風電安裝平臺升降系統選型淺析

鄧國輝 張磊

摘? ? 要：升降系統作為自升式平臺中的關鍵部分，在平臺的設計制造中受到高度重視，其性能的優劣直接影響平臺的安全和使用效果。升降系統的升降形式多種多樣，本文從升降系統對平臺總體性能和成本的影響方面來分析一下各種形式的有優缺點。

關鍵詞：升降選型;上下環梁;液壓插銷式;螺旋升降

中圖分類號：U664.69 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： This paper mainly describes the selection of the type of lifting system in the preliminary design of the wind power installation platform. As a key part of the jack-up platform， the lifting system has always been highly regarded in the design and manufacture of the platform， its performance of directly affects the security and use of the platform. In the wind power platform that has been delivered or is being produced and built in China， the lifting form of the lifting system is diverse. The advantages and disadvantages are analyzed from the impact of the lifting system on the overall performance and cost of the platform.

Key words： Lifting type selection; Upper and lower ring beam; Hydraulic bolt type; Screw lifting

1? ? 前言

自升式平臺的升降系統大致可分為兩大類：齒輪齒條電動升降系統;孔穴插銷液壓升降系統。由于齒輪齒條式升降速度快、操作簡單、易對井位，多為桁架式自升式鉆井平臺所采用;而風電安裝平臺的升降系統，其升降次數要遠大于自升式鉆井平臺的升降系統，故多采用孔穴插銷液壓升降系統，它比齒輪齒條式電動升降系統，使用壽命更長、工作更可靠。

2? ? 孔穴插銷式液壓升降系統的分類和特點

在2017年國內投入營運的風電安裝平臺中，比較有代表性的有福船“三峽號”、韓通“海洋風電69”、及“精銦01號”，分別是在福建馬尾船廠、江蘇韓通船舶重工及廣州黃埔文沖造船有限公司生產的。其中，福船“三峽號”是江蘇潤幫重工提供的升降系統，韓通“海洋風電69”是上海振華重工提供的升降系統，“精銦01號”是佛山精銦海工提供的升降系統。這三艘平臺的主尺度和升降能力均比較接近，而且都是由上海708所進行初步設計。參考上敘平臺的主尺度和升降能力，本文以升降總重量為11 500 t（包括2500t可變載荷，其中甲板載荷不低于1800 t）、升降速度24m/h、升降樁腿速度36 m/h、樁腿直徑4.0 m、樁腿孔節距1.5m、固樁架外形尺寸9 m×9 m、升降次數不小于2000次等參數為標準，分析各種形式的液壓插銷式升降系統的優缺點。

2.1? 對角插銷式液壓升降系統

（1）升平臺時：安裝在樁腿對側的兩套升降裝置的插銷插入樁腿，提升油缸伸出，平臺上升;另兩套升降裝置插銷拔出，提升油缸快速縮回，當平臺升起至一個節距時，此組插銷插入樁腿，做功的兩套升降裝置停止，同時插銷拔出。反復上述動作，可以達到連續起升平臺的目的。

（2）降平臺時：安裝在樁腿對側的兩套升降裝置的插銷插入樁腿，提升油缸縮回，平臺下降;另兩套升降裝置插銷拔出，提升油缸快速伸出，當平臺升起至一個節距時，此組插銷插入樁腿，做功的兩套升降裝置停止，同時插銷拔出。反復上述動作可以達到連續降平臺的目的（見圖1）。

（3）滿足升降速度、可變載荷等參數情況下，系統的外形大小和重量參數為：固裝架外形尺寸9 mX9 mX10 m（主甲板上）、升降系統總重440 t、固裝架總重608 t。

（4）主要設備組成：提升油缸48套、液壓插銷總成16套、升降滑座總成16套。

2.2? ?上下環梁式液壓升降系統

（1）升降方式： 平臺在漂浮狀態下四條樁腿同時下放，每條樁腿單獨控制，當樁腿到達海底時油缸壓力升高，停止動作。具體操作過程如下：首先，在確定高位環梁插銷插入銷孔后，低位環梁插銷從銷孔中拔出;然后，高位環梁升降油缸開始收縮帶動樁腿下降移動，直到下一個銷孔位置;與此同時，低位環梁升降油缸伸出帶動低位環梁空載移動一個銷孔節距，低位環梁插銷插入銷孔，高位環梁插銷拔出，低位環梁升降油缸收縮帶動樁腿下降移動，直到下一個銷孔位置;與此同時，高位環梁升降油缸空載伸出帶動高位環梁移動一個銷孔節距。重復循環上述動作，直到樁腿接觸到海底為止。

（2）當四條樁腿全部接觸海底且平臺處于水平位置時，開始插樁動作：斜對角的升降油缸同時收縮，油缸壓力升高，樁腿壓入海底淤泥且需要一段行程;直至壓實后，樁腿部繼續下降，由于樁腿對船體的反作用力，船體平臺開始上升，直到船體平臺離開海面（見圖2）。

（3）在滿足升降速度、可變載荷等參數情況下，系統外形大小和重量參數為：固裝架外形尺寸9 mX9 mX12 m（主甲板上）、升降系統總重830 t、固裝架總重570 t。

