自升式海上風(fēng)電大部件更換運維平臺船型設(shè)計

林媛

摘? ? 要：本文針對600 t自升式海上風(fēng)電大部件更換運維平臺的開發(fā)，通過相關(guān)規(guī)范對自升式平臺這一特殊工程船型的要求，以及海上風(fēng)電大部件更換運維平臺的特殊功能，主要在結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備配置以及建造關(guān)鍵工藝方面進(jìn)行簡要的歸納。

關(guān)鍵詞：樁腿樁靴;升降系統(tǒng);關(guān)鍵工藝

中圖分類號：U674.98 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Aiming at the development of the 600 t jack-up platform for offshore wind powers large components replacement and maintenance platform， based on the requirements of the relevant rules for the special engineering ship type of jack-up platform， as well as the special functions of wind powers large components replacement operation and maintenance platform， this paper briefly summarizes and expounds the structure design， the main equipment configuration and the key technology in the construction process.

Key words： Pile leg; Lifting system; Key technology

1? ? 前言

風(fēng)力發(fā)電作為一種綠色能源較太陽能、生物能等可再生能源更為成熟、成本低、對環(huán)境破壞更小。我國海岸線綿長，擁有豐富的近海風(fēng)能資源，到2020年底全國海上風(fēng)電裝機總?cè)萘繉⑦_(dá)到2.1億kW以上。與此同時，在海上進(jìn)行風(fēng)塔大部件的維護更換也成為海上風(fēng)電市場的主要工程業(yè)務(wù)，需求較大。為滿足這一市場需求，福建省船舶工業(yè)集團近期組織建造一型600t自升式風(fēng)電大部件更換運維平臺。本文針對該項目的主要功能、設(shè)計重點及建造過程中的關(guān)鍵工藝作簡要介紹。

2? ? 平臺概況

2.1? 主要尺度和性能

自升式平臺是一種特殊的工程船，由船體、推進(jìn)器、樁腿和升降裝置、起重設(shè)備等部分組成。其工作原理為：通過升降裝置將樁腿伸入海底，當(dāng)樁腿到達(dá)海底時能將船身抬升至海平面一定高度并承載船體重量，為風(fēng)電大部件更換維護提供一個平穩(wěn)的工作平臺。作業(yè)完畢后將樁腿完全升起與船底平齊，實現(xiàn)自航功能。

該平臺的主要功能為在福建省福清海域?qū)︼L(fēng)力發(fā)電機組的機艙、輪轂或葉片進(jìn)行拆卸和更換安裝。

平臺進(jìn)行抬升作業(yè)時，最大作業(yè)水深達(dá)50 m、最低設(shè)計溫度-10℃;平臺上配備了一臺長臂架600 t全回轉(zhuǎn)繞樁起重機，單鉤最大起重能力600 t、最大起吊高度在甲板面上120 m;另配備一臺120 t起重機協(xié)助風(fēng)葉翻身;配備4根長度95 m的圓筒型樁腿;可實現(xiàn)在2.5 m浪高、20.7 m/s風(fēng)速下對8 MW 大功率機組的風(fēng)葉或機艙進(jìn)行吊裝、拆卸或分體安裝作業(yè)。該平臺的側(cè)視圖，如圖1所示。

該平臺主要尺度為：總長78.0 m、型寬40.0 m、型深7.0 m、作業(yè)水深5～50 m、設(shè)計吃水4.60 m、結(jié)構(gòu)吃水4.70 m、樁腿4X95.0 m、樁腿設(shè)計最大入泥深度：～25.0 m。

該平臺主要性能如下：最大作業(yè)水深50 m;最低設(shè)計溫度-10℃;發(fā)電機組功率4×1 140 kW、應(yīng)急兼停泊發(fā)電機組功率1×600 kW;起重能力為單鉤600 t;單樁舉升載荷為2 800 t;作業(yè)區(qū)域為無冰區(qū)作業(yè);定員80人;自持力20天;使用年限25年。

