新型海上風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸船舶設(shè)計(jì)研究

王徽華，杜振東

(江蘇龍?jiān)凑袢A海洋工程有限公司，江蘇南通226010)

0 引言

國內(nèi)海上風(fēng)電場自2015年開始進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展階段，降低成本、提高安全性是海上風(fēng)電發(fā)展的必要基礎(chǔ)［1］。在海上風(fēng)電場建設(shè)總投資中兩大成本分別是風(fēng)機(jī)設(shè)備采購和施工成本［2］。通過相關(guān)技術(shù)手段來提高施工效率，可在一定程度上降低海上風(fēng)電場的總投資成本，并可降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

海上風(fēng)電基礎(chǔ)和設(shè)備的運(yùn)輸費(fèi)用是施工成本的重要組成部分，運(yùn)輸方式在很大程度上決定了施工效率及總費(fèi)用。目前常規(guī)的海上風(fēng)電場運(yùn)輸通常采用3 000～4 000 t中小型運(yùn)輸船，這種船型一次運(yùn)輸2臺管樁基礎(chǔ)或1套風(fēng)機(jī)設(shè)備。由于這類運(yùn)輸船尺度小、穩(wěn)性差，在風(fēng)電設(shè)備吊裝過程中無法長期處于較小的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，致使這類運(yùn)輸船的施工窗口期較短、效率較低［3-4］，且小型運(yùn)輸船在海上施工現(xiàn)場與自升式施工平臺配合施工存在較大安全隱患。另外一種方式是采用自升式風(fēng)電安裝船兼做運(yùn)輸船來進(jìn)行風(fēng)電設(shè)備的運(yùn)輸和安裝。由于風(fēng)機(jī)設(shè)備占用了用于組裝的甲板面積，致使這種方式效率也較低，但安全隱患比較少［3］。本文以某海上風(fēng)電工程為案例研究設(shè)計(jì)一種批量運(yùn)輸海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和設(shè)備的新型船舶，采用一種合理的運(yùn)輸方式和船機(jī)設(shè)備保證海上風(fēng)電場現(xiàn)場施工時(shí)造價(jià)高昂的風(fēng)電安裝船連續(xù)、高效、安全作業(yè)，以降低整體施工成本。

1 新型海上風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)輸船舶設(shè)計(jì)

1．1 工程需求

江蘇如東某海上風(fēng)電場容量15萬kW，風(fēng)場水深3～15 m，離岸距離25 km，安裝38套4 MW風(fēng)機(jī)和38套單樁基礎(chǔ)。該風(fēng)場附近沒有大型碼頭用于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和設(shè)備的裝卸和存放。

需要運(yùn)輸?shù)暮Ｉ巷L(fēng)電裝備如下:

38套單樁基礎(chǔ)的最大直徑6．7 m，長81 m，壁厚55～70 mm，樁重700～900 t;30套風(fēng)機(jī)設(shè)備的總重約429 t。

1．2 運(yùn)輸方案研究

1．2．1 總體運(yùn)輸方案

(1)利用風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)制造廠出運(yùn)碼頭作為存儲(chǔ)、裝卸碼頭。

(2)用2艘1 000噸級左右的大型運(yùn)輸船單航次運(yùn)輸3套單樁基礎(chǔ)和3套風(fēng)機(jī)設(shè)備。

(3)為提高運(yùn)輸船有限甲板面積的利用率，采取如下措施:塔筒每段采用豎立運(yùn)輸，底塔筒在碼頭預(yù)組裝完畢;葉片采用疊層運(yùn)輸;單樁下方布置滑道工裝以降低施工現(xiàn)場1臺輔助浮吊的投入;機(jī)艙和輪轂在碼頭預(yù)組裝完畢。

1．2．2 運(yùn)輸方案的主要特點(diǎn)

(1)每套風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)下方布置1套滑道，現(xiàn)場單樁翻身作業(yè)時(shí)減少了1臺大型浮吊的投入。

(2)塔筒采用豎立運(yùn)輸，占用空間少，大大提高了運(yùn)輸船的甲板面積利用率，同時(shí)避免了施工現(xiàn)場塔筒的翻身作業(yè)工序。

(3)葉片采用3層疊放運(yùn)輸，大大降低了葉片運(yùn)輸空間占用面積。

(4)機(jī)艙和輪轂預(yù)組裝完畢后再運(yùn)輸，一定程度提高了運(yùn)輸船甲板面積利用率，避免了施工現(xiàn)場機(jī)艙與輪轂組裝工序。

