淺談風(fēng)電安裝船升降裝置油缸脹缸處置分析及應(yīng)急操作

牛金鋒，楊紹春

（交通運(yùn)輸部煙臺(tái)打撈局海工船隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264000）

插樁式風(fēng)電安裝船主要由船體、樁腿和升降系統(tǒng)組成，它將裝運(yùn)海上風(fēng)機(jī)、海上作業(yè)平臺(tái)支持及沉船打撈的各項(xiàng)功能融為一體，裝有高精度的DP定位系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)航行和高效精準(zhǔn)海上就位。風(fēng)電安裝船在工作時(shí)，利用升降裝置系統(tǒng)將樁腿固定在海底，并對(duì)樁腿進(jìn)行預(yù)壓載后，以保證平臺(tái)遇到風(fēng)暴時(shí)樁腿不致下陷；作業(yè)完成后平臺(tái)降到海面，拔出樁腿并全部提起，整個(gè)平臺(tái)浮于海面，之后到達(dá)下一個(gè)作業(yè)位置。如果船舶在風(fēng)電施工中升降裝置出現(xiàn)突發(fā)故障，將會(huì)直接嚴(yán)重影響船舶的安全和項(xiàng)目的施工進(jìn)度，故插樁式風(fēng)電安裝船的升降裝置是船舶的最核心的設(shè)備之一，在升降裝置突發(fā)故障時(shí)，及時(shí)采取安全有效的應(yīng)急措施，本文通過(guò)對(duì)船舶升降系統(tǒng)應(yīng)急措施的方案制定和實(shí)施做了系統(tǒng)介紹。

1 船舶升降裝置系統(tǒng)組成和技術(shù)特征

1.1 升降裝置主要性能參數(shù)

單樁舉升（升降船/壓樁）載荷 5600T（單環(huán)梁模式）

單樁作業(yè)（壓樁）支持載荷 9600T（雙環(huán)梁模式）

單樁主動(dòng)拔樁能力 4200T（單環(huán)梁拔樁模式）

單樁主動(dòng)拔樁能力 6800T（雙環(huán)梁拔樁模式）

樁腿直徑 4.8m(純圓，無(wú)帖板)

樁腿孔節(jié)距 1.8m

平臺(tái)升降速度 ≥24m/h

樁腿升降速度 ≥32m/h

橫傾/縱傾報(bào)警角度 0.8°

橫傾/縱傾停機(jī)角度 1.5°

1.2 升降裝置主要設(shè)備組成

升降系統(tǒng)裝置包括升降機(jī)構(gòu)、液壓設(shè)備、電控設(shè)備3套主要系統(tǒng)組成。

1.3 升降機(jī)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式為雙動(dòng)環(huán)梁式，且動(dòng)環(huán)梁下置，由上動(dòng)環(huán)梁、下動(dòng)環(huán)梁、升降油缸組件、插銷油缸組件、楔形塊等組成。本升降機(jī)構(gòu)中，升降油缸無(wú)桿腔上置，通過(guò)固樁室油缸耳環(huán)、油缸銷懸掛于固樁室頂部；升降油缸組件下與動(dòng)環(huán)梁的耳環(huán)相聯(lián)；插銷油缸組件則分別安裝于上動(dòng)環(huán)梁、下動(dòng)環(huán)梁的四周，插銷裝配于上動(dòng)環(huán)梁、下動(dòng)環(huán)梁內(nèi)部的插銷孔內(nèi)。

1.4 液壓系統(tǒng)

全船升降系統(tǒng)共有4套液壓泵站（HPU），分別在2個(gè)泵站艙內(nèi)，每套液壓泵站（HPU）驅(qū)動(dòng)一套樁腿升降機(jī)構(gòu)。

1.5 電控設(shè)備

包括集控臺(tái)、泵站控制箱、泵站接線箱、電機(jī)啟動(dòng)柜（每套液壓泵站有4個(gè)電機(jī)啟動(dòng)柜，分別控制4臺(tái)主油泵電機(jī)和2臺(tái)插銷油泵電機(jī)）、樁邊控制箱。

2 升降裝置功能及說(shuō)明

2.1 設(shè)備功能介紹

連續(xù)型插銷式液壓升降系統(tǒng)為連續(xù)式升降，升降效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別適用于升降速度要求高且需頻繁升降的各類自升式平臺(tái)。升降系統(tǒng)可平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)升降平臺(tái)、升降樁腿、平臺(tái)預(yù)壓、拔樁和靜態(tài)自持等功能。

