插銷升降系統總體設計

王鑫磊，徐 兵，程文池，田崇興

（武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084）

0 引言

綠色能源是撬動能源結構調整乃至整個經濟結構調整的重要支點，發展綠色能源以應對氣候變化已是大勢所趨。海上風能作為一種可再生、無污染且儲量巨大的綠色能源，其未來的發展意義不言而喻。因此，國家對海上風電產業進行布局，將其作為推動能源轉型、保障氣候安全、發展低碳經濟、打造新的經濟增長點的重大改革措施。

伴隨著海上風電市場的蓬勃發展，風電安裝平臺迎來了發展的良機，而插銷升降系統因其自身的特性，被廣泛配套于風電安裝平臺。插銷升降系統作為風電安裝平臺的核心設備，它的安全性和可靠性直接關系到平臺的安全。現有的插銷升降系統設計主要遵循的是各個船級社的規范，但是每個船級社規范的要求又存在區別。因此，本文對ABS、CCS、DNV GL等不同船級社的規范進行研究，以期為插銷升降系統的總體設計找到合理的解決思路。

1 插銷升降系統的種類

目前，國內外主流的插銷升降系統主要分為 3大類：步進式插銷升降系統、半連續型插銷升降系統及連續型插銷升降系統[1-4]。步進式插銷升降系統中，升降平臺和樁腿均為步進動作，如圖 1所示；半連續型插銷升降系統中，升降平臺為步進動作，升降樁腿為連續動作，如圖 2所示；連續型插銷升降系統中，升降平臺和樁腿均為連續動作，如圖3所示。

圖1 步進式插銷升降系統

圖2 半連續型插銷升降系統

圖3 連續型插銷升降系統

這 3種結構形式的插銷升降系統雖然工作方式存在區別，但是其基本的工作原理基本一致。因此，其總體設計思路基本一致，只是在一些具體細節上存在區別。

2 插銷升降系統的工況及結構強度校核基本原則

2.1 插銷升降系統的工況

插銷升降系統的主要工況在 CCS、ABS及 DNV GL規范中均有明確說明，其主要工況大致一樣，但是也存在一些區別，詳見表1所述。

表1 插銷升降系統工況對比表

對于遷移工況，通常情況下，其載荷與其他支持工況的載荷相差很大，可以被其他工況所涵蓋，但是平臺的作業支持工況是插銷升降系統總體設計必須考慮的，例如風電安裝平臺，其作業支持時，平臺上吊機會進行風機塔筒、風機機組等大噸位吊裝作業，該過程對插銷升降系統的平臺作業支持能力要求極高，可能遠高于升降系統風暴工況所需求的支持能力。“港航平 9”風電安裝平臺配套的插銷升降系統就存在此種情況：平臺作業支持載荷為5 520 T，風暴支持載荷為4 000 T。

一般情況下，插銷升降系統的預壓載升降工況的載荷和預壓載支持工況的載荷一致，但在某些特殊平臺上，會存在預壓載支持工況載荷大于預壓載升降工況載荷的情況。該工況會直接影響插銷升降系統的總體設計，是總體設計過程中必須了解的關鍵點。

插銷升降系統的總體設計除了需要考慮表 1中列舉的 7種正常工況，還需要考慮失效工況，該工況主要來源于插銷升降系統的失效模式和影響分析（FMEA）。對于FMEA，CCS、ABS和DNV GL規范中并沒有明確具體的故障。因此，不同的升降系統廠家對于故障的分析各不相同。但插銷升降系統一般都會考慮 1種故障模式——單插銷失效，因為該故障模式存在極多，其主要原因為：樁腿的插銷孔主要加工方式為火焰切割后再打磨，其同一層插銷孔中心存在不共面的情況，多個插銷同時工作時，會有個別插銷不承載。

2.2 強度校核基本原則

根據章節2.1所述，插銷升降系統共有8種工況，但是強度校核時，并不需要對所有工況進行校核。通常情況下，主要校核以下幾種工況：額定升降平臺工況、平臺作業支持工況、預壓載升降工況、預壓載支持工況、風暴支持工況和失效工況。

在CCS、ABS和DNV GL規范中，結構強度校核的基本原則一致，但也存在一些區別，詳見表2所述。

表2 等效應力安全系數

不同規范對靜載工況和組合工況的定義也不同：1）CCS和DNV GL規范中，不包含環境載荷的工況為靜載工況，包含環境載荷的工況為組合工況，則額定升降平臺工況、預壓載升降工況應為靜載工況，平臺作業支持工況、預壓載支持工況及風暴支持工況應為組合工況；2）ABS規范中，額定升降平臺工況、預壓載升降工況及平臺作業支持工況為靜載工況，預壓載支持工況和風暴支持工況應為組合工況。3個船級社規范的主要差異點體現對平臺作業支持工況的考慮上。但是，在平臺作業支持時，平臺所受環境載荷相對于作業支持載荷較小，既可忽略其影響，按靜載工況1.43的安全系數進行校核；也可考慮其影響，按組合工況1.11的安全系數進行校核。根據對實際工程案例的分析，認為這 2種校核方式對結構件的強度計算影響不大，但是建議按組合工況1.11的安全系數進行校核，其更接近于真實情況，且受環境載荷影響造成的偏載會影響插銷升降系統其他部件的受力情況。

