2 500 t沉墊自升式海上風(fēng)電安裝平臺(tái)設(shè)計(jì)與布置

晁世方， 于 多

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

0 引 言

海上風(fēng)電市場(chǎng)的發(fā)展方興未艾，為更充分地開(kāi)發(fā)海上風(fēng)電清潔能源，國(guó)內(nèi)外都在陸續(xù)研發(fā)8 MW乃至12 MW的大功率風(fēng)機(jī)設(shè)備，風(fēng)機(jī)大型化已然是大勢(shì)所趨。風(fēng)電安裝平臺(tái)作為海上風(fēng)電施工的關(guān)鍵裝備，需要滿足大型化風(fēng)機(jī)設(shè)備的安裝要求。據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)或即將投產(chǎn)的風(fēng)電施工船大多為自升式，但是隨著起重量的大幅提升，并且考慮到國(guó)內(nèi)南海多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)地質(zhì)偏軟，傳統(tǒng)獨(dú)立樁靴式風(fēng)電平臺(tái)較易存在拔樁困難等問(wèn)題。為徹底解決拔樁難題，提高風(fēng)電施工效率，設(shè)計(jì)建造一座2 500 t沉墊自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)。由于其型式比較特殊，通過(guò)較大體積的沉墊將4根樁腿連成一體，在海上作業(yè)時(shí)沉墊坐落于海床表層，能快速實(shí)現(xiàn)脫底起浮。

1 平臺(tái)概況

平臺(tái)集海上風(fēng)電設(shè)備打樁、安裝、運(yùn)輸?shù)裙δ苡谝惑w，由上船體、沉墊、樁腿、起重機(jī)等構(gòu)成。上船體采用艏部有線型的矩形型式；沉墊則為整體水密結(jié)構(gòu)，采用艏艉均削斜的矩形型式。上船體和樁腿通過(guò)雙嚙合升降系統(tǒng)[1]連接，沉墊和樁腿通過(guò)鎖緊系統(tǒng)進(jìn)行連接，樁腿可穿越沉墊，在站立狀態(tài)下插入海床起到抗滑移的作用，如圖1所示。平臺(tái)可在水深50 m范圍內(nèi)泥沙質(zhì)海底海域或類似海域進(jìn)行站立狀態(tài)作業(yè)；設(shè)計(jì)溫度為-10 ℃(鋼結(jié)構(gòu))，環(huán)境溫度為-10～45 ℃，無(wú)冰區(qū)作業(yè)，非自航但具有動(dòng)力定位能力及風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)區(qū)域移駁能力，可滿足國(guó)際調(diào)遣和近海海域作業(yè)；可完成8～12 MW風(fēng)機(jī)設(shè)備的吊裝和8 MW內(nèi)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)樁的打樁作業(yè)。

圖1 2 500 t沉墊自升式海上風(fēng)電安裝平臺(tái)側(cè)視圖

1.1 平臺(tái)主要性能

平臺(tái)總體參數(shù)如表1所示。

表1 平臺(tái)總體參數(shù) m

平臺(tái)最大作業(yè)水深(含潮差及沉墊入泥深度)為50 m；可變載荷為4 500 t；可用甲板面積為3 000 m2；起重機(jī)主鉤能力為2 500 t，幅度為20 m，起升高度為主甲板面以上120 m；定員為100人；自持力為30 d。

1.2 船級(jí)及規(guī)范

平臺(tái)入級(jí)中國(guó)船級(jí)社(CCS)，按照其現(xiàn)行規(guī)范和交通運(yùn)輸部海事局的現(xiàn)行法規(guī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并滿足在平臺(tái)建造合同生效時(shí)的國(guó)際公約要求。

1.3 典型設(shè)計(jì)工況

平臺(tái)典型設(shè)計(jì)工況及環(huán)境條件如表2所示。

表2 典型設(shè)計(jì)工況及環(huán)境條件

2 平臺(tái)主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 總體設(shè)計(jì)及布置

平臺(tái)擁有上船體和沉墊兩個(gè)船體。在拖航狀態(tài)下，沉墊收回至上船體內(nèi)部，其底部和船體基線齊平；樁腿呈收回狀態(tài)，其底部也與船體基線齊平。

