如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全性分析*

張 笛，金 曄，鄭和輝，陳旭東，薛 馳，林 峰，蔡舒鵬

（1.武漢理工大學交通與物流工程學院，武漢 430070；2.中鐵建港航局集團有限公司，廣東珠海 519075；3.招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226100；4.江蘇中天科技股份有限公司，江蘇南通 226000；5.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣州 510006）

0 引言

海裝如東400 MW海上風電場（如東H3#）位于江蘇省南通市如東縣東側的牛角沙海域，如東H1#風電場南側。場區(qū)中心離岸距離39 km，海床面高程為-3.1～-23.5 m（1985國家高程基準），平面布置呈梯形，東西方向長約為18 km，南北方向平均寬約為6 km，規(guī)劃面積約為90 km2。風電場總裝機容量400 MW，安裝80臺單機容量5.0 MW變槳變速風力發(fā)電機組，包括55臺海裝H151-5.0 MW機型和25臺海裝H171-5.0 MW機型。海裝如東海上風電場的地理位置如圖1所示。

圖1 海裝如東400 MW海上風電場位置示意圖

本文重點針對海上風電施工和運維作業(yè)對風機、航行環(huán)境等存在的影響進行深入分析[1]，并提出緩解措施。風電場風機施工期間，施工船舶進出作業(yè)水域以及現(xiàn)場風機安裝改變了水域通航環(huán)境，對船舶通航的安全性造成危險。國內早期的研究主要關注風電場施工本身安全與可靠性保障技術，例如海上風機安裝平臺起重機結構可靠性[2]、吊臂優(yōu)化設計[3-5]、風機樁腿焊接技術[6-7]、防腐蝕技術[8]等。對于風電場風機施工通航安全性的研究起步較晚，其成果相對薄弱，主要包括風電場施工風險、對策措施以及通航安全監(jiān)管3個層次的內容，如：梁帥[9]、黃意財[10]、楊逸飛[11]等對海上風電場施工對通航環(huán)境的影響及風險進行分析，意圖理出風電場施工安全風險源；陳傳全[12]、嚴輝煌[13]等結合風電場施工安全現(xiàn)狀，從不同方面提出了通航安全措施及體系；袁志濤[14]、張華偉[15]等從安全監(jiān)管的角度保障海上風電場施工作業(yè)安全。本研究對海裝如東400 MW海上風電（H3#）項目風機施工通航安全風險源分析及評估，用以保障風機施工作業(yè)安全，豐富海上風電場施工安全相關理論和實踐。

1 海裝如東400 MW海上風電（H3#）項目風機施工通航安全風險源分析

根據(jù)海裝如東400 MW海上風電場（如東H3#）項目施工方案，風電場風機主體施工順序為：鋼管樁等鋼結構制作→穩(wěn)樁定位平臺安裝→沉樁（高應變檢測）→穩(wěn)樁定位平臺拆除→基礎防護→附屬構件安裝→風機安裝及調試送電→單位工程驗收。從風機施工的4個主要環(huán)節(jié)進行通航安全風險源分析，即：施工材料及人員運輸、單樁基礎沉樁施工、附屬設備安裝施工以及風機設備吊安裝施工。

（1）施工材料及人員運輸

風機、鋼管樁、附屬結構等大型構件材料均通過海上拖帶方式運輸至施工現(xiàn)場，風機葉片、輪轂等設備航行路線涉及我國長江航行及沿海航線，水深條件良好，滿足本工程運輸駁船航行所需水深要求，由于運輸頻次不高，運輸船舶在遵守避碰規(guī)則的基礎上，執(zhí)行相關水上交通安全法規(guī)，對現(xiàn)有長江航線及沿海航線通航秩序和通航環(huán)境的影響較?。皇┕と藛T及小型機械設備由洋口港碼頭通過海上交通船經(jīng)海運進場。施工材料及人員運輸期間的風險源同一般海上運輸及拖帶作業(yè)較為類似，主要來自于風、波浪以及駁船穩(wěn)性及操縱性。海上運輸及拖帶作業(yè)期間，運輸需要注意風對拖帶作業(yè)的影響（特別注意橫風影響），降低風對船舶帶來的影響，尤其是海上大件設施的拖帶運輸受風影響較為明顯，極易因大風導致船舶搖晃，甚至翻沉。