對于失效工況，CCS和DNV GL規范中明確了安全系數為 1.0，但是 ABS規范中未給出明確的安全系數。在進行插銷升降系統總體設計時，建議確定其安全系數為1.0。

3 材料選用原則

在CCS、ABS和DNV GL規范中，自升式平臺的構件按其重要性的不同可分為 3類：次要構件、重要構件及特殊構件[5]。鑒于插銷升降系統對平臺安全的重要性，其主體結構屬于重要構件。對于插銷升降系統這類重要構件的材料選型，主要考慮鋼板和鍛件材料的選型。

一般情況下，插銷升降系統的鋼板多采用船級板，而對于船級板的具體選型，3個船級社的要求基本一致，都取決于插銷升降系統的設計溫度。

對于插銷升降系統的鍛件材料選型，CCS、ABS及DNV GL規范中的要求均不一樣，特別是對鍛件的2個重要性能指標的要求：沖擊功（CVN）和延伸率。

在ABS規范中，要求插銷升降系統鍛件的延伸率不能低于 12%，而沒有明確鍛件沖擊功的相關技術指標，因而只能參考其他鋼材的技術要求，其中需要注意的事項：插銷升降系統中，屈服強度為 235 MPa～420 MPa的鍛件，鍛件的試驗溫度要比設計溫度低 10℃；屈服強度為460 MPa～690 MPa的鍛件，鍛件的試驗溫度要比設計溫度低20℃[6]。

在DNV GL規范中，只明確了屈服強度小于450 MPa的鍛件材料的性能要求，對于屈服強度大于 450 MPa的鍛件材料，只能參考特殊高強度鋼材的性能要求，其中需要注意的一點：對于屈服強度小于450 MPa的鍛件，設計溫度低于-10℃時，鍛件試驗溫度要比設計溫度低5℃[7]；而對于屈服強度大于450 MPa的鍛件，試驗溫度無明確要求。同時，DNV GL規范也要求插銷升降系統的鍛件延伸率不能低于12%。

在CCS規范中，對鍛件的性能指標有明確的要求，其試驗溫度要求和設計溫度保持一致，且其沖擊功要求較低，但是鍛件延伸率要求較高。

總體而言，每個船級社對鍛件性能關注的側重點不一樣，各有優劣。一般插銷升降系統的設計溫度均取該設備工作海域50年的最低溫度，實際工作過程中，其環境溫度均高于設計溫度。如果插銷升降系統不涉及到取證，那么出于經濟性的考慮，鍛件選型可按CCS規范中的要求執行，但可以適當提高鍛件沖擊功的數值。

4 主要安保功能

對于插銷升降系統而言，除了需具備電機運行狀態保護、油箱油位保護、電源故障保護、上下限位保護和濾器保護等常規安保功能外，還需要特別具備以下3種保護功能。

1）自動控制功能

插銷升降系統屬于升降系統里面控制邏輯最復雜的系統，其操作過程極其繁瑣，即使是1名專業人員，也有可能會出現操作失誤的情況。插銷升降系統一旦出現操作失誤，極有可能產生樁腿孔破壞等問題，其修復工作量大、成本高。因此，插銷升降系統需具備自動控制功能，盡量減少人員手動操作的失誤。

2）油缸過載保護和防爆保護

油缸的過載保護主要為防止出現因工作負載太大而導致油缸工作壓力過高、油缸缸體變形的情況。

油缸的防爆保護主要為防止油缸的進油管路發生爆裂，導致平臺失速下降。

3）插銷狀態顯示及故障保護

插銷作為升降系統工作過程中的主要承力件，其工作狀態需要進行實時顯示，確保操作人員知道其位置狀態。另外，插銷升降系統一般配備有2組插銷，這2組插銷需具備互鎖功能，防止2組插銷同時被拔出。

另外，插銷升降系統的核心安保功能是插銷的故障保護，其主要目的是：當發生插銷插入或拔出故障時，提前報警，確保插銷不破壞樁腿。

5 結論

1）介紹了插銷升降系統的主要工況，并說明了插銷升降系統強度校核的主要工況和強度校核的基本原則，對插銷升降系統的總體設計具有重要意義。

2）說明了材料選擇的原則和注意事項，對插銷升降系統總體設計的材料確定具有重要參考意義。

3）說明了插銷升降系統的重要安保功能，對總體設計具有重要工程借鑒意義。