2.2? 船級、規(guī)范、規(guī)則及公約

該平臺入級CCS船級社，其設(shè)計及建造符合中國船級社《海上移動平臺入級規(guī)范（2016）》、《海上風(fēng)機作業(yè)平臺指南（2012）》、《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范（2007）》、中國海事局《海上移動平臺法定檢驗技術(shù)規(guī)則（2016）》等規(guī)范規(guī)則要求;船級符號為CCS★CSA， Self-elevating， Offshore wind turbine Service Unit， PSPC（B），Thruster， MCC，GPR，按照服務(wù)于無限航區(qū)要求進(jìn)行檢驗。

2.3? 設(shè)計工況

根據(jù)規(guī)范要求，全船的結(jié)構(gòu)設(shè)計、升降系統(tǒng)及起重設(shè)備需考慮各種環(huán)境載荷，包括：風(fēng)載荷、波浪載荷、海流載荷以及平臺作業(yè)區(qū)域的海床狀況，如表1所示。

3? ? 平臺設(shè)計重點

3.1? 總布置

與常規(guī)工程船相比，平臺對航速沒有特別要求;線型為簡單的箱型，方形系數(shù)達(dá)0.87;主甲板為四方型，可同時布置8 MW的西門子發(fā)電站風(fēng)葉片2個、機頭2個;四根圓柱型樁腿對稱于船體中心線布置，縱向間距為43.2 m、橫向間距為31.6 m;在首部主甲板左舷布置4層甲板室，分別布置單人間10間、雙2人間5間、4人間15間，以及醫(yī)務(wù)室、更衣室、公共廁浴室、儲存室及茶水站等;首尾設(shè)置兩條逃生出口，使甲板作業(yè)面積不受影響;救生艇布置在生活樓頂（左舷）和應(yīng)急發(fā)電機室頂（右舷）、救生筏布置在首部升樁機構(gòu)室頂端;發(fā)電機艙布置在船中后部左舷。

平臺在應(yīng)急發(fā)電機室底部、機艙圍壁1 m高度范圍內(nèi)以及主機基座處都敷設(shè)阻尼材料，以滿足法規(guī)對平臺居住艙室的噪音振動相對于其他海船更為嚴(yán)格的衡準(zhǔn)要求;泵艙和輔設(shè)備艙內(nèi)的相關(guān)設(shè)備集中緊湊布置，以便于管理。該艙內(nèi)設(shè)備及分艙布置圖，如圖2所示。

3.2? 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)規(guī)范要求，對主船體及樁腿樁靴進(jìn)行有限元建模，分析平臺在正常作業(yè)工況、遷移工況、升降工況和自存工況的屈服強度、屈曲強度及疲勞強度，確保滿足規(guī)范的衡準(zhǔn)要求。

根據(jù)平臺作業(yè)區(qū)域風(fēng)塔的高度，并結(jié)合本平臺的抬升狀態(tài)下的氣隙高度以及樁腿最大入泥深度，確定樁腿含樁靴總長度為95 m;由于福建區(qū)域沿海海床巖石居多、水淺泥深，故樁靴面積不宜過大，避免受力不均破壞結(jié)構(gòu);主甲板區(qū)域由于放置風(fēng)機設(shè)備存在很大的集中載荷，需根據(jù)載荷情況進(jìn)行局部加強。

主船體及樁腿圍井區(qū)等加強結(jié)構(gòu)均采用H36 （y = 355MPa），其他結(jié)構(gòu)采用船用低碳鋼（y=235 MPa）。由于本平臺作業(yè)區(qū)域水深小于60 m，故采用圓柱型殼體式樁腿，樁腿外徑3.6 m，制造較桁架式簡單，受風(fēng)面積又較箱型結(jié)構(gòu)小，可減少風(fēng)壓傾側(cè)力臂;樁靴為長方形11.7 m×8.1 m、底部面積約為94.77 m2;樁腿筒體采用 CCS-E690 船用高強度鋼，壁厚70 mm;樁靴采用 CCS-AH36、CCS-DH36、 CCS-EH36 和 CCS-E550等船用高強度鋼;樁腿上設(shè)4組插銷孔、直徑500 mm，沿筒體四周呈十字形布置;為防止泥漿通過樁腿進(jìn)入樁靴，距樁靴底面28 m以下的插銷孔在其筒體內(nèi)設(shè)置蓋板。

