惑w，由上船體、沉墊、樁腿、起重機等構(gòu)成。上船體采用艏部有線型的矩形型式；沉墊則為整體水密結(jié)構(gòu)，采用艏艉均削斜的矩形型式。上船體和樁腿通過雙嚙合升降系統(tǒng)[1]連接，沉墊和樁腿通過鎖緊系統(tǒng)進行連接，樁腿可穿越沉墊，在站立狀態(tài)下插入海床起到抗滑移的作用，如圖1所示。平臺可在水深50 m范圍內(nèi)泥沙質(zhì)海底海域或類似海域進行站立狀態(tài)作業(yè)；設計溫度為-10 ℃(鋼結(jié)構(gòu))，環(huán)境溫度為-10～45 ℃，無冰區(qū)作業(yè)，非自航但具有動力定位能力及風電場內(nèi)區(qū)域移駁能力，可滿足國際調(diào)遣和近海海域作業(yè)；可完成8～12 MW風機設備的吊裝和8 MW內(nèi)風機基礎樁的打樁作業(yè)。

圖1 2 500 t沉墊自升式海上風電安裝平臺側(cè)視圖

1.1 平臺主要性能

平臺總體參數(shù)如表1所示。

表1 平臺總體參數(shù) m

平臺最大作業(yè)水深(含潮差及沉墊入泥深度)為50 m；可變載荷為4 500 t；可用甲板面積為3 000 m2；起重機主鉤能力為2 500 t，幅度為20 m，起升高度為主甲板面以上120 m；定員為100人；自持力為30 d。

1.2 船級及規(guī)范

平臺入級中國船級社(CCS)，按照其現(xiàn)行規(guī)范和交通運輸部海事局的現(xiàn)行法規(guī)進行設計，并滿足在平臺建造合同生效時的國際公約要求。

1.3 典型設計工況

平臺典型設計工況及環(huán)境條件如表2所示。

表2 典型設計工況及環(huán)境條件

2 平臺主要設計特點

2.1 總體設計及布置

平臺擁有上船體和沉墊兩個船體。在拖航狀態(tài)下，沉墊收回至上船體內(nèi)部，其底部和船體基線齊平；樁腿呈收回狀態(tài)，其底部也與船體基線齊平。

平臺設置6層生活區(qū)，位于主甲板艏部，并設置艏樓甲板，能夠提供100人的就餐、住宿、醫(yī)療和辦公，設置2人間、1人間及1人套間等居住艙室，廚房、餐廳、娛樂室、健身房等公共艙室布置在主甲板以下，生活區(qū)頂層為中央控制室。主甲板布置如圖2所示。

圖2 平臺主甲板布置示例

平臺雖然非自航，但是擁有風電場內(nèi)自行移駁能力，考慮到平臺在風電場內(nèi)定位時一般是頂流前行至預定風機機位，而抱樁器位于艉部，在設計時平臺艏部推進器能力應大于艉部的推進器能力，因此在艏部布置3臺全回轉(zhuǎn)推進器，艉部布置2臺全回轉(zhuǎn)推進器。

4根樁腿沿中心線兩兩左右對稱，前后樁腿的間距根據(jù)波浪載荷分析計算結(jié)果和站立穩(wěn)性情況綜合而定。

前后樁腿中間為開敞甲板，艏部右舷和艉部左舷各布置1臺雜物起重機。艉部左樁腿前布置應急發(fā)電機室，應急發(fā)電機室頂部布置1臺潛水泵及相應軟管絞盤。艉部右樁腿前布置1座海水塔，在海水塔上布置2臺潛水泵。上述3臺潛水泵作為平臺在站立狀態(tài)下冷卻水及消防水的來源。

2 500 t起重機位于平臺艉部的中縱線上，起重機回轉(zhuǎn)筒體內(nèi)設置1套電纜垂送裝置。艉部左樁腿后部設置1艘救助艇及相應平臺。

在設計沉墊相對于上船體的位置時，需要結(jié)合自升式平臺的特殊要求，盡可能實現(xiàn)平臺浮心、重心、4腿重心及沉墊浮心的“四心合一”，才能確保在平臺拖航、沉墊下放至海床及上船體抬升離開水面等過程中平臺姿態(tài)平穩(wěn)，且4條樁腿受力相對均勻。

