風電安裝平臺海工吊與繞樁吊組合方式研究

朱俊峰

(江蘇亨通藍德海洋工程有限公司，江蘇 南通 226000)

0 引言

由于海上風機的安裝要求精度高且不能有碰撞損傷，自升式風電安裝平臺一直是海上風電安裝施工的關鍵裝備。平臺的吊重能力是自升式風電安裝平臺最重要的指標之一，同時海上風機的安裝需要2臺吊機配合作業才能完成。因此，平臺吊機的布置形式及其吊重的設計是自升式風電安裝平臺設計的關鍵技術。國內第一代自升式海上風電安裝平臺的吊機主要采用固定式的海工吊主吊及固定式的海工吊輔吊，如“華電1001”自升式風電安裝平臺，但該平臺的固定式海工吊有效的吊距較小，可用的吊機角度范圍較小。自升式風電安裝平臺采用繞樁吊主吊+固定式海工吊輔吊的吊機組合形式，如“華電穩強”號自升式風電作業平臺，該平臺的有效吊距較大，且可用的吊機角度范圍較大，但這種吊機組合方式對于平臺升降裝置的能力及樁腿樁靴的承載能力要求較高，成本也較高。為此，本文提出一種海工吊主吊+繞樁吊輔吊的吊機組合方式，研究自升式風電安裝平臺的設計技術，以降低風電安裝平臺的作業成本，增大吊機的有效吊距。

1 不同的吊機組合方式研究

(1)風電安裝平臺繞樁吊主吊+海工吊輔吊的布置方式見圖1。該平臺吊機的有效吊距較大，抬升重量為79 092 kN，主吊機的吊重為6 000 kN，吊距為20 m。其升降能力要求較高，單樁腿預壓載能力為35 000 kN。

圖1 繞樁吊主吊+海工吊輔吊的布置方式

(2)風電安裝平臺海工吊主吊+繞樁吊輔吊的吊機布置方式見圖2。在主尺度基本相同的情況下，該平臺的抬升重量為85 403.90 kN，主吊機的吊重為6 500 kN，吊距為25 m，其升降能力要求相對較低，單樁腿預壓載能力30 000 kN。

圖2 海工吊主吊+繞樁吊輔吊的布置方式

由此可見，在成本較低的情況下，海工吊主吊+繞樁吊輔吊的布置形式更為合理。

2 海工吊主吊+繞樁吊輔吊平臺設計

2.1 平臺樁腿強度校核

采用莫里森方程和確定的規則波分析方法，根據水深、浪高和周期的關系選擇波浪理論，具體如下：水深30 m，重力加速度9.81 m/s，波浪周期7.0 s，無量綱相對水深0.062，無量綱相對波陡0.006；最大波高，波浪理論為斯托克斯五階波。

莫里森方程中的波/流力被表示為一個拖曳力和慣性力的總和，其特征在于一個阻力系數和慣性系數。依據-，大型圓柱形樁腿的光滑圓管的阻力和慣性系數分別為0.65和2.0。在此基礎上，樁腿的系數根據樁腿直徑、粗糙度等進行修正，其數值分別取0.94、2.02。流速的分布形狀通過海底泥線和水線2處的流速來表示，水線及泥線處的流速分別為1.5、1.0 kn。

(1)動態放大效應

為了考慮到動態的放大效應，需要在模型中加載額外的水平力和傾覆力矩。動態放大因子為

(1)

式中：為平臺的固有周期；為波浪周期；為阻尼比，≤7%。

慣性力的計算公式如下：

(2)

式中：、分別為樁腿底部的最大剪力和最小剪力。

(2)船體橫向位移的影響

垂直載荷和船體的側向位移會形成一個二級彎矩(-彎矩)。-效應是由船體的線性一階位移決定的，計算公式如下：

(3)