3.3? 關(guān)鍵設(shè)備配置

3.3.1 升降系統(tǒng)

平臺升降系統(tǒng)采用單步進(jìn)液壓插銷式，包括：升降裝置機械本體、液壓動力單元及電氣控制系統(tǒng)。插銷式升降系統(tǒng)具有許多優(yōu)點：體積小、慣性好、傳動效率高、對樁腿公差要求小;剎車停止時由于液壓缸或氣缸的緩沖作用，結(jié)構(gòu)上無需設(shè)置緩沖墊;在樁腿預(yù)壓過程中采用自重預(yù)壓，可適當(dāng)降低壓載系統(tǒng)的費用及減少了可變載荷。

本平臺抬升狀態(tài)總重為8 700 t、舉升載荷為2 800 t、最大預(yù)壓載荷4 000 t、升降平臺速度12 m/h 、樁腿速度18 m/h、滿足2 h內(nèi)預(yù)壓下降及平臺抬升至海平面最大氣隙高度8 m處進(jìn)行作業(yè)的要求;內(nèi)部設(shè)有防樁轉(zhuǎn)動機構(gòu)，提升油缸活塞桿采用陶瓷噴涂技術(shù)，具有很強的抗腐蝕能力;全船共布置4套功能獨立的液壓泵站分別控制4條樁腿，使用壽命為升降次數(shù)不小于 2500 次。

3.3.2 起重設(shè)備

平臺配置一臺繞樁式電液驅(qū)動360°無限位全回轉(zhuǎn)重型起重機，吊距為19～75 m，能滿足在平臺抬升狀態(tài)下的各種作業(yè)角度和位置的吊裝功能。因吊臂長度過大，將吊臂擱架設(shè)計成桁架結(jié)構(gòu)，下方支撐點位于第一層甲板室前臂及D甲板頂部前方，保證非作業(yè)狀態(tài)下吊臂固定于擱架上，避免自航狀態(tài)下對船舶穩(wěn)性造成不利影響。

起重設(shè)備主要參數(shù)如下：額定起重作業(yè)能力600 t，可滿足未來近海吊裝1臺8 MW風(fēng)機機艙的負(fù)荷能力;起吊方式采用單鉤起吊，可借助120 t輔吊對葉片等大部件進(jìn)行翻身吊裝;最大起吊高度為甲板上120 m，滿足作業(yè)區(qū)域的風(fēng)塔輪轂高度距海平面約為100～109 m的要求;副鉤起重能力為150 t;另配2個安全工作負(fù)荷為10 t的穩(wěn)索鉤，變幅時間小于20 min，整機重量控制在700 t。

3.3.3 推進(jìn)系統(tǒng)

平臺的首部和尾部各配置2臺AFE變頻電動機驅(qū)動的全回轉(zhuǎn)舵槳，相較于DFE變頻器，其優(yōu)勢在于不受工況和運行方式影響均能保證電網(wǎng)諧波滿足規(guī)范要求（<5%），無需考慮變壓器充磁及設(shè)備冷卻問題，減少了維護維修成本和故障點，同時也降低了振動噪聲整體水平。

首部每臺全回轉(zhuǎn)舵槳的電機輸入功率為～850 kW、輸入電機轉(zhuǎn)速～1500 r/min、單臺舵槳系柱推力額定值不小于 135 kN;尾部每臺全回轉(zhuǎn)舵槳的電機輸入功率為～950 kW、輸入電機轉(zhuǎn)速～1500 r/min、單臺舵槳系柱推力額定值不小于155 kN。以最大推力為基礎(chǔ)，在就位插樁（樁靴觸底前）3節(jié)流/10.8 m/s風(fēng)速的條件，可實現(xiàn)0～360°范圍內(nèi)的動力定位要求，舵槳可連續(xù)工作。

