自升式海上風電安裝船的疲勞分析

劉建峰

(南通中遠船務工程有限公司，江蘇南通226005)

1 風電安裝船主要參數

風電安裝船船長133.25 m，寬39 m，型深9 m，設計吃水5.8 m，作業水深達45 m，裝備有4條圓形樁腿結構液壓提升裝置系統和環繞樁腿的900 t旋轉海洋起重機;艏部配備2個側推和1個可伸縮式全回轉推進器，艉部配備3個電力推進的VOITH櫓槳，在淺水海域機動性能出眾，并配有先進的DP2動態定位系統;具有3 000 m2以上的甲板重載貨區域，甲板重載貨區載荷達到15 t/m2，局部線性載荷達40 t/m，提升甲板載荷達到5 000 t;每一航程次可裝載10套風車構件進行海上安裝作業;設計符合DNV CLEAN綠色環保要求，并同時滿足DNV船級社對自升式海洋工程裝備和遠洋自航貨船的雙重規范要求，以及符合丹麥的海事標準。

自升式海上風電安裝船側視總圖如圖1所示。

圖1 側視總圖

這種類型的具備自航能力的自升式海上風電安裝船兼具自升式平臺和浮式自航船舶的優點，具有將風機和基礎一起運送至風電場的能力，配備適合各種場景下安裝的起重設備和定位設備，能夠為下一代海上風電場最大水深45 m的海域提供基本的安裝和維護功能，有效克服了風機安裝的大型化和離岸化的限制，是當前發展海上風電場的首選裝備。

2 分析方法

2.1 方法介紹

對船體的疲勞分析建立在整體有限元分析的模型和定義負載條件的基礎上。整體有限元分析中的模型和負載對于全船強度分析來說是很全面的，但對于疲勞分析還不夠詳細，對疲勞損傷系數超過0.5的節點和區域需要更詳細的建模。

依據每個單獨的負載條件確定累積的疲勞損傷，最后所有疲勞損傷的組合應低于本船設計疲勞系數DFF=1。分析分2個步驟進行，第一步是確定在整體模型應用載荷條件下的疲勞敏感位置，調節疲勞分析的預加負載。第二步是詳細考慮累積疲勞損傷系數大于0.5的結構節點或區域，這一步中僅預加載荷疲勞被確定和按照在累積疲勞損傷與第一步中確定的預加負載疲勞損傷之間的系數比例。

2.2 參數

設計使用壽命20年，分為四部分周期:

(1)無限航區航行運輸:1年。

(2)停泊場所移動的運輸:4年(港口至風電場或風電場內或風電場至港口)。

(3)抬起狀態:14年(預加載荷，提升，工作運行，港口內負載)。

(4)閑置狀態:1年(在港口或干塢內等)。

在抬起狀態的14年周期內，預設提升抬起和下降回到海面的循環周期數量為每2天1次，即2 555個周期。船載900 t主起重機安裝在左舷艉部樁腿的提升室頂上，見1、圖2、圖3。對由于起重機操作對提升室結構引起的疲勞損傷分析采用33 000個循環周期和幅度系數0.34。

圖2 甲板俯視總圖

圖3 主起重機安裝位置橫剖面圖

2.3 需考慮的疲勞損傷工況

2.3.1 無限航區航行運輸

長距離運輸就是從一個工作區域到另一個工作區域，這種工況下可能會遇到惡劣的天氣。

(1)周期:1年，包括頭波30%，45°波30%，315°波30%，橫波10%的4種狀態。

(2)主要應力:中拱撓度靜水彎矩的應力，不同波況和橫波引起的中橫和中垂波浪彎矩的應力。

(3)通過不同的船中的波峰和船中的波谷對頭波和船尾側波計算應力變化范圍，最大波高10 m。

(4)威布爾系數1.0，100年出現一次的波。

(5)由于樁腿或主起重機的瞬時運動產生的船體力矩(100 MN·m)相對于在船中的最大力矩(1 350 MN·m)和在船中為0時是小的，可忽略的。

2.3.2 停泊場所移動的運輸

短距離運輸是指從港口到風電場或在風電場內或風電場至港口。這種情況都是在天氣限制了操作運行時的有計劃的轉移，并且受到波高的限制。

(1)周期:4年。

(2)基于相同的波分布和應力，結果是不受限的。考慮到場所移動的最大波高為3.5 m，將應力變化范圍乘以0.35。

(3)威布爾系數1.5，波浪1年發生1次。

2.3.3 提升抬起和下降回到海面

船體應力由于浮態至抬起狀態的靜態載荷的變化而相應的改變，以及預加負載操作所必需的載荷變化。

(1)轉移或運輸中的靜水中拱應力、抬起的靜態操作應力、靜態預加載荷應力。

(2)一個完整提升的工作過程為:

