風(fēng)電平臺(tái)桁架式樁腿RPD測(cè)量與分析

徐進(jìn)初，張 磊，李英強(qiáng)

（1. 中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 511462；2. 交通運(yùn)輸部 廣州打撈局，廣東 廣州 510260）

0 引 言

近年來(lái)，風(fēng)電安裝平臺(tái)的作業(yè)水深逐漸增加，傳統(tǒng)的圓柱形和多邊形樁腿難以滿足深水區(qū)域耐波性的需求，一般超過(guò)50m水深之后，樁腿受波、浪、流等因素的影響顯著增大，在此情況下，桁架式樁腿應(yīng)需而生。但是，與鉆井平臺(tái)相比，風(fēng)電安裝平臺(tái)對(duì)升降速度的要求較高，需頻繁使用。因此，在短時(shí)間內(nèi)高頻率使用升降系統(tǒng)時(shí)，對(duì)桁架變形進(jìn)行控制是比較關(guān)鍵的。

本文依托中船黃埔文沖船舶有限公司某型桁架式樁腿的風(fēng)電安裝平臺(tái)全程升降試驗(yàn)，對(duì)全程升降過(guò)程中遇到的同一樁腿上不同主弦管齒條升降距離差異值（Rack Phase Difference, RPD）較大的問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 風(fēng)電安裝平臺(tái)與鉆井平臺(tái)桁架式樁腿升降系統(tǒng)特點(diǎn)

1) 在升降系統(tǒng)使用頻率方面：風(fēng)電安裝平臺(tái)一般3～5d可完成1臺(tái)風(fēng)機(jī)的安裝，隨后到下一個(gè)地點(diǎn)；鉆井平臺(tái)一般在站立點(diǎn)停留0.5a；風(fēng)電安裝平臺(tái)升降系統(tǒng)的使用壽命一般為全程升降2000次，而鉆井平臺(tái)的使用壽命一般為400h；

2) 在升降速度方面：風(fēng)電安裝平臺(tái)的作業(yè)頻率高，其升降速度比鉆井平臺(tái)快，一般為36m/h，而鉆井平臺(tái)的升降速度一般為12m/h。

由于升降頻率和升降速度有區(qū)別，風(fēng)電安裝平臺(tái)作業(yè)在使用桁架式樁腿時(shí)會(huì)與鉆井平臺(tái)有一定的區(qū)別，這主要是因?yàn)椋?/p>

1) 升降作業(yè)頻率高，風(fēng)電安裝平臺(tái)作業(yè)升降齒輪的使用壽命更長(zhǎng)，且每根主弦管上齒輪布置的層數(shù)更多，一般鉆井平臺(tái)為不超過(guò)3層，本項(xiàng)目為4層；

2) 固定作業(yè)時(shí)間短，本項(xiàng)目與鉆井平臺(tái)相比，不配置鎖緊裝置。

2 桁架式樁腿風(fēng)電安裝平臺(tái)升降過(guò)程和RPD測(cè)量

2.1 項(xiàng)目概況

本文所述項(xiàng)目的風(fēng)電安裝平臺(tái)重約12000t，單個(gè)升降單元的額定升降能力為170t，預(yù)壓載時(shí)為258t。樁腿上每個(gè)弦管布置8個(gè)升降單元，單個(gè)主弦管的額定升降能力為1360t，單個(gè)樁腿的額定升降能力為4080t。單個(gè)樁腿的預(yù)壓載升降能力為6192t。樁腿布置見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 單個(gè)弦管升降單元布置

圖2 單個(gè)樁腿弦管布置

項(xiàng)目所在碼頭區(qū)域的水深約為8m，入泥深度約為10m；預(yù)壓載氣隙高度為1.5m。由于試驗(yàn)是在碼頭進(jìn)行的，天氣良好，風(fēng)力2級(jí)，因此風(fēng)、浪、流載荷對(duì)樁腿的載荷可忽略不計(jì)。

圖3 樁腿總體布置圖

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

1) 階段1：升降系統(tǒng)檢查。該階段在平臺(tái)漂浮狀態(tài)下進(jìn)行，通過(guò)空船重量核查確定平臺(tái)的狀態(tài)，確認(rèn)艙內(nèi)油和水的狀態(tài)。確認(rèn)升降裝置的機(jī)械和電氣系統(tǒng)運(yùn)行正常；進(jìn)行安保系統(tǒng)報(bào)驗(yàn)，確保其運(yùn)行正常。

2) 階段2：最大靜態(tài)預(yù)壓載壓樁。下降4條樁腿，樁靴觸底，使平臺(tái)提升至氣隙約0.2m。通過(guò)提升1號(hào)樁腿和4號(hào)樁腿，使2號(hào)樁腿和3號(hào)樁腿單腿受力達(dá)到約6192t。保持觀察約15min，若無(wú)明顯下沉，進(jìn)行下一步。通過(guò)提升2號(hào)樁腿和3號(hào)樁腿，使1號(hào)樁腿和4號(hào)樁腿單腿受力達(dá)到約6192t。保持觀察約15min，如無(wú)明顯下沉，進(jìn)行下一步。