式中：為-效應引起的變形；為船體的線性一階位移；為樁腿支反力；為樁腿歐拉力。

-彎矩將引起樁腿的垂向支反力增加，船體的水平偏移也會引起下導板處彎矩增加。

根據主鉤負載曲線，由起重機操作引起的最大載荷見表1。吊機可以在水平360°范圍內動作。為了和環境負荷進行疊加，在每一個環境載荷方向，吊機在最大負荷下圍繞固定柱360°旋轉。

表1 吊機支座反力

2.2 樁腿強度校核

計入空船重量、可變載荷、樁腿樁靴重量和樁腿浮力，各工況下樁腿支反力結果見圖3。考慮風浪流環境載荷同向，由于目標平臺沿寬度方向的對稱性，因此環境載荷的角度僅在0°～180°范圍之內，同時，每一風浪流條件下，吊機角度旋轉180°，因此計算工況共計81個。

圖3 支反力計算結果

樁腿的最大支座力為32 100 kN，可取樁靴底部反力為32 500 kN，其最小預壓載及單腿支持能力為29 580 kN。樁腿材料采用EH36，屈服應力為355 MPa，正常作業樁腿的組合工況安全系數取1.25，許用應力為284 MPa。

經過計算，在操作工況下，平臺的設計滿足CCS的相關要求。根據上述的輸入條件，樁腿軸向應力最大實際應力與許用應力的比值(UC值)為0.534，彎曲應力最大UC值為0.494，結果顯示平臺的樁腿整體能力滿足要求。

2.3 平臺船體強度校核

正常作業工況下，平臺的船體設計滿足CCS的相關要求。根據上述的輸入條件，平臺的各主要結構計算結果和應力云圖見圖4。結果顯示，平臺的關鍵能力滿足要求。船體部分鋼材為AH32，屈服強度為315 MPa，安全系數取1.25，許用應力為252 MPa。

圖4 平臺各主要結構Von-mises應力云圖(單位：Pa)

3 2臺吊機同時作業

將平臺2臺吊機同時作業組合工況分為Z01、Z02、Z03、Z04，環境載荷的方向與主吊機方向一致，見表2。

表2 2臺吊機同時作業組合工況 單位：(°)

3.1 樁腿強度計算結果

考慮繞樁吊與主吊機同時施工對于平臺的樁腿支撐能力及強度的影響，經過計算，在正常作業工況下，根據上述的輸入條件，繞樁吊和主吊機同時作業，輸出各樁腿的支座反力，計算結果見表3。

表3 支反力計算結果 單位：kN

計入空船重量、可變載荷、樁腿樁靴重量和樁腿浮力，支反力合計為99 891.3 kN，大于總重量。這是由于吊機載荷以支座處反力施加，其中在吊機設計時加入了安全系數。

樁腿的最大支座力為32 100 kN，可取樁靴底部反力為32 500 kN，其最小預壓載及單腿支持能力為29 850 kN。樁腿材料采用EH36，屈服應力為355 MPa，正常作業樁腿的組合工況安全系數取1.25，許用應力為284 MPa。

在操作工況下，平臺的設計滿足CCS的相關要求。根據上述的輸入條件，繞樁吊全回轉時，樁腿軸向應力最大UC值為0.511，彎曲應力最大UC值為0.224。結果顯示，平臺的樁腿整體能力滿足要求。

3.2 船體有限元計算結果

在繞樁吊和主吊機同時作業工況下，平臺的船體設計滿足CCS的相關要求，有限元強度結果見表4。結果顯示，平臺的關鍵能力滿足要求。

表4 船體有限元計算結果單位：MPa

4 結論

(1)相比繞樁吊主吊+海工吊輔吊，海工吊主吊+繞樁吊輔吊的吊機組合不僅成本較低，而且吊距大、吊重能力強。

(2)海工吊主吊+繞樁吊輔吊的吊機組合形式下，自升式風電安裝平臺進行吊機作業時的樁腿及船體強度均滿足CCS規范要求。

(3)2臺吊機同時作用時，在限定組合工況下，自升式風電安裝平臺的樁腿及船體強度均滿足CCS規范要求。