淺析自升式海上風電施工平臺站拔樁風險及防控措施

謝文峰

（中鐵福船海洋工程有限責任公司，福建 福州 350000）

0 前言

自升式海上風電施工平臺站拔樁涉及多方面因素，如風場海底地質、地形、地貌以及洋流海浪，機械設備運轉情況，操作人員能力水平等，自升式海上風電施工平臺站拔樁成功與否，不但影響風機吊裝效率，還影響船機設備和人員安全，對自升式海上風電施工平臺站拔樁風險管控，顯得尤為重要；該文針對風電施工平臺站拔樁存在的一些風險進行分析，并提出了一些相應的對策和預防措施，以及對日常運行管理提出了一些切實可行的建議，希望借此對提高風電安裝平臺站拔樁方面安全管理有所幫助。

1 自升式海上風電施工平臺介紹

自升式海上風電施工平臺配備起重機和4～8 個樁腿，在到達風場指定機位后樁腿插入海底支撐并固定平臺，通過液壓升降裝置將平臺完全或者部分露出水面，形成不受波浪影響的穩定平臺，再通過平臺上配備的起重機完成風機吊裝。

2 升降系統原理

2.1 升降裝置組成部分介紹

2.1.1 樁腿、樁靴

樁腿為不等厚高強度鋼板焊接而成的圓柱型鋼結構，內部設有加強筋板、檢修梯道、沖水管路、樁腿下端與樁靴焊接，樁腿四周設有四條導向板用于樁腿導向及插銷孔加強。每塊導向板區域上設有插銷孔500mm×500mm，銷孔節距1500mm。

樁靴為不等厚高強度鋼板焊接而成的方錐型鋼結構，內設加強筋板。樁靴底面設有高壓沖水噴頭，樁靴頂面設有沖水噴頭及檢修人孔。

2.1.2 固樁架

固樁架為高強度鋼板焊接而成的強力鋼結構。頂部為方箱型構件，下部為桁架型構件。頂部設有樁腿上導向裝置，固樁架底部與船體主甲板焊接。

2.1.3 上環梁（固定環梁）

固定環梁為高強度鋼板焊接而成的圓形鋼結構，上端設有8 套耳板用于連接拉桿彈簧組件，下端設有8 套耳板用于連接升降油缸，四周鑄鋼件用于安裝插銷裝置。

2.1.4 下環梁（動環梁）

動環梁為高強度鋼板焊接而成的圓形鋼結構，上端設有8 套耳板用于連接升降油缸，四周鑄鋼件用于安裝插銷裝置。

2.1.5 懸掛桿

每套樁腿設有8 套拉桿彈簧組件，安裝與固樁架頂部，使固樁架與拉桿彈性連接。

2.1.6 平衡器

每套樁腿設有8 套彈簧組件，安裝于固定環梁和固樁架之間，用于承載壓力。

2.1.7 插銷裝置

每套環梁上裝有4 套插銷裝置，使用一個雙作用油缸推動。

2.1.8 升降油缸

每套固樁架內設8 只升降油缸，用于升降作用。

2.1.9 固樁塊

用于平臺調遷時固定樁腿。升降裝置中的升降油缸，上下環梁與插銷裝置的關系如圖1 所示。

圖1 升降裝置組成示意圖

2.2 升降裝置動作原理

平臺升降或樁腿升降是依靠升降油缸活塞桿的伸縮帶動上環梁上下運動。上環梁內的插銷裝置是通過一只插銷油缸的伸縮，推拉插銷插入或拔出動作，使插銷與樁腿插銷孔插入或脫開以達到平臺升降的目的。