2.2 設(shè)備工作原理介紹

本升降系統(tǒng)每個(gè)樁腿升降機(jī)構(gòu)包括16套油缸耳環(huán)、2個(gè)活動(dòng)環(huán)梁，每個(gè)環(huán)梁中設(shè)有4個(gè)插銷；油缸耳環(huán)與平臺(tái)連接固定，通過(guò)油缸銷與升降油缸鉸接；2個(gè)活動(dòng)環(huán)梁分別由8個(gè)升降油缸驅(qū)動(dòng)上下活動(dòng)?；顒?dòng)環(huán)梁由導(dǎo)向結(jié)構(gòu)導(dǎo)向。升平臺(tái)時(shí)，升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行如下動(dòng)作：

第1步：上動(dòng)環(huán)梁插銷保持插入，上動(dòng)環(huán)梁上的升降油缸無(wú)桿腔建壓工作。

第2步：下動(dòng)環(huán)梁上的插銷拔出。

第3步：上動(dòng)環(huán)梁上的油缸頂升平臺(tái)，帶動(dòng)下動(dòng)環(huán)梁一起上升一個(gè)節(jié)距。

第4步：下動(dòng)環(huán)梁上的插銷插入樁腿銷孔。

第5步：上動(dòng)環(huán)梁插銷拔出。

第6步：下動(dòng)環(huán)梁升降油缸頂升平臺(tái)上升一個(gè)節(jié)距，上動(dòng)環(huán)梁跟隨平臺(tái)一起上升，且在其升降油缸作用下回程，上動(dòng)環(huán)梁相對(duì)樁腿上升2個(gè)節(jié)距。

第7步：上插拔銷油缸動(dòng)作，插銷插入樁腿銷孔。第8步：下動(dòng)環(huán)梁拔銷。

第9步：上動(dòng)環(huán)梁升降油缸頂升平臺(tái)上升一個(gè)節(jié)距，下動(dòng)環(huán)梁跟隨平臺(tái)一起上升，且在其升降油缸作用下回程，下動(dòng)環(huán)梁相對(duì)樁腿上升2個(gè)節(jié)距。

第10步：下動(dòng)環(huán)梁上的插銷油缸動(dòng)作，插銷插入樁腿銷孔。

重復(fù)上述第5～10步，平臺(tái)連續(xù)上升。反過(guò)來(lái)，重復(fù)步驟第10～5步，即可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)下降。升樁腿過(guò)程原理同降平臺(tái)，降樁腿過(guò)程原理同升平臺(tái)。

平臺(tái)預(yù)壓時(shí)，可采用高效的對(duì)角壓載方式。斜對(duì)角兩樁腿的升降油缸無(wú)桿腔同時(shí)建壓，油缸活塞桿伸出，將樁腿壓入海底，直至升降油缸無(wú)桿腔壓力達(dá)到預(yù)壓載對(duì)應(yīng)的壓力值為止。保持?jǐn)?shù)分鐘后，換另一對(duì)角的樁腿進(jìn)行壓載，直至所有四樁均達(dá)到所要求的載荷，拔樁時(shí)，全部升降油缸有桿腔同時(shí)建壓，對(duì)平臺(tái)向下施壓，利用浮力將樁腿拔出。升平臺(tái)作業(yè)流程見(jiàn)圖1。

圖1 升平臺(tái)作業(yè)流程示意圖

3 風(fēng)電安裝船升降機(jī)構(gòu)故障現(xiàn)象分析及處置案例

2021年，該插樁式風(fēng)電安裝船準(zhǔn)備降船進(jìn)行拔樁作業(yè)，當(dāng)船舶平臺(tái)下降30～40cm時(shí)，1#樁腿上環(huán)梁4#油缸突發(fā)大量漏油，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查和拆檢油缸體，油缸體周徑變大，密封圈損壞，經(jīng)過(guò)拆解后詳細(xì)測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2，判斷為油缸脹缸故障，經(jīng)過(guò)廠家專業(yè)人員的評(píng)估，該受損液壓缸已不具備修復(fù)可能，相關(guān)船舶專業(yè)技術(shù)人員根據(jù)升降裝置的設(shè)計(jì)能力和結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)過(guò)充分的數(shù)據(jù)分析和論證，采取減少一個(gè)主液壓油缸的應(yīng)急作業(yè)方案，進(jìn)行船舶升降壓/拔樁作業(yè)，恢復(fù)了船舶正常作業(yè)，避免了長(zhǎng)期停船造成的巨額濟(jì)損失。

圖2 油缸測(cè)量數(shù)據(jù)