（2）單樁基礎沉樁施工

單樁基礎沉樁施工采用“穩(wěn)樁定位平臺穩(wěn)樁、起重船吊打沉樁”的工藝。單樁沉樁施工分兩條線進行平行施工，一條線選擇1 600 t起重船“穩(wěn)強8”+穩(wěn)平2（穩(wěn)樁定位平臺）；另一條線選擇1 000 t起重船“秦航工65”+650 t全回轉起重船“海洋52”。施工期間，現(xiàn)場沉樁施工安全性主要來自3個方面的威脅：一是外界船舶（如漁船等）誤入施工水域，影響作業(yè)安全；二是沉樁施工位于外海，波浪掩護條件較差，受風浪影響較大，容易引起船舶搖晃、沉樁不到位等現(xiàn)象，甚至可能發(fā)生失控、走錨，同時受潮汐的影響風機樁基礎的出水面可能會被海水淹沒，不易被過往船舶識別；三是起重船吊裝工藝及穩(wěn)性若不符合要求，可能會引起船舶側翻。

（3）附屬設備安裝施工

附屬構件的安裝包括防撞管、爬梯、內平臺、外平臺、電纜管、陰極保護系統(tǒng)等結構的安裝。為避免防撞管、爬梯、內平臺、外平臺、犧牲陽極、電纜管等結構在打樁過程中損壞，均考慮沉樁后現(xiàn)場安裝。內平臺在沉樁之后立即安裝，集成式附屬構件在場內制作組拼，現(xiàn)場整體吊裝。該階段主要采用600 t級起重船進行附屬構件的安裝施工。這一安裝施工階段和單樁基礎沉樁施工較為類似，危險主要來自起重船作業(yè)期間。因此，附屬設備安裝施工期間危險源主要為風、浪以及起重船操作安全。

（4）風機設備吊安裝施工

海裝5.0 MW風機采用“塔筒和機艙分體吊裝、輪轂和葉片組裝成葉輪后整體吊裝”的安裝工藝。風機機組安裝施工期間，包括浮吊船定位、風機塔筒吊安裝、風機機艙吊裝、風機葉片甲板面組裝、風機葉輪吊裝等主要的現(xiàn)場作業(yè)環(huán)節(jié)。該施工階段主要為吊裝作業(yè)，吊裝期間施工船舶定位后會在海面以上留下錨纜，過往船只由于船速過快，較難發(fā)現(xiàn)錨纜的位置，其螺旋槳容易和錨纜絞到一起，使施工船偏離原始點位，甚至發(fā)生碰撞事故；現(xiàn)場吊裝作業(yè)受風影響較大，大風及風生浪容易導致施工作業(yè)船舶產生較大搖擺，甚至可能發(fā)生失控、走錨，同時風力過大也容易導致風機安裝不到位或掉落海中，成為水中礙航物。

海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全風險源如圖2所示。

圖2 海裝如東400MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全風險源

2 海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全性評估

在海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全分析的基礎上，為了更為清晰地展示海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全風險等級程度，采用模糊數(shù)學法判定海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全風險等級。

為了較好地進行風險等級判別，邀請了10位具有海上風電施工經(jīng)驗的船長及現(xiàn)場管理者填寫調查表，其中涉及的相關權重取值以及判斷矩陣均通過專家調查表獲取。

（1）風險評語集

將海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全評判等級劃分為以下5個等級：安全、相對安全、一般、相對危險、危險。不同評判級別所對應的范圍如表1所示。

表1 不同評判級別所對應的數(shù)學表達范圍

（2）確定權重

每位專家對每一層級的每項指標賦予一定權重值，權重值從0～1中選取，取值越大，所對應指標的重要性越大。

（3）判斷矩陣

每位專家按照風險評語集中的5種等級對各項指標作出判斷，據(jù)此每項指標的不同等級均有一個判斷值，將不同等級判斷值除以總的專家數(shù)量就獲得了每項指標的判斷矩陣。

根據(jù)調查表計算每項指標的權重值以及判斷矩陣如表2所示。

表2 每項指標的權重值以及判斷矩陣

（4）評判結果

二級指標施工材料及人員運輸下的三級指標權重值W（0.3,0.32,0.38），其 所 對 應 的 判 斷 矩 陣 為，則二級指標施工材料及人員運輸風險等級值Q計算如下：

根據(jù)計算結果可知，施工材料及人員運輸風險等級為一般安全。同理，單樁基礎沉樁施工、附屬設備安裝施工、風機設備吊安裝施工風險等級值分別為2.54、2.71和2.85。

則海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全 風 險 等 級 值 為（2.844×0.24+2.54×0.23+2.711×0.25+2.852×0.28）=2.74，海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全風險等級為一般。

