超大型海上風機整機運輸船的改造設計

黃超，劉璐，張成芹，王俊杰

(中交第三航務工程局有限公司，上海 200032)

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超大型海上風機整機運輸船的改造設計

黃超，劉璐，張成芹，王俊杰

(中交第三航務工程局有限公司，上海 200032)

為滿足海上風機整體安裝的需要，將原“新能源駁1號”改造為10 000 t多功能運輸船，用有限元法對支持結(jié)構(gòu)及船體強度進行計算，校核拖航穩(wěn)性，結(jié)果表明，改造后運輸船滿足每航次運輸2臺整機風機至海上風場的工程需求，實現(xiàn)利用現(xiàn)有裝備完成海上風機整體安裝。

多功能運輸船；整體安裝；結(jié)構(gòu)強度；穩(wěn)性

目前海上風機安裝方法主要有2種：整機吊裝安裝和現(xiàn)場分體安裝[1-2]，整機安裝技術(shù)特點適用于規(guī)模大的風場建設，具有施工安全、效率高的特點。整機吊裝安裝工藝需要在基地進行整機組裝，然后通過大型的運輸駁運至現(xiàn)場，再用大型起重船整機安裝[3-4]。分析海上風機整體安裝工藝，綜合考慮三航局現(xiàn)有的船機設備、新船建造成本及周期等因素，確定專用多功能運輸駁方案，以實現(xiàn)海上風機整體安裝。

1 設計改造概述

1.1 改造目標

原船為三航“新能源1號”，鋼質(zhì)、單甲板、雙底的非自航駁船，可作為甲板駁運載貨物。為了滿足單航程運載2臺最大重量1 000 t、重心高度達60 m的海上風力發(fā)電機組，需要在原船上設置風機固定裝置與吊裝設備，并對船體結(jié)構(gòu)局部進行加強，把原船改造為適合沿海裝配和運輸風機的專用運輸船。

1.2 新增風機固定裝置與起吊系統(tǒng)布置

1)4座井架。左右為1對、全船共2對。1臺風機由2座井架固定，布置于風機左右2舷。

2)2座平衡梁。前后各布置1座。平衡梁與風機塔筒間采用4組抱箍器連接。平衡梁2端設有與井架連接的上座，上下座間采用錐形插銷連接，并用千斤頂壓緊裝置壓緊。

3)起吊系統(tǒng)。風機塔筒底部設起吊系統(tǒng)，起吊架與塔筒底部外法蘭用螺栓固定。起吊架下設有支撐底座，在起吊架與塔筒螺栓固定前起臨時支撐作用，當起吊架與塔筒底部外法蘭用螺栓固定后，起吊架與其支撐底座完全脫離。

4)風機底座。根據(jù)風機、風機固定井架及上部起吊架情況，需在風機塔筒、井架及上部起吊架下設置底座。風機塔筒下設1個直徑4 700 mm圓筒底座，在圓筒內(nèi)側(cè)設置肘板，面板上設置與風機塔筒對應螺栓孔，底座與塔筒間用螺栓固定。風機固定井架每個支腿下設墩座1個，用于船體與井架的固定連接。起吊架下設 8 個支撐底座，呈45°角布置于風起吊架底下的甲板上。

5)船體結(jié)構(gòu)局部加強。對應風機支持結(jié)構(gòu)與船體連接部分應作相應的加強。

1.3 功能

1)風機的整機組裝。包括：塔架、風機艙、葉片等風機部件運送到碼頭，利用吊機吊到船上，并進行組裝[5-6]。

2)運輸2臺3.6 MW風機。將組裝好的風機可靠固定，本船將被拖航至海上風電機場。

3)風機海上安裝配套。本船被拖航至預定位置，定位和拋錨，可靠地系泊在安裝位置，用來安裝風機的浮吊借助于吊具把整個風機從本船吊起，浮吊移位至風機與已建成的海上基礎(chǔ)準確對齊處，將風機安裝在已安裝好的海上基礎(chǔ)上[7-8]。

1.4 改造后船舶性能參數(shù)及總布置

改造后的船舶主尺度見表1。改造后船舶總布置圖見圖1、2。

表1 船舶主尺度及技術(shù)參數(shù)

圖1 舯剖面

圖2 主甲板布置示意

2 典型工況結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)性計算

為了實現(xiàn)本船一次可裝配、運輸和配套安裝2臺風機整機[9]的新功能，而且風機整機最大重量1 000 t、重心高度達60 m，需要解決運輸安裝過程中船舶結(jié)構(gòu)強度及拖航穩(wěn)性的問題，對原船增加拖航運輸風電機組的固定措施和對船體對應部位作局部加強，通過有限元計算運輸風機的支持結(jié)構(gòu)和船體結(jié)構(gòu)強度，并對拖航穩(wěn)性進行校核。