4 采取隔離一個(gè)油缸對(duì)升降裝置的能力分析

4.1 壓樁（升船）作業(yè)時(shí)升降裝置受力分析

按照本船升降裝置設(shè)計(jì)性能參數(shù)，單環(huán)梁?jiǎn)螛杜e升載荷5600T，平均到單環(huán)梁8個(gè)油缸上每個(gè)油缸載荷為700T。1#樁腿上環(huán)梁由于1個(gè)油缸有故障，單環(huán)梁舉升能力減少700T，所以1#樁腿舉升載荷為4900T，升降機(jī)構(gòu)中，8只升降油缸缸筒與固樁室頂部連接，8只活塞桿與同一動(dòng)環(huán)梁相連，固樁室頂及動(dòng)環(huán)梁都可以看作剛性體，動(dòng)環(huán)梁插銷插入樁腿銷孔后承載，忽略結(jié)構(gòu)應(yīng)變，動(dòng)環(huán)梁沒(méi)有產(chǎn)生位移，僅僅是局部應(yīng)力增大，所以當(dāng)減少一只升降油缸，頂升載荷線性減少700T，其他工況類似。

4.2 船舶靜態(tài)升時(shí)升降裝置受力分析

本船在樁狀態(tài)下，船體總重量在17000T左右，平均到每個(gè)樁腿所承載的重量為4250T左右，在升船舉升船體時(shí)加上摩擦力，每個(gè)樁腿的舉升力正常情況下一般在5000T左右。在升船操作中，讓另外兩對(duì)角2#、3#樁腿負(fù)載多一點(diǎn)，1#樁腿舉升載荷可以降到4900T以下，理論上滿足升船條件，說(shuō)明升船作業(yè)是滿足設(shè)計(jì)要求，降船時(shí)，由于摩擦力向上抵消一部分船體重力，樁腿舉升載荷也不會(huì)超過(guò)4900T，故降船作業(yè)也是滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 拔樁（降船）作業(yè)升降裝置受力分析

按照本船升降裝置設(shè)計(jì)性能參數(shù)，單環(huán)梁?jiǎn)螛吨鲃?dòng)拔樁能力4200T，平均到單環(huán)梁8個(gè)油缸上每個(gè)油缸載荷為525T，1#樁腿上環(huán)梁由于1個(gè)油缸失效，單環(huán)梁拔樁能力減少525T，所以1#樁腿單環(huán)梁拔樁能力為3675T（1#樁腿單環(huán)梁拔樁時(shí)，效率稍微有些降低）；本船雙環(huán)梁?jiǎn)螛吨鲃?dòng)拔樁能力6800T，平均到上下環(huán)梁每個(gè)環(huán)梁油缸共承載3400T。1#樁腿上環(huán)梁在1個(gè)油缸失效的情況下，依然保持有3675T的拔樁能力，1#樁腿雙環(huán)梁主動(dòng)拔樁力可以達(dá)到6800T，1#樁腿拔樁功能沒(méi)有減小，所以拔樁作業(yè)完全滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 預(yù)壓載作業(yè)受力分析

升船前，需要進(jìn)行壓樁作業(yè)，以保證站船舶樁穩(wěn)安全性。從升降裝置主要性能參數(shù)上看，單環(huán)梁壓樁能力5600T，平均到單環(huán)梁8個(gè)油缸上每個(gè)油缸載荷為700T，1#樁腿上環(huán)梁由于1個(gè)油缸失效，單環(huán)梁壓樁能力減少700T，所以1#樁腿單環(huán)梁壓樁能力為4900T（1#樁腿單環(huán)梁壓樁時(shí)，效率稍微有些降低）；本船雙環(huán)梁壓樁作業(yè)單樁支持載荷9600T，平均到上下環(huán)梁每個(gè)環(huán)梁油缸共承載4800T，1#樁腿上環(huán)梁在有1個(gè)油缸失效的情況下，雙環(huán)梁壓樁能力仍然可以達(dá)到9600T，實(shí)際船舶預(yù)壓載作業(yè)中單樁載荷不超過(guò)8000T，平均到上下環(huán)梁每個(gè)環(huán)梁油缸共承載不超過(guò)4000T，1#樁腿壓樁功能滿足設(shè)計(jì)要求。

4.5 隔離一個(gè)油缸后升降裝置強(qiáng)度分析

（1）動(dòng)環(huán)梁主體尺寸：內(nèi)圈為16邊形，對(duì)邊尺寸約為5070，與樁腿配合部分長(zhǎng)度為1600mm，外形為對(duì)邊尺寸約為6730的16邊形。主要由DH36、EH420鋼板、厚度為90mm的Q460E鋼焊接而成。按《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范2016》的規(guī)范，靜載工況下，等效應(yīng)力安全系數(shù)為1.43；組合工況下等效應(yīng)力安全系數(shù)為1.11；另外，按公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，單件失效時(shí)零件的等效應(yīng)力不大于材料的屈服強(qiáng)度。材料性能如表1所示。

