海上風電風機安裝坐底船下潛過程中穩性分析

吳春林，杜宇

（1.中交三航局寧波分公司，浙江 寧波 315200；2.中交第三航務工程局有限公司，上海 200332）

某海上風電項目基礎采用高樁高承臺結構型式，風機安裝采用分體吊裝工藝，其中，一種風機吊裝型式為坐底式分體吊裝。坐底式船舶顧名思義是將船體坐在海床上達到船體穩性的要求，在坐底過程中，船需從浮態通過加水壓艙逐步下潛，最終下潛至海床上，經壓艙到一定壓力值，從而滿足船體坐底要求。在坐底逐步下潛過程中，船體因受海流面積逐漸增大，船體受水流荷載也逐步增加，影響船體整體穩性。下潛是風機坐底安裝船實現成功坐底至關重要的程序，也具有一定技術難度，現以風電坐底船 三航工 下潛穩性進行分析，從而保證坐底船的施工安全。

1 半潛穩性

坐底船性能：

“三航工5”船體照片見圖1，船舶主要參數見表1。

圖1 “三航工5”

表1 “三航工5” 半潛駁參數表

表2 “三航工5”半潛駁作業條件

采用三航工5起重船進行風電機組的坐底安裝作業（如表2）。當地海浪條件較緩和但海流較為強勁，冬夏兩季各測點的最大流速均大于半潛作業的限制海流流速（1.5m/s）。因此，需要對大流速下 三航工5”下潛操作進行分析。

2 船舶穩性

2.1 海流對穩性的影響

當海流作用在船舶結構上時，由于流體的黏性作用，船體迎流面和背流面將產生壓差，從而形成海流力（實質是拖曳力）。當船舶運動速度低于海流流速時，將始終存在一個不為零的拖曳力，使得船舶加速，直至船舶速度與海流速度相同時，海流力為零。此時，船舶將不再繼續加速，而將與海流同速運動，這種現象被稱為漂移。在這一過程中船舶相對于空氣也在運動，與空氣的相對運動則會產生一個風荷載。但由于相對速度較小，且空氣的密度只有海水密度的千分之一，因此，由船舶運動引起的風荷載相對于海流力是非常微弱的，因而風荷載與海流力無法形成一個足夠大的力偶使得船舶出現明顯傾斜。因此，可以得到這樣一個結論：當海流單獨作用給船舶時，船舶的主要運動是漂移，進而可以認為單獨作用的海流力不會引起船舶穩性問題。這也是船舶穩性規范不考慮海流作用的原因。

2.2 海流與系泊同時作用對穩性的影響

在 三航工 實際下潛過程中，船舶將始終錨泊定位，以避免船舶的漂移。嚴格來說，海流力將與系泊力形成一對力偶，這個力偶是可以引起船舶明顯傾斜的。然而， 三航工 采用八字形系泊，這樣海流力形成的傾覆彎矩是通過迎流面和背流面兩側的系泊力形成的復原力矩來抵消。由于系泊纜的剛度很大，微小的船舶傾斜就可以產生較大的系泊力復原力矩。在八字形系泊條件下，海流力引起的船舶傾斜將非常微小，可以忽略不計，因此，可認為在八字系泊條件下，海流亦不對 三航工 的穩性造成影響。

2.3 “三航工5”半潛穩性校核與海流限制條件

基于海流對穩性影響極小的原因，國際上一般采用的穩性約束條件及相應衡準均未對海流進行限制。在 三航工的操作手冊上對半潛作業時的海流流速進行了限定（流速不大于1.5m/s），其主要的考慮是為避免船舶在下潛過程中走錨。

3 半潛作業錨固定位

三航工 半潛作業所需要的窗口期較短，通常可以在1.5小時內完成下潛或起浮操作。通常會選擇海上涌浪微小的時刻進行相關作業。由于 三航工 曾經在下潛過程中出現過走錨現象，因此將結合現場走錨的現場還原，反向推算 三航工 在底質條件下的錨抓地力，并以此為依據，推薦下潛作業過程中的海流流速限制條件。 三航工 的艏錨設計采用CCS《鋼制海船入級規范》臨時系泊有關規定進行設計，錨的設計依據是通過舾裝數進行確定。基于舾裝數設計的錨及相關設備主要是為了滿足在港口或遮蔽海域等待臨時靠泊條件下的臨時系泊。對于阻止船舶運動或漂移，基于舾裝數的設計方法可能無法滿足要求。