平臺(tái)設(shè)置6層生活區(qū)，位于主甲板艏部，并設(shè)置艏樓甲板，能夠提供100人的就餐、住宿、醫(yī)療和辦公，設(shè)置2人間、1人間及1人套間等居住艙室，廚房、餐廳、娛樂(lè)室、健身房等公共艙室布置在主甲板以下，生活區(qū)頂層為中央控制室。主甲板布置如圖2所示。

圖2 平臺(tái)主甲板布置示例

平臺(tái)雖然非自航，但是擁有風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)自行移駁能力，考慮到平臺(tái)在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)定位時(shí)一般是頂流前行至預(yù)定風(fēng)機(jī)機(jī)位，而抱樁器位于艉部，在設(shè)計(jì)時(shí)平臺(tái)艏部推進(jìn)器能力應(yīng)大于艉部的推進(jìn)器能力，因此在艏部布置3臺(tái)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，艉部布置2臺(tái)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。

4根樁腿沿中心線兩兩左右對(duì)稱，前后樁腿的間距根據(jù)波浪載荷分析計(jì)算結(jié)果和站立穩(wěn)性情況綜合而定。

前后樁腿中間為開(kāi)敞甲板，艏部右舷和艉部左舷各布置1臺(tái)雜物起重機(jī)。艉部左樁腿前布置應(yīng)急發(fā)電機(jī)室，應(yīng)急發(fā)電機(jī)室頂部布置1臺(tái)潛水泵及相應(yīng)軟管絞盤(pán)。艉部右樁腿前布置1座海水塔，在海水塔上布置2臺(tái)潛水泵。上述3臺(tái)潛水泵作為平臺(tái)在站立狀態(tài)下冷卻水及消防水的來(lái)源。

2 500 t起重機(jī)位于平臺(tái)艉部的中縱線上，起重機(jī)回轉(zhuǎn)筒體內(nèi)設(shè)置1套電纜垂送裝置。艉部左樁腿后部設(shè)置1艘救助艇及相應(yīng)平臺(tái)。

在設(shè)計(jì)沉墊相對(duì)于上船體的位置時(shí)，需要結(jié)合自升式平臺(tái)的特殊要求，盡可能實(shí)現(xiàn)平臺(tái)浮心、重心、4腿重心及沉墊浮心的“四心合一”，才能確保在平臺(tái)拖航、沉墊下放至海床及上船體抬升離開(kāi)水面等過(guò)程中平臺(tái)姿態(tài)平穩(wěn)，且4條樁腿受力相對(duì)均勻。

平臺(tái)與以往帶沉墊的自升式平臺(tái)有所不同，樁腿可穿越沉墊并通過(guò)水下鎖緊系統(tǒng)與沉墊進(jìn)行連接。樁腿穿越沉墊的原因有兩方面：其一，穿越沉墊的這部分樁腿可承擔(dān)抗滑樁[2]的作用，防止平臺(tái)在正常作業(yè)時(shí)產(chǎn)生水平滑移；其二，插入海床的樁腿底端能夠到達(dá)持力地層，可在一定程度上分擔(dān)沉墊的受力。

2.2 平臺(tái)穩(wěn)性校核

根據(jù)CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范2016》[3]及其修改通報(bào)的相關(guān)要求，平臺(tái)在拖航工況時(shí)需要校核完整穩(wěn)性及破艙穩(wěn)性。拖航穩(wěn)性分為近程遷移和遠(yuǎn)洋遷移，完整穩(wěn)性對(duì)應(yīng)風(fēng)速分別為51.4 m/s和36.0 m/s；破艙穩(wěn)性對(duì)應(yīng)風(fēng)速為25.7 m/s。平臺(tái)在站立工作狀態(tài)時(shí)需要校核坐底穩(wěn)性，包括抗傾覆穩(wěn)性和抗滑移穩(wěn)性。在校核抗傾覆穩(wěn)性時(shí)，平臺(tái)雖然有沉墊，但是仍屬于自升式平臺(tái)，因此抗傾安全系數(shù)取1.1即可。