表1 材料性能

（2）材料強(qiáng)度計(jì)算。升降油缸失效時(shí)，環(huán)梁的變形云圖見(jiàn)圖3，最大變形約為1.954mm；等效應(yīng)力云圖（EH420部分），最大應(yīng)力約207.07MPa；DH36部分的等效應(yīng)力云圖如圖3所示，最大應(yīng)力約為160.45MPa。計(jì)算應(yīng)力值小于表1所示的單件失效工況下各材料的許用力。

圖3 環(huán)梁的變形云圖

5 隔離失效油缸的實(shí)施方案和操作程序

5.1 隔離失效油缸的方案

在減少一個(gè)油缸時(shí)的升降船和壓/拔樁作業(yè)時(shí)，把表1材料性能樁腿上環(huán)梁的失效油缸進(jìn)行隔離，避免影響上環(huán)梁上下自由移動(dòng)，失效油缸的活塞跟隨活動(dòng)環(huán)梁自由移動(dòng)。

（1）將1#樁載荷轉(zhuǎn)移到下環(huán)梁，上環(huán)梁空載拔銷，將上銷拔銷球閥關(guān)閉，按下急停按鈕。（2）關(guān)閉1#樁上環(huán)梁油缸有桿腔口和無(wú)桿腔進(jìn)回油球閥。（3）把損壞油缸有桿腔、無(wú)桿腔、溢流口的軟管與固樁室內(nèi)環(huán)管連接處斷開(kāi)，環(huán)管的接頭的用堵頭封堵。（4）防止損壞油缸隨動(dòng)時(shí)油液從端蓋處漏油，將失效油缸內(nèi)的液壓油放空。（5）將失效油缸有桿腔和無(wú)桿腔進(jìn)回油軟管用串油工裝短接。（6）檢查完畢后，打開(kāi)急停按鈕。

5.2 隔離失效油缸后的操作程序

（1）確認(rèn)每只油缸的進(jìn)回油球閥保持完全開(kāi)啟狀態(tài)。（2）確認(rèn)液壓泵泵站的運(yùn)轉(zhuǎn)正常。（3）保持上環(huán)梁承受本樁載荷不動(dòng)，進(jìn)行下環(huán)梁空載拔銷，運(yùn)用回程控制下環(huán)梁往復(fù)運(yùn)動(dòng)，檢查環(huán)梁動(dòng)作狀態(tài)是否正常，是否存在傾斜及異常摩擦聲音等的情況。（4）將下環(huán)梁插銷插入后承受本樁載荷不動(dòng)，進(jìn)行上環(huán)梁空載拔銷，用回程回路控制上環(huán)梁往復(fù)運(yùn)動(dòng)，檢查環(huán)梁動(dòng)作狀態(tài)是否正常，是否存在傾斜不動(dòng)是否存在傾斜及異常摩擦聲音等的情況。（5）空載檢查完畢后，再升船一段距離，檢查系統(tǒng)是否正常。（6）待檢查和試驗(yàn)操作正常后，進(jìn)行升降船和壓/拔樁操作流程。按照上述操作流程，實(shí)際的壓/拔樁作業(yè)較為順利，沒(méi)有出現(xiàn)1#樁腿上動(dòng)環(huán)梁產(chǎn)生明顯傾斜和與導(dǎo)向柱之間摩擦較重情況，也沒(méi)有出現(xiàn)防爆閥關(guān)閉情況，整個(gè)作業(yè)過(guò)程自動(dòng)結(jié)合手動(dòng)模式操作完成，自動(dòng)四樁同步性基本正常，配合手動(dòng)操作稍加調(diào)整即可。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本船升降裝置突發(fā)的液壓油缸失效后，對(duì)故障的現(xiàn)象進(jìn)行勘察和判斷，對(duì)設(shè)備受損情況進(jìn)行充分評(píng)估，未保證船舶的正常作業(yè)和安全，升降裝置應(yīng)急恢復(fù)方案進(jìn)行驗(yàn)證和論證，通過(guò)對(duì)升降船舶時(shí)的升/降船、預(yù)壓載、拔樁的工況的受力計(jì)算分析和環(huán)梁受力部件的材料強(qiáng)度的計(jì)算分析，在滿足升降船和壓/拔樁的設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，在充分的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后，在一個(gè)油缸失效的情況下，成功完成應(yīng)急操作實(shí)際升降船舶案例，為同類型風(fēng)電安裝船的升降系統(tǒng)出現(xiàn)類似的故障可以提供參考和借鑒意義。