3.3.4? 定位系統(tǒng)

平臺到達(dá)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行插樁前需可靠的定位系統(tǒng)來保證平臺的首向穩(wěn)定性和船位不發(fā)生偏移。平臺在不超過3節(jié)流/10.8 m/s風(fēng)速的條件下，采用DP-1的定位系統(tǒng)來控制，當(dāng)海況惡劣時，則增加4點錨泊定位來共同保證。

四點錨泊定位系統(tǒng)配置如下：尾部主甲板左右舷、首部主甲板及A 甲板右舷各設(shè) 1 臺電動變頻驅(qū)動定位錨絞車，其中首部A甲板右舷錨絞車可兼做臨時錨機;根據(jù)作業(yè)海域的風(fēng)、浪、流條件及規(guī)范要求，確定每臺錨絞車工作負(fù)荷400 kN，并配置3只7 000 kg和1只9 225 kg AC-14大抓力定位錨;根據(jù)最大作業(yè)水深50 m的要求，錨索長度約為800 m，采用φ52 mm 6×36 WS+IWR1870鋼絲繩，錨端采用一段6 m錨鏈過度連接。

4? ? 平臺建造過程中的關(guān)鍵工藝

4.1? 空船重量及重心的控制

空船重量及重心的控制是保證航行浮態(tài)、可變載荷、舉升、站立作業(yè)性能，以及拖航穩(wěn)性的關(guān)鍵因素。平臺在建造前應(yīng)設(shè)計一份空船重量和重心控制程序，確定控制目標(biāo);在設(shè)備采購、生產(chǎn)設(shè)計、加、減帳項目及生產(chǎn)建造各階段制定相應(yīng)措施，每月提交重量控制報告，詳細(xì)體現(xiàn)重量變化因素，存在問題及時處理。

4.2樁腿E690高強度鋼的焊接

平臺的樁腿采用E690高強度鋼，焊接時具有冷裂傾向，需制定相應(yīng)的焊接工藝并進(jìn)行焊接工藝評定：焊前進(jìn)行不低于 100 ℃ 及不高于 150 ℃的預(yù)熱， 道間溫度控制在100℃～150 ℃; 焊后進(jìn)行150 ℃～ 250 ℃ 熱處理、保溫2 h; 焊接過程中控制熱輸入量， 焊條電弧焊為10.5～16.3 kJ/cm、埋弧焊為 16.1～26.4 kJ/cm ，采用多層多道焊形式， 以保證焊接接頭的力學(xué)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.3? 樁腿結(jié)構(gòu)安裝精度控制

樁腿要承擔(dān)及傳遞水平荷載、彎曲力矩及升降過程的局部荷載，樁腿精度的好壞直接影響到整個升降系統(tǒng)性能及整個平臺的支撐穩(wěn)定。其安裝精度應(yīng)滿足如下要求：樁腿長度公差±50 mm、圓周偏差±6 mm、圓度偏差≤3.0 mm、全長撓度≤30 mm、樁靴外形尺寸公差≤1/1 000、底板和側(cè)板每平方米內(nèi) 的窩拱≤2 mm。

在樁腿搭載過程中，需確保各步驟測量精度滿足要求;搭載到最后階段，由于樁腿過長、剛性不足可能導(dǎo)致垂直度偏差較大，需通過對樁腿撓曲度進(jìn)行精確計算，確認(rèn)精度滿足公差要求，實現(xiàn)搭載精度零返工。

5? ? 結(jié)語

本文針對自升式風(fēng)電運維平臺這一特殊工程船的設(shè)計簡介，以期為同業(yè)者拋磚引玉帶來些許幫助。

參考文獻(xiàn)

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