自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)主要構(gòu)件仿真與分析

鐘 蕾，羅 勇，王慶豐，徐 驍

(1.蘇州地方海事局，江蘇 蘇州 215007；2.南通潤邦海洋裝備有限公司，江蘇 南通 226000；3.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

近年來各國對(duì)于清潔能源的呼聲越來越高漲，并且不斷在清潔能源的開發(fā)和利用方面投入了大量的人力物力[1]。風(fēng)能在眾多清潔能源中脫穎而出，尤其是海上風(fēng)能的資源更為豐富。為此，人們對(duì)風(fēng)能的開發(fā)與利用已延伸至廣闊的海洋[2-3]。建立海上風(fēng)電場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)在于更加節(jié)省陸地空間、噪聲污染更小，并且政府對(duì)于相關(guān)產(chǎn)業(yè)有政策扶持[4-5]，因此海上風(fēng)電在世界范圍內(nèi)的發(fā)電量和裝機(jī)量每年保持很高的增長率。

由于海上風(fēng)電機(jī)組安裝設(shè)備的需求量越來越大，自升平臺(tái)作為廣泛部署在不同海域的工作平臺(tái)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟[6]，在已部署的海洋平臺(tái)中超過半數(shù)的平臺(tái)為改型平臺(tái)，總數(shù)量已超過500座[7]。在風(fēng)電機(jī)組安裝設(shè)備中最常使用的是自升式安裝船，該型船舶在滿足運(yùn)輸功能的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)船體平臺(tái)的升降，可在各種既定海況下為安裝風(fēng)電設(shè)施提供作業(yè)平臺(tái)。但是，此類平臺(tái)在用于風(fēng)電安裝時(shí)還有相關(guān)的技術(shù)亟待解決，因此對(duì)于該型船舶有必要進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的探究和開發(fā)。

本文采用MSC.Patran和MSC.Nastran有限元計(jì)算軟件，以某四樁腿的非自航式海上風(fēng)電安裝作業(yè)平臺(tái)的升降裝置為研究對(duì)象，在滿足各種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)該部位進(jìn)行強(qiáng)度校核、載荷檢驗(yàn)。

1 自升式安裝平臺(tái)工作原理及特點(diǎn)

海洋平臺(tái)發(fā)展的初期為坐底式平臺(tái)，后來隨著人們對(duì)于海洋開發(fā)的不斷深入，海況條件、水深、工作要求的不斷復(fù)雜化，坐底式平臺(tái)已無法滿足人們的使用要求。之后便出現(xiàn)了由多個(gè)可升降樁腿和駁船或平臺(tái)形船體共同組成的自升式海洋平臺(tái)。自升式海洋平臺(tái)主要在近海區(qū)域工作，可以開展石油勘探開采、風(fēng)電設(shè)備的安裝等工作，同時(shí)還為工作人員提供生活區(qū)域。平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)一般由一個(gè)單層或雙層底箱型結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)不同工作條件和實(shí)際工程的需求設(shè)計(jì)橫、縱艙壁。需要特別說明的是，在樁腿附近為滿足設(shè)計(jì)要求需要設(shè)計(jì)強(qiáng)力艙壁。

本文的研究主體是四樁腿的非自航式海上風(fēng)電安裝作業(yè)平臺(tái)。該船的樁腿作為平臺(tái)的主要承重構(gòu)件，承載平臺(tái)升舉后的全部載荷重量，并且將其承受的載荷傳遞到作業(yè)海底位置。該平臺(tái)設(shè)計(jì)最大吊高為主甲板上120 m，配置1臺(tái)最大起重重量7 000 kN的液壓全回轉(zhuǎn)起重機(jī)，完成入樁、起吊等作業(yè)。平臺(tái)艏部配置2臺(tái)450 kW全回轉(zhuǎn)舵槳，艉部配置2臺(tái)710 kW全回轉(zhuǎn)舵槳，由4臺(tái)1 100 kW的柴油發(fā)電機(jī)為平臺(tái)供電。該海上平臺(tái)在風(fēng)電設(shè)備安裝作業(yè)時(shí)可完成安裝塔架、吊裝風(fēng)電機(jī)組及葉片、安裝設(shè)備基座等作業(yè)。