2.1 支持結(jié)構(gòu)拖航強度計算

針對拖航運輸3.6 MW風機狀態(tài)，利用有限元對支持結(jié)構(gòu)強度進行計算。本次拖行運輸?shù)暮骄€為浙江岱山基地至上海臨港二期風電場。拖航海況限定在6級風、2 m波高、三級海況以下進行；最大橫搖角控制在13°以下，橫搖周期8 s左右。計算工況見表2，有限元模型見圖3，強度校核各結(jié)構(gòu)強度標準如表3,拖航工況強度校核結(jié)果見表4。

表2 計算工況

圖3 支持結(jié)構(gòu)有限元模型示意

通過MSC.Patran計算本船支持結(jié)構(gòu)拖航強度計算。結(jié)果表明，所計算的井架、平衡梁及船體結(jié)構(gòu)滿足強度要求。

表3 結(jié)構(gòu)強度標準

2.2 船體結(jié)構(gòu)強度直接計算

對改造后運輸船在拖航運輸2臺3.6 MW風機狀態(tài)時的船體結(jié)構(gòu)強度進行計算，根據(jù)CCS《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》(2015)的要求，參照CCS《集裝箱船結(jié)構(gòu)強度直接計算指南》(2005)第二章的要求對本船船體結(jié)構(gòu)強度進行直接計算。船體結(jié)構(gòu)有限元模型見圖4。

表4 井架、平衡梁和船體結(jié)構(gòu)強度校核結(jié)果 MPa

圖4 船體結(jié)構(gòu)有限元模型示意

本計算中波浪頻率為0.2～3.0 rad/s，間隔為0.1 rad/s；浪向位0°～180°，間隔為15°，共計13個浪向，其中180°為迎浪。沿船長方向選取21個剖面作為計算剖面，具體剖面位置見表5。

表5 21個參考橫截面位置

風機裝載到港工況及整船結(jié)構(gòu)強度分析工況見表6。

將靜水工況與設計波載荷工況結(jié)構(gòu)強度分析結(jié)構(gòu)進行應力合成，得出整船強度校核工況，匯總于表7，切應力計算結(jié)果匯總于表8，船體位移數(shù)據(jù)見表9。

表6 風機裝載到港工況整船結(jié)構(gòu)強度分析工況

表7 各工況船體構(gòu)件最大合成應力匯總 MPa

表8 各工況船體構(gòu)件最大切應力匯總 MPa

表9 各工況最大位移 m

許用彎曲應力[σ]=190 MPa，許用切應力[τ]=100 MPa，計算結(jié)果均小于許用值。

2.3 拖航穩(wěn)性校核

本船為非自航駁船，根據(jù)中華人民共和國船舶檢驗局1999年《國際航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則》對無限航區(qū)海駁的拖航穩(wěn)性要求進行計算，各種裝載情況穩(wěn)性計算，見表10。

表10 各種裝載情況穩(wěn)性匯總表

3 成果應用

現(xiàn)場風機運輸安裝作業(yè)見圖5，結(jié)果表明，設計改造的超大型海上風機整機運輸船強度載荷及拖航穩(wěn)性滿足，成功完成風機整機運輸安裝。

圖5 上海臨港海上風電二期工程風機整機運輸、安裝

4 結(jié)論

通過對超大型海上風機整體安裝工藝的分析，利用現(xiàn)有海洋裝備進行改造，以滿足工程上整體運輸安裝風機的需求。通過新增相應的風機固定裝置及起吊系統(tǒng)，并對原船結(jié)構(gòu)局部加強，對改造后的船舶結(jié)構(gòu)強度和拖航穩(wěn)性進行計算和校核，結(jié)果均滿足規(guī)范的要求。改造后的運輸船投產(chǎn)后完成上海臨港海上風電二期工程整機運輸安裝任務，具備同時安裝、運輸2臺整機風機功能，為超大型海上風機整機運輸專業(yè)船舶的研制積累了寶貴的經(jīng)驗。

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Design and Transformation of the Large Offshore Wind Turbine Transport Ship

HUANG Chao, LIU Lu, ZHANG Cheng-qin, WANG Jun-jie

(CCCC Third Harbor Engineering Co., Ltd, Shanghai 200032, China)

In order to meet the integral installation of offshore wind turbine, the original ship “new energy barge 1” was transformed into 10 000 t multi-purpose transport ship. The structural strength of hull and supporting structure was assessed and the towing stability during transportation was checked. The results showed that the ship can meet the project to transport 2 sets of wind turbines each voyage, and implement the object of using existing equipment to complete the integral installation of offshore wind turbines.

multi-purpose transport; integral installation; structural strength; stability

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.038

2016-11-29

上海市科學技術(shù)委員會科研計劃項目(13dz1202202)

黃超(1987—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶技術(shù)管理

U662

A

1671-7953(2017)04-0165-04

修回日期：2016-01-11