此外，由于平臺(tái)沉墊體積較大，在沉墊下放至海床過(guò)程中，按照CCS審圖工程師的建議，需要考慮其沉浮穩(wěn)性，具體衡準(zhǔn)要求可參照文獻(xiàn)[3]對(duì)坐底式平臺(tái)沉浮穩(wěn)性的要求。

2.3 錨泊及拖曳系統(tǒng)

根據(jù)《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則：海上移動(dòng)平臺(tái)法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則2016》[4]的要求，平臺(tái)主甲板艏部右舷設(shè)置1套單鏈輪液壓航行錨設(shè)備，由航行錨機(jī)、閘刀掣鏈器、錨鏈筒、錨臺(tái)、錨鏈、錨等組成。錨機(jī)、閘刀掣鏈器的布置確保錨及錨鏈在行進(jìn)路線上排列整齊和不受限制地拋出或收回。錨存放在錨臺(tái)上，航行錨設(shè)備單獨(dú)配備1個(gè)錨鏈艙。

平臺(tái)艏樓甲板設(shè)置2個(gè)拖力眼板，2個(gè)拖索導(dǎo)纜孔。設(shè)置2套電動(dòng)絞車用于拖曳裝備回收，利用液壓絞盤(pán)將拖具拉上甲板。平臺(tái)配置2套拖索具，每套拖索具由2根龍須纜、3根短纜、1個(gè)三角眼板、連接卸扣及回收纜組成。每根龍須纜由防擦鏈組成。

2.4 直升機(jī)甲板

平臺(tái)艏部上層建筑區(qū)域設(shè)有直升機(jī)甲板，直升機(jī)甲板邊緣設(shè)置安全網(wǎng)，網(wǎng)架采用無(wú)縫鋼管形式，鋼絲網(wǎng)采用鍍鋅或包塑工藝。

文獻(xiàn)[3]針對(duì)直升機(jī)甲板有無(wú)障礙區(qū)的要求，由于海上風(fēng)電安裝平臺(tái)一般都配備起重機(jī)，其臂架和樁腿會(huì)對(duì)上述要求產(chǎn)生不利影響，因此平臺(tái)的直升機(jī)甲板布置在艏部右舷角落處，而起重機(jī)臂架在擱置狀態(tài)時(shí)布置在左舷，通過(guò)優(yōu)化布置最終可滿足規(guī)范要求。

2.5 沉墊沖樁系統(tǒng)

平臺(tái)沉墊坐底面積較大，為克服沉墊脫底時(shí)土壤的吸附力、實(shí)現(xiàn)順利移船，設(shè)置沖樁系統(tǒng)。在沉墊底部布置100余只噴嘴。沉墊4個(gè)樁腿附近布置4臺(tái)潛水高壓沖樁泵，由管路和遙控閥門(mén)相連，可協(xié)同作業(yè)。沖樁管路既可并聯(lián)作業(yè)也可單獨(dú)作業(yè)，在管路上設(shè)置壓力傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)沖樁壓力。此外，沖樁泵還有沖洗齒條的功能，便于沖洗插入泥中樁腿齒條上的泥沙，使齒條和升降系統(tǒng)的爬齒更好地嚙合。

2.6 電纜垂送裝置

由于平臺(tái)樁腿和沉墊之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而位于沉墊上的鎖緊系統(tǒng)、液位遙測(cè)系統(tǒng)、沖樁系統(tǒng)均需要供電，因此特別設(shè)計(jì)1套電纜垂送裝置。該裝置主要由電纜拖鏈、滑輪、液壓設(shè)備及安裝框架等組成，主要作用是通過(guò)具有一定倍率滑輪組的升降，輸送電纜拖鏈及電纜，實(shí)現(xiàn)電纜由船甲板向水下50 m的沉墊輸送電能。該裝置位于起重機(jī)筒體內(nèi)部，電纜拖鏈通過(guò)上船體的月池沉入海水中與沉墊進(jìn)行連接，如圖3所示。