2 關(guān)鍵部位規(guī)范計(jì)算校核

在進(jìn)行樁腿提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，為確保樁腿設(shè)計(jì)的合理性必須對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度分析。通過相關(guān)部位的強(qiáng)度分析，可更加合理地設(shè)計(jì)樁腿吊裝系統(tǒng)，并在滿足各項(xiàng)規(guī)范的基礎(chǔ)上，增加平臺(tái)耐久度[8]。在正常工況下對(duì)樁腿進(jìn)行強(qiáng)度分析，然后選擇最危險(xiǎn)的工況進(jìn)行相應(yīng)檢查。換句話說，風(fēng)、浪和洋流的作用方向是相同的。考慮的具體荷載有：重力作用下的載荷、作用在船體和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)載荷、樁腿流動(dòng)和波浪載荷等。在分析風(fēng)載荷、波載荷和流載荷時(shí)采用的方法為耦合力分析。

在預(yù)加載條件下，環(huán)境載荷不是應(yīng)考慮的主要載荷。為保證環(huán)境載荷對(duì)于結(jié)果的影響最小化，須在良好的氣候條件下進(jìn)行預(yù)加載工作。預(yù)加載工況是利用平臺(tái)自重將2支斜樁腿插入海床，此時(shí)的主要載荷是船體及風(fēng)機(jī)系統(tǒng)重力，平臺(tái)的單樁腿承擔(dān)平臺(tái)重力的一半。

3 有限元仿真校核

對(duì)于新船或超出標(biāo)準(zhǔn)的船只，通常情況下需要對(duì)整船結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算。現(xiàn)階段一般采用有限元法和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的計(jì)算方法，使得復(fù)雜的船舶結(jié)構(gòu)相互作用，創(chuàng)造一個(gè)三維全尺寸模型和有限的元素，并在航行過程中相對(duì)準(zhǔn)確地描述船舶的載荷作用[9]。本文采用的有限元計(jì)算軟件是MSC.Patran、MSC.Nastran，具體步驟如下：

(1)用流體動(dòng)力計(jì)算程序進(jìn)行波浪隨機(jī)載荷的預(yù)報(bào)，按照線性微幅波理論及莫里森(Morrison)公式計(jì)算出各個(gè)樁腿的波浪海流力。

(2)根據(jù)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)及建造規(guī)范》(2020)中風(fēng)載荷計(jì)算要求，計(jì)算出船體外部構(gòu)件的風(fēng)載壓力。

(3)根據(jù)起重機(jī)設(shè)備商提供的起重機(jī)工作極限載荷(傾覆力矩、扭轉(zhuǎn)力矩、垂向力等)計(jì)算出起重機(jī)在各個(gè)角度的工作載荷。

(4)將以上計(jì)算得到的風(fēng)浪流及工作載荷施加在船體上，計(jì)算其變形和應(yīng)力，并進(jìn)行主要結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評(píng)估。

3.1 全船有限元模型

有限元模型包括船體首尾、上甲板、機(jī)艙在內(nèi)全部船體結(jié)構(gòu)部件和相關(guān)受力結(jié)構(gòu)，以及橫向主要受力結(jié)構(gòu)如橫艙壁、強(qiáng)框架等。樁腿的插銷處開孔尺寸為439 mm×430 mm×220 mm。坐標(biāo)系采用笛卡爾坐標(biāo)系：X為船長方向，Y為船寬方向，Z為型深方向。有限元模型及板厚分布分別見圖1、圖2。

根據(jù)本船的工作特點(diǎn)，在起重機(jī)正常作業(yè)之前4個(gè)樁腿已經(jīng)插入海泥中。按照相關(guān)規(guī)范要求，需要將樁腿泥面位置之下3 m部位進(jìn)行絞支約束操作。邊界條件見圖1全船有限元模型示意圖。

圖1 全船有限元模型示意圖

圖2 全船板厚示意圖

3.2 載荷工況

海洋平臺(tái)在進(jìn)行相關(guān)作業(yè)時(shí)，各種條件下的環(huán)境載荷作用會(huì)影響平臺(tái)的工作性能。固定載荷與可變載荷構(gòu)成了工作載荷，波浪載荷與風(fēng)載荷構(gòu)成了環(huán)境載荷。最后，環(huán)境載荷與固定載荷共同構(gòu)成了平臺(tái)所受的主要載荷。本船在半浮工況時(shí)，波高為1.5 m，周期為7 s，水深為10 m，流速為1.5 m/s，風(fēng)速為13.8 m/s，入泥深度為22 m。

3.2.1 可變載荷

可變載荷是由該船的裝載重量及主要結(jié)構(gòu)、舾裝、電氣部分的重量與裝載質(zhì)量組成。為計(jì)算方便并減少計(jì)算量，油水等其他對(duì)船體的壓力和質(zhì)量大的設(shè)備載荷在建模中以添加質(zhì)量點(diǎn)的方法施加，船體的結(jié)構(gòu)質(zhì)量用慣性質(zhì)量的形式施加。該船在半浮狀態(tài)下空船和可變載荷的數(shù)據(jù)見表1。