下環梁內亦設有插銷裝置，與上環梁相同。其作用是承接上環梁負荷的轉換，起到上、下環梁輪番受力，達到使平臺或樁腿不斷升降。

為了使環梁插銷與樁腿插銷孔在平臺傾斜的工況下仍然均勻受力，在固樁架與上環梁之間設置有8 套碟形彈簧組（平衡器），如圖2 所示。

圖2 升降裝置結構示意圖

3 自升式海上風電施工平臺風險點分析

施工平臺主要風險有設備故障、平臺穿刺、傾覆、浸水淹沒、拔樁失敗及樁腿損壞等。當上述一種或者一種以上風險同時發生時，都將不同程度地造成一定損失或者重大損失。

3.1 設備故障原因分析

正常情況下，設備運轉過程應無異常振動、噪聲，無異常升溫、漏油漏水等現象，但由于設備維護保養不到位，或者操作失誤，導致設備出現故障，進而影響平臺操作；如設備本身制造精度及質量問題；平時未按要求進行維護保養，或者有進行維護保養，但維護保養不到位，對出現的異常現象未及時發現，如缸體外部有無有害的傷痕、龜裂、銹蝕等，油缸運行中是否平穩有無爬行、前沖及滲漏現象，升降機構有無明顯異動、卡死現象等；施工環境超出設計條件許可或者人為操作失誤的原因導致設備出現故障。

3.2 平臺穿刺、傾覆原因分析

3.2.1 地質原因

插樁前未對目標海域地基進行調研，不清楚作業區域水深、海底地貌及地質情況等，未探測清楚作業區域內海底的有關設施（例如海底管線、海底電纜、錨鏈等裝置）和障礙物，未避開海底有關設施并清除不利于作業的海底障礙物；

3.2.2 操作原因

插樁前已對作業區域進行探測，但未進行插拔樁計算，進行壓樁時，未穿透非承重地質層，未將樁腿進行壓實；除此，壓樁結束后，未將平臺進行調平，或者未將主吊作業樁腿處壓力適當減少，在吊裝作業過程中，吊重再加力矩效果，使吊機處樁腿承重超出壓樁重量，導致平臺傾斜或者出現穿刺現象[1]。

3.2.3 潮流因素

在不同地質層，樁腿入泥深度不一樣，個別地質層如地質表面為石英砂層，其承重及摩擦力較大，樁腿入泥深度較淺，可能當入泥深度僅覆蓋樁靴表面時就已達到預壓的壓力，但在施工作業過程中，由于水流較急，樁靴底部出現沖刷現象，將樁腿底部掏空，出現平臺傾斜現象[2]。

3.3 平臺浸水淹沒原因分析

3.3.1 環境因素

升降平臺作業前，未隨時接聽氣象預報，未了解清楚作業期間在作業區域內的氣象情況，如風向及風力、海浪、海流方向及流水等詳細信息，環境條件超出升降船作業條件許可，給升降平臺作業帶來風險。

3.3.2 操作原因

升降平臺作業前，已對作業期間在作業區域內的氣象情況如風向及風力、海浪、海流方向及流水等詳細信息進行了解，但深水作業時，部分地質承載力較差而入泥深度較深，樁腿長度不能完全滿足要求，存在一定風險；而部分施工海域，由于潮差較大，操作人員不熟悉潮差，在進行拔樁操作時，選擇在低潮位，利用平臺浮力進行拔樁操作，因預留干舷高度較小，導致平臺浮力過大，出現升降系統插銷無法拔出，導致平臺無法爬升，導致甲板面浸水淹沒風險。

3.4 拔樁失敗原因分析

3.4.1 設備原因

平臺通過預壓及長時間站立，樁靴底部跟海底已緊密接觸，而樁靴周邊及上部形成的空檔，在潮流作用下，將進行回填，在進行拔樁作業前，需用沖樁泵將樁靴周邊及頂部淤泥沖開，朝樁靴底部充水，破壞因樁靴底部真空形成的吸附力；若沖樁設備無法正常運轉，不能破壞樁靴底部真空，將影響平臺拔樁[4]。

3.4.2 環境因素

每個機位所處位置不同，潮差影響較大，個別機位可能屬潮間帶，對平臺施工影響也較大，尤其對平臺進出機位；因潮差時間有限，要在有限時間內，將平臺降至水面，利用浮力進行拔樁，存在拔樁失敗的情況。

3.5 樁腿損壞原因分析

3.5.1 環境因素

在下樁過程中，4 條樁腿應同時下放，以同尺標進行，在海底平坦時，4 條樁腿可基本同時達到海底，但由于海底地形及存在障礙物等原因，下樁過程中，可能單條樁腿先觸及海底，如未能穩住船舶，平臺可能拖著觸底的樁腿進行移動，因受外力影響，該樁腿可能造成損壞。