①浮態;

②提升出水;

③最大75%預載荷;

④最大預載荷;

⑤提升至船底距水面的要求高度;

⑥下降到水面;

⑦浮態。

(3)確定應力范圍和計算疲勞損傷:

①靜態浮態至靜態抬起狀態;

②預加負載荷，并考慮到安裝的開始階段預加負載的減少。

(4)以上兩個應力范圍中如包含任一被考慮的負載條件(如運輸、抬起等)，如果提升抬起和下降回到海面過程的最大應力是在上述兩種應力范圍之內，則疲勞損傷計算僅使用這兩個范圍是可行的。如果其他的工況組合導致出現一個更大的應力變化，有效應力范圍就需要使用雨流分析確定，這將導致出現一個更大的最大應力差作為應力范圍。

2.3.4 抬起狀態的波浪載荷

波浪載荷在抬起狀態引起船體的應力變化。

(1)周期:14年。

(2)抬起的幸存負載的應力作用。

(3)由180°不同的波方向差計算應力范圍，考慮了8個方向，方向分布均勻。

(4)威布爾系數1.0。

2.3.5 起重機操作

起重機操作引起船體的應力變化。

(1)33 000循環周期，起重載荷系數為0.34。

(2)靜態起重機設計載荷。

(3)由180°不同的起吊方向差計算應力范圍，考慮8個方向。

至于閑置狀態，安裝船在閑置期間是在一個受保護的場所內，并且所受負載是可忽略的，可視為沒有疲勞損傷發生。

3 模型和負載

3.1 結構模型

分析使用的模型與有限元的類似，如本文2.1所述，2個步驟都使用獨立的模型。第一步，模型和有限元分析的相同，全景視圖如圖4所示。

圖4 結構模型的全景視圖

第二步，累積疲勞損傷超過0.5的一些節點和區域被更詳細的建模計算。

此外，考慮到應力集中，生活區后壁與主甲板板連接處的板厚也被詳細建模。

3.2 負載

(1)靜水彎矩中拱的應力。

(2)頭波中拱波浪彎曲應力。

(3)頭波中垂波浪彎曲應力。

(4)抬起的靜態操作應力。

(5)靜態預加載荷應力。

(6)抬起后逐步45°的幸存載荷產生的應力。

(7)逐步45°的靜態船載起重機負載產生的應力。

除了上述運輸過程中4種附加載荷工況下的船體扭矩，額外的還需考慮的負載工況有:

(1)45°船尾側波，波峰在船中。

(2)45°船尾側波，波浪穿過船中。

(3)315°船尾側波，波峰在船中。

(4)315°船尾側波，波浪穿過船中。

根據以上的應力計算分析應力變化范圍和相關的疲勞損傷。

4 計算結果

在考慮整體模型的疲勞損傷基礎上，對船體結構累積疲勞損傷0.5以上區域進行了更詳細的模型分析，包括主甲板艙口開孔、生活區與主甲板的連接、縱艙壁上的開孔、橫艙壁上的開孔等所有可能涉及危險的區域部分，詳細區域變化的單元網格或厚度參數，并應用雨流法修正，分析最大疲勞損傷，反映由于預載荷變化引起的疲勞損傷。

根據計算，生活區左舷角落與主船體外板不連接，過渡處距離提升結構艙室更遠，不是危險區域。除了主甲板上的艙口開孔，其他所有節點的疲勞強度是足夠的。針對主甲板開孔處的疲勞強度，采取了在開孔周圍角落插入局部加厚板的方法來改善應力分布和提高抗疲勞能力。進一步的分析計算顯示，使用這些局部加厚插入板后，這些區域的疲勞強度是足夠的，包括相關的板厚過渡區域。

5 結語

緊鄰樁腿的提升艙室和下導向區域的船體結構的疲勞強度得到驗證，并結合預加負載循環周期、運輸、抬起和起重機操作等工況檢查了結構構造的強度。分析發現，大部分的船體疲勞損傷主要是由預加負載期間應力的變化引起的。假定預加負載在假定的14年抬起狀態生命周期內的循環數量為每2天1次，對每個場所或地點，預加負載過對角線6 750 t和每個樁腿9 000 t。考慮上述負載周期的組合，并在主甲板艙口開孔周圍增加40 mm厚的插入板，那么疲勞強度是足夠的，因此此類型海上風電安裝船的設計船體具有足夠的疲勞強度。