3) 階段3：額定升降。從氣隙約0.2m處提升平臺(tái)至約氣隙2m，停止升降，觀察剎車等是否正常，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。從氣隙約2m處下降平臺(tái)至約氣隙0.2m，停止升降，觀察剎車等是否正常，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

4) 階段4：全程升降。進(jìn)行平臺(tái)上升試驗(yàn)，從站樁氣隙（約3m）升降平臺(tái)至最高限位81.6m位置（以入泥最深的樁腿最高限位為準(zhǔn)）停止，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)[1]。

5) 階段5：拔樁。將平臺(tái)下降至水線以下，根據(jù)樁腿受力情況進(jìn)行拔樁，拔樁時(shí)單樁腿受力不允許超過(guò)4080t，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況采用四腿拔樁、兩腿拔樁和單腿拔樁互相結(jié)合的方式拔樁，拔樁的同時(shí)進(jìn)行沖樁。

在階段2～階段4時(shí)對(duì)RPD進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量數(shù)據(jù)反饋到中控臺(tái)。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題

試驗(yàn)過(guò)程中，為確保試驗(yàn)安全進(jìn)行，采用2種方式測(cè)量樁腿的RPD，即電氣設(shè)備系統(tǒng)測(cè)量和人員手動(dòng)工裝測(cè)量。

1) 對(duì)于電氣設(shè)備系統(tǒng)測(cè)量，采用安裝在固樁室頂?shù)脑O(shè)備測(cè)量樁腿每根弦管單獨(dú)移動(dòng)的速度，根據(jù)升降時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的速度差值（Rack Phase Velocity, RPV），可得出每條樁腿在單位時(shí)間內(nèi)的RPD，然后將該差值傳遞到中控臺(tái)進(jìn)行控制。

2) 對(duì)于人員手動(dòng)工裝測(cè)量，由于是第一次升降試驗(yàn)，為保證升降試驗(yàn)順利進(jìn)行，安排人員在每個(gè)樁腿弦管處用齒條卡板工裝手工測(cè)量RPD，每上升1個(gè)齒距，將測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)給中控室對(duì)比1次。手動(dòng)工裝測(cè)量主要是操作人員用鋁合金、塑料和木頭等輕質(zhì)材料制成弦管形變量測(cè)量板進(jìn)行測(cè)量，具體見(jiàn)圖4。

測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：在上述階段2，最大靜態(tài)預(yù)壓載壓樁對(duì)角壓樁過(guò)程中，樁腿負(fù)荷達(dá)到預(yù)壓載能力6192t，單個(gè)升降單元負(fù)荷達(dá)到258t，此時(shí)4條樁腿的RPD都普遍偏大，接近報(bào)警值40mm；在階段4，全程升降上升過(guò)程中，有一條樁腿的RPD難以控制，當(dāng)樁腿上的電機(jī)功率分配不均衡時(shí)，RPD極易超過(guò)40mm的報(bào)警值，最大達(dá)到過(guò)70mm，被緊急停止，導(dǎo)致升降速度超慢[2]。

圖4 用齒條式弦管形變量測(cè)量板測(cè)量示意

3 樁腿主弦管RPD超差原因分析

3.1 模型初步分析

8m水深的模型計(jì)算結(jié)果，桿件高應(yīng)力區(qū)域在樁靴附近；60m水深的模型計(jì)算結(jié)果，桿件高應(yīng)力區(qū)域在下導(dǎo)向附近；下導(dǎo)向在樁腿不同點(diǎn)對(duì)樁腿構(gòu)件強(qiáng)度的影響較小；對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，樁腿強(qiáng)度的薄弱之處主要在水平桿中間點(diǎn)，在個(gè)別方向的載荷條件下，弦桿會(huì)出現(xiàn)弱點(diǎn)[3]；在8m水深的計(jì)算分析中，忽略升降系統(tǒng)因弦桿間運(yùn)動(dòng)位移偏差而產(chǎn)生的額外彎矩，僅在樁靴處約加載彎矩P=1.3×108N·m，上導(dǎo)向與下導(dǎo)向之間的水平桿可能發(fā)生變形；假設(shè)預(yù)壓載時(shí)水平桿達(dá)到變形臨界狀態(tài)，預(yù)壓載之后升降時(shí)偏心彎矩實(shí)為50%預(yù)壓載時(shí)的數(shù)值，即0.5P=6.5×107N·m，可推測(cè)升降系統(tǒng)在2.5m起升過(guò)程中升降齒輪弦桿間位移進(jìn)一步偏差帶來(lái)的彎矩為M＞6.5×107N·m。

3.2 全程升降試驗(yàn)分析

1) 當(dāng)某條樁腿樁靴所在海底不平整時(shí)，會(huì)帶來(lái)初始的RPD，預(yù)壓載時(shí)升降距離短，RPD沒(méi)有增大，只保持了初始值。但是，在后續(xù)全程升降過(guò)程中有單個(gè)升降單元電機(jī)功率分配不均勻，極易使RPD超過(guò)報(bào)警值，出現(xiàn)上述階段4中的全程升降慢的問(wèn)題[4]。