3.5.2 操作原因

樁腿拔松后，樁腿未觸底待命，提前進行樁腿提升，受潮流及DP 定位影響，將導致平臺繞未拔松樁腿回轉，損壞升降裝置，產生重大事故；另外樁腿提升時，未注意觀察各樁腿伸出平臺底的長度，四樁腿未同長度提升，當海底不平、插樁深度不同的情況下，未作第一步超前提升，個別樁腿因涌浪作用的沖擊蹲撞海底造成故障。

4 自升式海上風電施工平臺風險點預防措施

4.1 危險源分析預防措施

在站拔樁前，通過風險識別對風險進行調查、信息分析、專家咨詢以及實驗論證等方式，查找出平臺站拔樁存在的危險源及潛在發風險因素，并針對危險源制定相應措施或者應急預案進行風險控制和防范。

4.2 設備故障預防措施

4.2.1 加強設備維護保養

平時應加強設備維護保養，對發現的問題及時解決處理；平臺升降前應認真檢查和準備：1）對平臺船體部分進行檢查和準備進行壓載調整，無明顯縱傾和橫傾，并調整甲板上負荷分布，對可移動負荷進行加固。2）升降裝置檢查檢查蝶形彈簧組情況，上下環梁倒環圈與樁腿齒塊黏合情況，檢查各部件潤滑點情況，檢查各接近開關，傳感器情況，是否正常。3）液壓站的檢查和準備檢查液壓油泵電機電源，各密封部分有無漏油現象，管接頭是否固定良好，個電磁閥閥芯活動是否良好，不得有卡住現象，蓄壓器壓力（沖N2壓力10bar），檢查油量及油溫，檢查濾油器有無堵塞及油泵相關限位開關等狀態。4）檢查管路各部分有無漏油，軟管有無破損及各接頭、管卡緊固情況。5）除此以外，還應對電源裝置，控制、監視系統進行檢查和準備。

4.2.2 備品備件儲存

做好備品備件申報，采購計劃，做到合理儲備，尤其對于易損件，影響設備運轉操作的備品備件或者采購周期較長的備件，應提前做好相關儲備；對設備中采用國外進口備件，做好國產化備用方案，避免設備突發故障，因備品備件原因，導致平臺無法正常運轉。

4.2.3 操作方面預防措施

穿刺會對平臺結構造成巨大的損害，為盡量減少穿刺事故帶來的損失，平臺操作者在進行高質量的地質調查后，可以考慮采取以下措施進行風險規避：

4.2.3.1 減小氣隙進行單樁預壓載

分析表明穿刺時船體會向穿刺腿傾斜，如果此時氣隙較小，平臺可以很快傾斜入水。平臺獲得的浮力將有助于減緩穿刺速度，降低穿刺停止時的入泥深度，從而減少平臺結構的損傷。

如果需要，可以在水中進行壓載，即漂浮壓載，以便減小因貫入軟土層而產生的樁腿載荷，減輕穿刺發生時對平臺船體和樁腿及插銷的影響和損壞。

在硬土層中使用噴沖的方法，使樁靴在最小載荷的情況下貫入軟土層。

在條件允許的情況下，例如在海況比較溫和，機位作業時間相對短，且作業期間風力、波高和海流速度相對較小的情況下，通過降低預壓載量可以減少平臺樁腳的入泥深度，降低穿刺風險，提高平臺作業的安全性[3]。

4.3 平臺穿刺、傾覆預防措施

4.3.1 地質方面預防措施

4.3.1.1 插樁

插樁前需要對目標海域地基進行調研，確保地基承載力和地層結構滿足插樁要求，地基調研工作須專業地址勘察設計院進行計算，計算結構滿足插樁要求后方可插樁。

4.3.1.2 地基承載力影響因素

影響地基承載力的因素較多，主要包括土層重度、土的內摩擦角、樁靴的斷面直徑、面積、深度等。對于黏性土，土壤凝聚力對入泥深度影響較大，應注意剪切強度與入泥深度的關系。