(5)運(yùn)輸船增加了6臺大型定位錨機(jī)，提高了運(yùn)輸船在施工現(xiàn)場與自升式施工平臺配合施工的安全性。

(6)該風(fēng)機(jī)設(shè)備批量運(yùn)輸技術(shù)大大提高了海上施工的窗口期。

1．3 效率評估

碼頭距離風(fēng)電場海運(yùn)距離約為135 n mile，運(yùn)輸船航速5～8 kn，每次碼頭裝船用時(shí)約3 d，每船設(shè)備現(xiàn)場施工完畢用時(shí)約10 d。據(jù)此估算，運(yùn)輸船每航次從現(xiàn)場返航、碼頭裝船、航行至現(xiàn)場共用時(shí)約5 d，小于現(xiàn)場施工完畢用時(shí)，因而2艘運(yùn)輸船來回運(yùn)輸，可保證自升式施工平臺在海上風(fēng)場機(jī)位連續(xù)作業(yè)。

2 運(yùn)輸船舶的選型及改造方案

依據(jù)上述運(yùn)輸方案，可初步選擇船型規(guī)格為:船長137 m，船寬40 m，型深8 m，甲板載荷180 kN/m2，航速 8 kn。

由于該船沒有定位系統(tǒng)，因而需要增加6臺大型定位錨絞車。為了保證該船在風(fēng)電場海域8級風(fēng)、4 kn流速、2 m浪的情況下，6臺大型定位錨絞車能夠滿足船舶定位要求，經(jīng)過計(jì)算，選擇定位錨絞車的拉力為450 kN。

為提高甲板的利用率，同時(shí)由于海上風(fēng)機(jī)設(shè)備中基礎(chǔ)管樁很長且重量很大，因此風(fēng)機(jī)塔筒采用臥式布置于甲板上。風(fēng)機(jī)葉片較為易損，則采用桁架式工裝加以保護(hù)。分機(jī)塔筒分為上、中、下三段豎向直立于甲板。同時(shí)，運(yùn)輸船舶在運(yùn)輸過程中會(huì)不停地進(jìn)行橫搖、縱搖以及艏搖運(yùn)動(dòng)，這些將會(huì)使風(fēng)機(jī)設(shè)備不能穩(wěn)定于船舶甲板上，因此需要開展海上風(fēng)電設(shè)備的海綁研究。

3 運(yùn)輸海綁設(shè)計(jì)

整個(gè)海綁應(yīng)包括3套滑道工裝和3套風(fēng)機(jī)設(shè)備(包含9個(gè)塔筒豎立運(yùn)輸工裝、3套葉片疊層運(yùn)輸工裝和3個(gè)機(jī)艙輪轂運(yùn)輸工裝)，其中重量較大的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)樁、機(jī)艙輪轂組件放置于船舷邊，以利于現(xiàn)場起吊作業(yè)時(shí)降低對自升式施工平臺起重機(jī)回轉(zhuǎn)半徑的要求。

3．1 滑道工裝

通常大直徑單管樁在海上翻身需要2臺大型浮吊抬吊翻身。主鉤起吊負(fù)荷為10 000 kN，輔吊起吊負(fù)荷為5 000 kN。為了降低成本，避免大型輔吊的投入，擬設(shè)計(jì)一種滑道工裝作為大直徑打樁翻身的一個(gè)支撐點(diǎn)，配合主吊完成單樁翻身。

3．1．1 額定噸位選擇

單樁在翻身過程中受力情況如圖1所示。圖中，G為單樁重量，F(xiàn)1為主吊受力，F(xiàn)2為滑道工裝受力，L1為主吊點(diǎn)距離重心距離，L2為滑道工裝受力點(diǎn)距離重心距離。根據(jù)計(jì)算，滑道工件在翻身過程中最大受力F2max約為2 940 kN。為了該滑道工裝可以適應(yīng)將來更大打樁的翻身要求，滑道工裝設(shè)計(jì)額定載荷選擇為5 880 kN。

圖1 單樁翻身受力分析

3．1．2 滑道設(shè)計(jì)

滑道工裝設(shè)計(jì)為以下幾大部分:軌道、小車、前滑車牽引、后滑車牽引。滑道小車側(cè)視圖及俯視圖分別如圖2和圖3所示。小車駐牙結(jié)構(gòu)包括坦克鏈輪、旋轉(zhuǎn)支架、軸和固定支架。前后滑車牽引的作用是為了保證海上施工時(shí)單樁在翻身過程中不會(huì)與運(yùn)輸船之間產(chǎn)生較大的前后位移。