2) 對(duì)于升降系統(tǒng)，除了齒輪運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需改善以外，還需適當(dāng)限制最大升降能力，目前是265t，對(duì)應(yīng)于正常升降能力170t超出了56%，四腿升降船一般設(shè)定為大于20%，因此最大升降能力可設(shè)定為200t。在170t正常升降能力下，四樁腿對(duì)平臺(tái)的舉升力為15014t，此舉升力在升降環(huán)境條件和船舶完全正浮狀態(tài)下，滿足升降操作的負(fù)荷要求。因此，過(guò)大的升降能力對(duì)全程升降貢獻(xiàn)不大，只會(huì)增加通過(guò)RPD控制升降操作的難度。

正常升降平均負(fù)荷為156t，若限定值為265t，則弦桿最大齒輪載荷為1950t，另外兩弦齒輪載荷最小值為750t，樁腿中心產(chǎn)生的最大彎矩為4.528×107N·m；若限定值為200t，則弦桿最大齒輪載荷為1472t，另外兩弦齒輪載荷最小值為989t，樁腿中心產(chǎn)生的最大彎矩為1.823×107N·m。

上述差值非常明顯，因此在預(yù)壓載完成之后，在全程升降過(guò)程中，將升降系統(tǒng)的單個(gè)升降單元負(fù)荷限定在200t比較合適。

3.3 分析結(jié)論

1) 在階段2，最大靜態(tài)預(yù)壓載壓樁時(shí)，單個(gè)升降單元的壓載能力大，RPD超差風(fēng)險(xiǎn)較大，需仔細(xì)測(cè)量控制，防止樁腿變形。

2) 在階段4，全程升降過(guò)程中，若有樁腿所在地質(zhì)不平整，導(dǎo)致樁腿上各弦管受力不均勻，當(dāng)弦管上電機(jī)單元功率不均勻時(shí)，該受力差值會(huì)進(jìn)一步增大，導(dǎo)致RPD增大，進(jìn)而可能超過(guò)RPD的報(bào)警值。

4 針對(duì)樁腿主弦管RPD超差的具體控制措施

4.1 設(shè)計(jì)院方改進(jìn)措施

1) 在控制系統(tǒng)中給出每個(gè)升降單元的最大載荷，當(dāng)超過(guò)該載荷時(shí)，升降單元將報(bào)警或停止工作；

2) 增加RPD過(guò)大時(shí)的限位裝置設(shè)計(jì)；

3) 確認(rèn)RPD的極限，即超過(guò)何值時(shí)樁腿弦管會(huì)變形；

4) 提高樁腿強(qiáng)度并安裝針對(duì)樁腿上弦管的限位裝置，在各方位對(duì)弦管進(jìn)行限制，以便對(duì)角壓樁時(shí)和地質(zhì)不平整時(shí)能更好地固定。

4.2 升降設(shè)備廠家措施

1) 保證中控臺(tái)上的RPD測(cè)量準(zhǔn)確；

2) 保證中控臺(tái)上樁腿每個(gè)升降單元的載荷顯示準(zhǔn)確[5]。

4.3 業(yè)主使用時(shí)預(yù)防措施

1) 全程升降前進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)探測(cè)，防止樁腿站立處地質(zhì)不平整；

2) 全程升降時(shí)安排人員在樁腿弦管的限位裝置處觀察，若導(dǎo)向限位裝置摩擦聲音較大，則及時(shí)通知[6]；

3) 安排人員在中控臺(tái)處值班，當(dāng)單個(gè)弦管上升降單元的載荷比相鄰弦管上升降單元的載荷大時(shí)，及時(shí)調(diào)整弦管位移；

4) 當(dāng)處于站立狀態(tài)時(shí)，若某個(gè)樁腿上的載荷與其他樁腿載荷相差較大，則及時(shí)調(diào)整單個(gè)樁腿的升降位移。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文所述風(fēng)電安裝平臺(tái)重達(dá)12000t，為使其在60m水深處作業(yè)，配置了桁架式樁腿。由于該風(fēng)電安裝平臺(tái)的升降速度比鉆井平臺(tái)的升降速度快，因此在全程升降過(guò)程中需進(jìn)行細(xì)致的調(diào)試和測(cè)量。

通過(guò)實(shí)際測(cè)量和分析可知：在全程升降過(guò)程中，在允許的作業(yè)工況下，海床的平整度、升降單元的最大載荷和升降系統(tǒng)限位裝置對(duì)RPD的影響較大，因此在全程升降開(kāi)始之前對(duì)這些因素進(jìn)行優(yōu)化，可保證升降速度，確保樁腿結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。該研究對(duì)后續(xù)采用桁架式樁腿的風(fēng)電安裝平臺(tái)設(shè)計(jì)有參考意義。