3 海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全保障措施

通過對海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工作業(yè)風險分析及評估結果可知，雖然海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工作業(yè)安全風險等級為一般安全，但在風機運輸及安裝期間仍易誘發(fā)水上交通事故，需采取針對性的預防控制措施。

3.1 針對施工材料及人員運輸?shù)姆揽卮胧?/h3>

風機、鋼管樁、附屬結構等大型構件材料在拖帶運輸前，需要對拖帶期間的船舶穩(wěn)性以及涉及的相關通航要素（拖力、通航水深、通航寬度）進行核算，并做好系固，確保拖帶作業(yè)期間的通航安全；風機等大型構件拖帶運輸受外界影響較大，需要根據(jù)氣象以及海況預報資料，選擇合適的時間作為構件運輸?shù)钠鹜先?，當拖帶作業(yè)條件不滿足起拖條件時，禁止開展拖帶作業(yè)。

拖帶運輸期間，施工材料及人員運輸所經(jīng)海域船舶交通密度較大，必須制定詳細的航行計劃，嚴格遵守相關規(guī)定，在航行過程中駕駛員要謹慎駕駛，注意瞭望，小心避讓，加強安全值班，通過VHF等通訊設備加強船舶之間的交流，提前明確船舶動態(tài)，防止意外事故的發(fā)生。

3.2 針對單樁基礎沉樁施工的防控措施

沉樁施工過程中，如遇到風浪較大侵襲時，船舶搖晃，落錘不穩(wěn)，難以達到實際落錘效果，甚至溜錘乃至樁傾斜，影響施工作業(yè)效率及安全。施工作業(yè)期間，必須嚴格按照施工作業(yè)限制條件進行施工，并安排專人收集氣象預報并將氣象信息傳輸給施工船舶，提高施工作業(yè)效率及安全。

為了防止外界船舶進入作業(yè)水域，需要提前向海事申請發(fā)布航行通告，并在施工船舶外圍設置警戒維護船，用以提醒船舶繞開作業(yè)水域。

風機基礎沉樁施工完成，為了確保其在大潮淹沒時能夠被他船發(fā)現(xiàn)，須在鋼管樁頂部設置醒目的警示帶或警示燈，以提醒過往船舶注意。

3.3 針對附屬設備安裝施工的防控措施

附屬設備安裝期間，必須要在合適的風級條件下進行作業(yè)，降低因大風引起的船舶晃動，使得安裝失敗，設置設備掉落；起重施工現(xiàn)場作業(yè)期間嚴格限制浪高對施工作業(yè)的影響，當浪高大于1.5 m或者視當時海浪情況對施工作業(yè)安全造成影響的，立即停止作業(yè)。

附屬設備起重期間需要認真驗算各吊點承受力要滿荷載要求，每班吊裝起重前安全檢查吊具完好上吊。起重吊裝前做好必要的安全技術交底，堅持做到“十不吊”。作業(yè)時起重臂下設置作業(yè)半徑范圍警示標志，禁止無關人員入內。

3.4 針對風機設備吊安裝施工的防控措施

風機設備安裝在定位、水平校正方面要求精度較高，且風機安裝高度很高，增加了施工的復雜性。因此要求施工在綜合考慮風、浪、流的影響下，控制好船位、船舶的航向和船舶的搖擺，并且制定相應的管理措施，包括施工船舶之間的避讓關系、行動規(guī)則、聯(lián)系方式等，同時對施工人員進行培訓，規(guī)范施工船舶之間的相互協(xié)調行動，保證安全和工程的順利進行。

施工期間，加強拋錨作業(yè)船舶船艏和船尾的瞭望，在錨纜靠近錨的一端拴上有鮮艷顏色的漂浮物（錨標），避免過往船只絞纜，影響吊安裝施工。

4 結束語

由于風電場風機施工的特殊性及危險性，風機構件的運輸以及現(xiàn)場安裝不可避免地對水域通航安全產生影響，本文分析了風機施工全過程涉及到的4個主要環(huán)節(jié)，即：施工材料及人員運輸、單樁基礎沉樁施工、附屬設備安裝施工以及風機設備吊安裝施工進行通航安全風險源分析，在此基礎上將專家經(jīng)驗和歷史數(shù)據(jù)有效融合，利用模糊數(shù)學法進行計算得出海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工通航安全風險等級為一般，最后針對風機施工的4個主要環(huán)節(jié)提出了針對性的安全防護措施，研究結論有助于為保障海裝如東400 MW海上風電（H3#）場風機施工作業(yè)安全提供決策支持。