3 風(fēng)電施工特殊優(yōu)化布置

3.1 起重機(jī)能力及布置

起重機(jī)主鉤能力為2 500 t，幅度為20 m，雙鉤布置形式，可實(shí)現(xiàn)2 500 t以內(nèi)單樁基礎(chǔ)的自身翻身。主鉤起升高度為主甲板以上120 m，采用大型剖分式回轉(zhuǎn)軸承[5]。

為最大限度提高起重機(jī)舷外有效跨距，平臺(tái)起重機(jī)基座為“天圓地方”形式，并且圓心盡可能向艉部移動(dòng)，在起吊貨物時(shí)可有效增加舷外實(shí)際可用跨距，有利于風(fēng)電管樁的施工安裝作業(yè)。此外，為使位于艉部的抱樁器具有布置空間，在起重機(jī)筒體基座上開(kāi)設(shè)1個(gè)“門(mén)洞”。

圖3 電纜垂送裝置示例

3.2 可升降抱樁器

平臺(tái)在海上打樁作業(yè)時(shí)，主甲板距離水面約為20 m。傳統(tǒng)的抱樁器[6]臂爪始終位于主甲板以上，在單樁基礎(chǔ)的頂部接近水面時(shí)，無(wú)法對(duì)樁柱進(jìn)行糾偏，樁柱容易產(chǎn)生歪斜而不能滿足垂直度要求。為解決打矮樁的問(wèn)題，平臺(tái)配置1臺(tái)可升降抱樁器，抱樁直徑范圍為8～10 m，最大水平糾偏能力達(dá)到200 t，最大可升降高度為9 m。

抱樁器的主要部件包括上、下臂爪，箱型升降立柱，臂爪回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及底盤(pán)。底盤(pán)下部設(shè)置滾輪，支承平臺(tái)運(yùn)行于互相垂直的兩層H形軌道上。臂爪可通過(guò)液壓電機(jī)帶動(dòng)齒輪繞回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，每層臂爪上各裝備2個(gè)帶雙滾柱的觸頭，在臂爪閉合后，觸頭前伸貼住樁柱，完成抱樁。

抱樁器主要工作流程如下：

(1)風(fēng)電樁吊裝到位，起重機(jī)主鉤繼續(xù)吊起風(fēng)電樁，抱樁器僅在風(fēng)電樁入泥前起扶正作用。此時(shí)主推油缸動(dòng)作(外伸或后退)，側(cè)推油缸及抱樁油缸保壓；待主推油缸動(dòng)作到位，鎖定；側(cè)推油缸動(dòng)作，將抱樁器角度初步調(diào)整到位，側(cè)推油缸鎖定；抱樁油缸動(dòng)作，將風(fēng)電樁準(zhǔn)確環(huán)抱到位，縱鎖油缸動(dòng)作，將夾臂鎖死，所有油缸保壓鎖定，抱樁器動(dòng)作完畢。

(2)在風(fēng)電樁打樁過(guò)程中，如果發(fā)生傾斜、側(cè)偏等情況，使主推油缸或側(cè)推油缸受力超過(guò)其最大[][]推力，則油路自動(dòng)泄壓，以保護(hù)抱樁器不受損壞。

(3)風(fēng)電樁打樁完畢，縱鎖油缸提起，抱樁油缸松開(kāi)，夾臂收回，側(cè)推油缸及主推油缸依次收回。然后準(zhǔn)備下一個(gè)機(jī)位的工作。

4 結(jié) 語(yǔ)

2 500 t沉墊自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)是風(fēng)電平臺(tái)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新產(chǎn)品，是傳統(tǒng)自升式平臺(tái)和傳統(tǒng)坐底式平臺(tái)的結(jié)合體，更加適用于國(guó)內(nèi)特殊的“軟地質(zhì)”風(fēng)電場(chǎng)，對(duì)該平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)及布置特點(diǎn)進(jìn)行分析，希望能為同類型平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供借鑒思路。