4.3.1.3 入泥深度

自升式平臺樁靴的典型形狀為長方形，長度和寬度較大，高度較小。樁靴對地比壓一般不超過50t/m2。插樁完成后，入泥深度需要大于樁靴本體高度，但入泥深度不宜太大，入泥過深，拔樁困難，平臺的機動性不好甚至會有危險。另外，深水作業時，若地質承載力較差而計算的入泥深度較深時，需考慮樁腿長度是否滿足，或氣隙高度是否滿足要求。

4.3.2 操作方面預防措施

插樁前對作業區域進行探測，根據機位附件地質鉆探情況進行插拔樁計算，計算出平臺插樁深度，進行壓樁時，穿透非承重地質層，將樁腿進行壓實，相較于被動穿刺，應考慮采用主動穿刺方法，將樁腿穿刺風險予以消除；除此，壓樁結束后，將平臺進行調平，將主吊作業樁腿處壓力適當減小，避免在吊裝作業過程中，吊重再加力矩效果，使吊機處樁腿承重超出壓樁重量，導致平臺傾斜或者出現穿刺現象[4]。

4.3.3 潮流因素

對于個別站位，因入泥較淺，受水流影響，樁靴底部出現沖刷，將底部掏空，出現平臺傾斜的現象，值班人員應加強平臺觀測，重點關注平衡度，根據傾斜的情況，及時對沖刷較嚴重的樁腿進行壓樁，將平臺調平，確保平臺安全。

4.4 平臺浸水淹沒預防措施

4.4.1 環境因素方面預防

升降船作業前，提前接聽氣象預報，了解清楚作業期間在作業區域內的氣象情況，如風向及風力、海浪、海流方向及流水等詳細信息，環境條件超出升降船作業條件許可，停止作業。

4.4.2 操作原因

升降平臺作業前，對作業期間在作業區域內的氣象情況如風向及風力、海浪、海流方向及流水等詳細信息進行了解；對部分施工海域，由于潮差較大，操作人員尤其決策人員應熟悉潮差，在進行拔樁操作時，不得在低潮位進行拔樁，應提前計算好降平臺時間，在漲潮到達最高潮位前一段時間開始進行拔樁，在拔樁過程中，要預留足夠干舷高度，避免甲板面上水，如在最高潮位后一段時間內拔樁未成功，則應等下一個潮位，確保平臺拔樁安全。

4.5 拔樁失敗預防措施

加強沖樁設備維護保養，做好相關備品備件存儲，對于發現的問題，及時進行處理，避免設備帶病作業，同時避免平臺利用浮力進行強行拔樁；對潮間帶機位，應嚴密計算好潮差，確保施工結束后，有足夠潮水，滿足平臺拔樁需求，盡量利用大潮差時機進出機位進行施工作業，在拔樁作業前，應充分噴沖之后進行拔樁。

4.6 樁腿損壞預防措施

首先，就位時盡量選擇天氣及海況條件較好，在平流時，通過定位錨進行定位，防止定位過程尤其樁腿快觸底時，平臺出現大的漂移，造成樁腿損壞；在下樁過程中，四條樁腿應同時下放，以同尺標進行，在海底平坦時，四樁腿可基本同時達到海底，當海底不平坦時，可在樁腿接近海底時，應沉著采用單樁操作，使四樁腿到達海底[5]。

樁腿拔松后，樁腿觸底待命，不得進行樁腿提升，待四條樁腿確認都已拔松后，一起進行提升；樁腿提升時，應注意觀察各樁腿伸出平臺底的長度，力求四樁腿基本同長度提升，當海底不平、插樁深度不同的情況下，應根據情況，作第一步超前提升，避免個別樁腿因涌浪作用的沖擊蹲撞海底造成故障。

5 結語

綜上所述，自升式海上風電施工平臺站拔樁過程風險是多方面的，必須綜合分析。預防措施必須對相關風險進行評估，規范各種操作制度，制定相關應急預案，提高管理人員技術和經驗水平。

自升式海上風電施工平臺站拔樁過程是施工過程中重要環節，站拔樁是否正常，不但影響施工效率，而且影響船機及人員安全，隨著目前船機設備配備、地質勘探技術、天氣預報系統方面的完善及準確度提高，對自升式海上風電施工平臺站拔樁風險控制提供有利的幫助，但作為施工管理人員，更重要的是提高自身技術本領，提高風險防范意識，才能在工作中將風險降到最低。