平臺與以往帶沉墊的自升式平臺有所不同，樁腿可穿越沉墊并通過水下鎖緊系統(tǒng)與沉墊進行連接。樁腿穿越沉墊的原因有兩方面：其一，穿越沉墊的這部分樁腿可承擔抗滑樁[2]的作用，防止平臺在正常作業(yè)時產(chǎn)生水平滑移；其二，插入海床的樁腿底端能夠到達持力地層，可在一定程度上分擔沉墊的受力。

2.2 平臺穩(wěn)性校核

根據(jù)CCS《海上移動平臺入級規(guī)范2016》[3]及其修改通報的相關(guān)要求，平臺在拖航工況時需要校核完整穩(wěn)性及破艙穩(wěn)性。拖航穩(wěn)性分為近程遷移和遠洋遷移，完整穩(wěn)性對應風速分別為51.4 m/s和36.0 m/s；破艙穩(wěn)性對應風速為25.7 m/s。平臺在站立工作狀態(tài)時需要校核坐底穩(wěn)性，包括抗傾覆穩(wěn)性和抗滑移穩(wěn)性。在校核抗傾覆穩(wěn)性時，平臺雖然有沉墊，但是仍屬于自升式平臺，因此抗傾安全系數(shù)取1.1即可。

此外，由于平臺沉墊體積較大，在沉墊下放至海床過程中，按照CCS審圖工程師的建議，需要考慮其沉浮穩(wěn)性，具體衡準要求可參照文獻[3]對坐底式平臺沉浮穩(wěn)性的要求。

2.3 錨泊及拖曳系統(tǒng)

根據(jù)《船舶與海上設施法定檢驗規(guī)則：海上移動平臺法定檢驗技術(shù)規(guī)則2016》[4]的要求，平臺主甲板艏部右舷設置1套單鏈輪液壓航行錨設備，由航行錨機、閘刀掣鏈器、錨鏈筒、錨臺、錨鏈、錨等組成。錨機、閘刀掣鏈器的布置確保錨及錨鏈在行進路線上排列整齊和不受限制地拋出或收回。錨存放在錨臺上，航行錨設備單獨配備1個錨鏈艙。

平臺艏樓甲板設置2個拖力眼板，2個拖索導纜孔。設置2套電動絞車用于拖曳裝備回收，利用液壓絞盤將拖具拉上甲板。平臺配置2套拖索具，每套拖索具由2根龍須纜、3根短纜、1個三角眼板、連接卸扣及回收纜組成。每根龍須纜由防擦鏈組成。

2.4 直升機甲板

平臺艏部上層建筑區(qū)域設有直升機甲板，直升機甲板邊緣設置安全網(wǎng)，網(wǎng)架采用無縫鋼管形式，鋼絲網(wǎng)采用鍍鋅或包塑工藝。

文獻[3]針對直升機甲板有無障礙區(qū)的要求，由于海上風電安裝平臺一般都配備起重機，其臂架和樁腿會對上述要求產(chǎn)生不利影響，因此平臺的直升機甲板布置在艏部右舷角落處，而起重機臂架在擱置狀態(tài)時布置在左舷，通過優(yōu)化布置最終可滿足規(guī)范要求。

2.5 沉墊沖樁系統(tǒng)

平臺沉墊坐底面積較大，為克服沉墊脫底時土壤的吸附力、實現(xiàn)順利移船，設置沖樁系統(tǒng)。在沉墊底部布置100余只噴嘴。沉墊4個樁腿附近布置4臺潛水高壓沖樁泵，由管路和遙控閥門相連，可協(xié)同作業(yè)。沖樁管路既可并聯(lián)作業(yè)也可單獨作業(yè)，在管路上設置壓力傳感器，用來監(jiān)測沖樁壓力。此外，沖樁泵還有沖洗齒條的功能，便于沖洗插入泥中樁腿齒條上的泥沙，使齒條和升降系統(tǒng)的爬齒更好地嚙合。