3.2.2 波流載荷的確定

結(jié)合實(shí)際情況和計(jì)算要求來設(shè)計(jì)載荷工況，樁腿處的波流載荷采用STOKES 5階波理論。該方法為：設(shè)定一豎直柱體豎立在水深為d的海底，入射波波高為H，沿著X軸正方向入射。

單柱的受力計(jì)算結(jié)果如下：整個(gè)柱體上的水平波浪力FH為335 kN，總水平力對(duì)海底的彎矩MH為3 013 kN·m。主船體所受的波流載荷見表2。

表1 空船及可變載荷數(shù)據(jù)匯總

3.2.3 起重設(shè)備工作載荷

在起重機(jī)頂部端面施加扭轉(zhuǎn)、傾覆等力矩并且還要考慮最大徑向力和垂向力的作用。2 000 kN旋轉(zhuǎn)工況下起重設(shè)備數(shù)據(jù)如下：最大垂向力為16 800 kN，最大傾覆力矩為174 595 kN·m，最大回轉(zhuǎn)扭矩為9 046.25 kN·m，最大徑向力為926 kN。吊機(jī)作業(yè)角度見圖3。

3.2.4 風(fēng)載荷計(jì)算

本船半浮狀態(tài)的設(shè)計(jì)風(fēng)速為13.8 m/s，根據(jù)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)及建造規(guī)范》(2020)第2章第2節(jié)要求，計(jì)算得到的風(fēng)壓P為0.116 74 kPa。由于起重機(jī)的吊臂受風(fēng)的載荷在工作載荷中已考慮，故在風(fēng)載荷計(jì)算過程中不再重復(fù)敘述計(jì)算過程。風(fēng)載荷匯總表見表3。

3.2.5 計(jì)算工況

根據(jù)樁腿插入海泥深度及水深情況，分別計(jì)算主船體處于0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m吃水下的工況。考慮的載荷條件參考上文，本計(jì)算中環(huán)境載荷(風(fēng)浪流載荷)取值與吊機(jī)作業(yè)角度取值相同，參考圖3。

表2 波流載荷匯總表

圖3 吊機(jī)作業(yè)角度示意圖

表3 風(fēng)載荷匯總表

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)及建造規(guī)范》(2020)強(qiáng)度校核要求，平臺(tái)主體框架的結(jié)構(gòu)構(gòu)件分析需要按照下式規(guī)定確定其許用應(yīng)力值[σ]：

[σ]=[σs]/S

式中：[σs]為材料屈服強(qiáng)度；S為安全系數(shù)。

普通強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度為235 MPa，高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度為355 MPa，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 各工況匯總表

全部工況下船體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值見表5。

表5 各工況下校核結(jié)果匯總表

各工況下樁腿最大對(duì)地壓力數(shù)據(jù)見表6。在平臺(tái)吊裝作業(yè)或風(fēng)暴自存狀態(tài)下，受環(huán)境載荷影響，樁靴對(duì)地壓力可能暫時(shí)超過設(shè)定的對(duì)地壓力值，或樁靴地基因處于偏心受荷狀態(tài)而導(dǎo)致地基承載力有所下降。此時(shí)若堅(jiān)實(shí)土層提供的極限承載力不足，樁靴地基可能會(huì)發(fā)生穿刺破壞。

表6 各工況下樁腿最大對(duì)地壓力匯總表

計(jì)算結(jié)果表明所有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值均小于許用值，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足船級(jí)社規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本文以非自航式海上風(fēng)電安裝作業(yè)平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)其關(guān)鍵部位即平臺(tái)的升降裝置的工作原理、特點(diǎn)和主要類型進(jìn)行分析。然后在該平臺(tái)的相關(guān)設(shè)計(jì)滿足各種技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行耦合力分析，并結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，完成校核檢驗(yàn)工作。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析從而驗(yàn)證了該升降系統(tǒng)的合理性與可靠性并且在多種工況下都滿足相關(guān)規(guī)范要求，為此類非自航式海上風(fēng)電安裝作業(yè)平臺(tái)的平臺(tái)升降裝置的設(shè)計(jì)提供一種校核檢驗(yàn)的方法，可以提高平臺(tái)的安全性和耐久度，同時(shí)計(jì)算方法相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。