基于舾裝數的錨設計所考慮的船舶工況和環境條件是：（1）船艏拋錨，呈類似單點系泊狀態；（2）此時，風與海流同向的環境條件最為苛刻；（3）設計風速為25m/s，海流流速2.5m/s；（4）海底具有較好地地質條件，能夠提供給錨較大的抓地力；同時， 三航工5”的舾裝數計算考慮的是航行吃水而非半潛吃水。在半潛作業條件下，面對復雜海況條件是存在走錨風險的。根據風場環境條件和實際施工作業操作，以下三個主要因素可能會造成“三航工5”的走錨：①下潛過程中，受流面積增大；②對于錨的抓地力來說，岱山風場海底底質條件較差；③八字形系泊方式對錨泊力有折減效應。

可能引起走錨的因素：

（1）下潛過程中，受流面積增大。基于舾裝數方法進行錨泊設計時，考慮的海流流速是2.5m/s，風速是25m/s。隨著 三航工 的下潛，一部分原本受到風荷載作用的區域將浸沒至海平面以下，從受風荷載變為受流荷載作用。而由于海水的密度是空氣密度的一千倍，這部分受到海流作用的伯努利型壓力（F=0.5ρAV2）為其受到風作用的伯努利型壓力的10倍（考慮風速25m/s，流速2.5m/s），這樣船舶所需要的錨泊力就大大的增加了，若原船基于舾裝數設計的錨泊力無法滿足增大的荷載，則會出現走錨的現象。

（2）海底底質條件。基于舾裝數方法進行錨泊設計時，所考慮的臨時系泊假設海底底質條件較好，這樣可以提供給錨較為充足的抓地力。然而，根據風場的地勘資料，風場場址表層為淤泥層，其厚度高達十余至數十米。目前，從多份資料調研結果來看，淤泥底質的海床提供給錨的抓地力較差，在淤泥底質條件下， 三航工5”所采用的海軍無桿錨的抓地力只有錨重的3倍左右。

（3）八字系泊。基于舾裝數方法進行的錨泊設計默認采用艏拋錨方式進行錨泊定位。當船艏的兩或三支錨沉入海床之后，船舶的整體系泊將類似于單點系泊的型式，此時，多根錨鏈的方向基本一致并拉住船舶。當船舶受到環境荷載作用時，錨鏈的方向將與環境荷載的合力方向相反，相互平衡抵消。這種系泊狀態，充分利用了船舶自身的運動，減小了錨泊力。而采用八字系泊時，兩根錨成90度夾角，此時，平衡外界環境荷載的錨泊力僅是錨鏈拉力的分力。若錨鏈纜繩的出纜角度是船艏偏向45度，則有效平衡外界環境荷載的錨鏈拉力大概只有全部錨鏈拉力的70%。當然需要說明的是 三航工 采用八字系泊下潛是正確的做法，因為 三航工 必須考慮坐底后的船舶姿態以及保證下潛/上浮過程中與施工結構物之間的相對位置。雖然八字系泊在受力角度上并非最佳，但從控制和限制船舶方位姿態的角度來說，是唯一的選擇。

4 結語

綜上所述，海上風電項目風機坐底船在下潛過程中主要受船體本身的受流面積、海床的地質土層性能和船錨位系統下潛過程中高差等因素影響，從而影響船體下潛時的穩性，因此，為保證坐底船在下潛過程中穩性，需從主觀能夠改變的因素進行優化，船體受流可控制船體坐底方向順流下潛；選擇潮流相對小的時機進行下潛；下潛時間盡量加快，減少船體下潛浮態時間；通過以上幾種措施，有針對性地保證海上風電坐底船在下潛過程中的穩性，為項目的安全推進奠定基礎。