圖2 滑道小車側(cè)視圖

圖3 滑道小車俯視圖

利用ANSYS軟件建立滑道小車模型，施加相應(yīng)載荷。根據(jù)計(jì)算得到在塔筒吊裝工況下由于塔筒滑動(dòng)引起的旋轉(zhuǎn)支架最大應(yīng)力為272 MPa，固定支架最大應(yīng)力為258 MPa，其應(yīng)力云圖如圖4所示。滑道工裝鋼材為Q345B，其屈服應(yīng)力為345 MPa。根據(jù)美國船級社(ABS)規(guī)范，取等效應(yīng)力安全系數(shù)K為1．1，許用應(yīng)力［σ］為313 MPa。因此，該滑道小車的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖4 滑道小車應(yīng)力云圖

3．2 塔筒工裝

3．2．1 塔筒固定裝置設(shè)計(jì)

塔筒豎立運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)為兩大部分:下部為固定塔筒底座通過焊接方式連接在運(yùn)輸船甲板上，上部為聯(lián)接法蘭，其工裝圖見圖5。上部聯(lián)接法蘭通過螺栓與下部固定塔筒底座連接，上部聯(lián)接法蘭的規(guī)格尺寸隨著塔筒尺寸的不同可以調(diào)整更換。3．2．2 強(qiáng)度校核

圖5 塔筒豎立運(yùn)輸工裝圖

塔筒豎立運(yùn)輸工裝采用ANSYS軟件建立有限元模型。載荷選用最重、最長塔筒，計(jì)算載荷還包括風(fēng)載荷、運(yùn)輸施工過程中的船舶晃動(dòng)加速度。通過有限元分析，該工裝的最大應(yīng)力為247 MPa，其應(yīng)力云圖如圖6所示。工裝鋼材采用Q345B，其屈服應(yīng)力為345 MPa。根據(jù)ABS規(guī)范，取等效應(yīng)力安全系數(shù)K為1．1，許用應(yīng)力［σ］為 313 MPa。因此，塔筒豎立運(yùn)輸工裝的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖6 塔筒豎立工裝應(yīng)力云圖

3．3 葉片疊層運(yùn)輸工裝

3．3．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葉片疊層運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)為一次可疊放三層，每層工裝之間采用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱箱角形式通過標(biāo)準(zhǔn)鎖銷連接，其工裝示意總圖如圖7所示。這種連接方式的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)實(shí)際需要選擇為一次疊層運(yùn)輸2套風(fēng)機(jī)葉片或3套風(fēng)機(jī)葉片。3．3．2 強(qiáng)度校核

圖7 葉片疊層運(yùn)工裝示意總圖

葉片疊層運(yùn)輸工裝采用ANSYS軟件建立有限元模型。計(jì)算載荷還包括風(fēng)載荷、運(yùn)輸施工過程中的船舶晃動(dòng)加速度。通過有限元分析得知，葉片疊層運(yùn)輸工裝的最大應(yīng)力為292 MPa，應(yīng)力云圖如圖8所示。工裝鋼材選用Q345B，根據(jù)ABS規(guī)范，取等效應(yīng)力安全系數(shù)K為1．1，許用應(yīng)力［σ］為313 MPa。因此，該工裝的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖8 葉片疊層運(yùn)輸工裝底層、中上層結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

4 實(shí)際效率評估

該海上風(fēng)電場采用本文設(shè)計(jì)的運(yùn)輸工裝、運(yùn)輸船和運(yùn)輸方式，于2015年10月開工，2016年7月完工，總工期約10個(gè)月，共完成38套風(fēng)機(jī)的吊裝施工任務(wù)。

5 結(jié)語

采用本文設(shè)計(jì)的單航次運(yùn)輸3套風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和3套風(fēng)機(jī)設(shè)備的技術(shù)方案大大提高了海上風(fēng)電場施工效率和施工安全性，增加了施工窗口期，降低了施工成本。

該海上風(fēng)機(jī)設(shè)備批量運(yùn)輸技術(shù)在江蘇如東某海上風(fēng)電場得到成功應(yīng)用，實(shí)際效果良好，可在未來海上風(fēng)電場大規(guī)模建設(shè)進(jìn)程中推廣應(yīng)用。

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