2.6 電纜垂送裝置

由于平臺樁腿和沉墊之間存在相對運動，而位于沉墊上的鎖緊系統(tǒng)、液位遙測系統(tǒng)、沖樁系統(tǒng)均需要供電，因此特別設計1套電纜垂送裝置。該裝置主要由電纜拖鏈、滑輪、液壓設備及安裝框架等組成，主要作用是通過具有一定倍率滑輪組的升降，輸送電纜拖鏈及電纜，實現(xiàn)電纜由船甲板向水下50 m的沉墊輸送電能。該裝置位于起重機筒體內(nèi)部，電纜拖鏈通過上船體的月池沉入海水中與沉墊進行連接，如圖3所示。

3 風電施工特殊優(yōu)化布置

3.1 起重機能力及布置

起重機主鉤能力為2 500 t，幅度為20 m，雙鉤布置形式，可實現(xiàn)2 500 t以內(nèi)單樁基礎的自身翻身。主鉤起升高度為主甲板以上120 m，采用大型剖分式回轉(zhuǎn)軸承[5]。

為最大限度提高起重機舷外有效跨距，平臺起重機基座為“天圓地方”形式，并且圓心盡可能向艉部移動，在起吊貨物時可有效增加舷外實際可用跨距，有利于風電管樁的施工安裝作業(yè)。此外，為使位于艉部的抱樁器具有布置空間，在起重機筒體基座上開設1個“門洞”。

圖3 電纜垂送裝置示例

3.2 可升降抱樁器

平臺在海上打樁作業(yè)時，主甲板距離水面約為20 m。傳統(tǒng)的抱樁器[6]臂爪始終位于主甲板以上，在單樁基礎的頂部接近水面時，無法對樁柱進行糾偏，樁柱容易產(chǎn)生歪斜而不能滿足垂直度要求。為解決打矮樁的問題，平臺配置1臺可升降抱樁器，抱樁直徑范圍為8～10 m，最大水平糾偏能力達到200 t，最大可升降高度為9 m。

抱樁器的主要部件包括上、下臂爪，箱型升降立柱，臂爪回轉(zhuǎn)機構(gòu)及底盤。底盤下部設置滾輪，支承平臺運行于互相垂直的兩層H形軌道上。臂爪可通過液壓電機帶動齒輪繞回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，每層臂爪上各裝備2個帶雙滾柱的觸頭，在臂爪閉合后，觸頭前伸貼住樁柱，完成抱樁。

抱樁器主要工作流程如下：

(1)風電樁吊裝到位，起重機主鉤繼續(xù)吊起風電樁，抱樁器僅在風電樁入泥前起扶正作用。此時主推油缸動作(外伸或后退)，側(cè)推油缸及抱樁油缸保壓；待主推油缸動作到位，鎖定；側(cè)推油缸動作，將抱樁器角度初步調(diào)整到位，側(cè)推油缸鎖定；抱樁油缸動作，將風電樁準確環(huán)抱到位，縱鎖油缸動作，將夾臂鎖死，所有油缸保壓鎖定，抱樁器動作完畢。

(2)在風電樁打樁過程中，如果發(fā)生傾斜、側(cè)偏等情況，使主推油缸或側(cè)推油缸受力超過其最大[][]推力，則油路自動泄壓，以保護抱樁器不受損壞。

(3)風電樁打樁完畢，縱鎖油缸提起，抱樁油缸松開，夾臂收回，側(cè)推油缸及主推油缸依次收回。然后準備下一個機位的工作。

4 結(jié) 語

2 500 t沉墊自升式風電安裝平臺是風電平臺設計領(lǐng)域的一項重要創(chuàng)新產(chǎn)品，是傳統(tǒng)自升式平臺和傳統(tǒng)坐底式平臺的結(jié)合體，更加適用于國內(nèi)特殊的“軟地質(zhì)”風電場，對該平臺的總體設計及布置特點進行分析，希望能為同類型平臺的設計提供借鑒思路。