（4）主要設備組成：高位環梁（含插銷組件）;低位環梁（含插銷組件）;油缸閥塊64套;高位環梁升降油缸32套;低位環梁升降油缸32套;插銷油缸32套。

2.3? ? 螺旋升降式液壓升降系統

（1）升降方式： 初始狀態如圖3所示。1號滑座的提升油缸活塞在最高位置;2號滑座的提升油缸活塞伸出一個步進行程;3號滑座的提升油缸活塞伸出兩個步進行程;4號滑座的提升油缸活塞伸出三個步進行程。

（2）開始升平臺：①4號滑座的插銷拔出，回程運動三個步進行程，插銷插入;1號滑座、2號滑座、3號滑座同時伸出一個步進行程，3號滑座在最低位置，3號滑座插銷拔出;②3號滑座回程運動三個步進行程，插銷插入;1號滑座、3號滑座、4號滑座同時伸出一個步進行程，2號滑座在最低位置，2號滑座插銷拔出;③2號滑座回程運動三個步進行程，插銷插入;1號滑座、3號滑座、4號滑座同時伸出一個步進行程，1號滑座在最低位置，1號滑座插銷拔出;④1號滑座回程運動三個步進行程，插銷插入;2號滑座、3號滑座、4號滑座同時伸出一個步進行程，4號滑座在最低位置，4號滑座插銷拔出，恢復初始狀態，如此往復循環，實現升船動作。

在滿足升降速度、可變載荷等參數情況下，系統的外形大小和重量參數為：固裝架外形尺寸9 mX9 mX7.7 m（主甲板上）、升降系統總重314 t、固裝架總重430 t。

3? ? 三種液壓插銷式升降系統的對比分析

3.1? ?升降系統整體重量方面

（1） 上述三種液壓插銷式升降系統中，螺旋升降式和對角插銷式升降系統的固裝架較小。但考慮到插銷實效時，對角插銷式升降的平臺載荷會集中在一個插銷上，而螺旋升降式是集中在二個插銷上，上下環梁式是集中在三個插銷上，所以按失效分析可知對角插銷式失效時最危險，所以在對角插銷式的固裝架頂部增加了2.3 m高的鎖緊艙，以保證插銷失效時上端立即鎖緊，這樣使固裝架的高度增加，增加了固裝架整體重量。

（2） 從升降系統設備組成來看，螺旋升降式設備組成較少，所以在升降系統整體重量方面，螺旋升降式重量小于對角插銷式、對角插銷式重量小于上下環梁式。

3.2? ?控制系統方面

（1）螺旋升降式的油缸步長不一致，控制傳遞信號多，難以精準定位;同時，PLC電控系統制作復雜。因此，螺旋升降式升降系統的控制系統對可靠性和冗余度要求極高。

（2）對角插銷式因存在鎖緊插銷的控制，控制傳遞信號點比上下環梁式要多。所以在控制系統方面，螺旋升降式冗余度要大于對角插銷式、對角插銷式冗余度要大于上下環梁式。

3.3? ?對樁腿重量的影響方面

按中國沿海環境普遍需求，我們將作業水深設置為55 m、入泥深度設置為5 m，在此條件下樁腿長度分析如下：

（1） 對角插銷式液壓升降系統的樁腿長度約為86? m（5 m入泥深度+55 m水深+6 m作業氣隙+7 m型深+10? m升樁機構室高度+3 m安全余量）;螺旋升降式樁腿長度約為83.7 m（5? m入泥深度+55 m水深+6 m作業氣隙+7 m型深+7.7? m升樁機構室高度+3? m安全余量）;上下環梁式樁腿長度約為88 m（5? m入泥深度+55 m水深+6 m作業氣隙+7 m型深+12 m升樁機構室高度+3 m安全余量）。

（2） 在10 500 t的平臺重量和2 500 t的可變載荷情況下，按4 m直徑的圓柱形樁腿，其厚度和重量分析如下：

① 對角插銷式升降系統和螺旋升降式升降系統在升平臺時，按照 CCS 規范要求，當其中一個銷子失效時樁腿強度也應滿足升平臺需要;如果僅有兩個銷子承擔升降平臺的載荷，則銷孔的局部強度就成為控制性工況，樁腿板厚要求較高，690 鋼材厚度需達到 74 mm 左右（無貼板情況下）， 結合樁腿長度，四個樁腿樁靴的結構總重量約為 3 300? t。

②上下環梁式升降系統當其中一個銷子失效時，還有三個銷子插在樁腿上，其樁腿板厚要求較低， 690 鋼材厚度需 66 mm 左右（無貼板情況下），結合樁腿長度，四個樁腿樁靴的結構總重量約為 3 000? t。所以在樁腿的重量控制方面：螺旋升降式重量與對角插銷式相似，對角插銷式大于上下環梁式。

4? ?結束語

目前國內風電安裝平臺的升降形式，以上下環梁式液壓插銷升降系統居多。但隨著控制系統的更新發展，以后肯定將會有越來越多的升降系統形式被創新應用。本文僅淺析了現有的國內風電平臺的幾種常見升降形式，在實際設計中會有細節上的優化。

希望本文可以為大家打開思路，在以后風電安裝平臺的升降系統能有更新的設計方案。

參考文獻

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