風電平臺桁架式樁腿RPD測量與分析

徐進初，張 磊，李英強

（1. 中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 511462；2. 交通運輸部 廣州打撈局，廣東 廣州 510260）

0 引 言

近年來，風電安裝平臺的作業水深逐漸增加，傳統的圓柱形和多邊形樁腿難以滿足深水區域耐波性的需求，一般超過50m水深之后，樁腿受波、浪、流等因素的影響顯著增大，在此情況下，桁架式樁腿應需而生。但是，與鉆井平臺相比，風電安裝平臺對升降速度的要求較高，需頻繁使用。因此，在短時間內高頻率使用升降系統時，對桁架變形進行控制是比較關鍵的。

本文依托中船黃埔文沖船舶有限公司某型桁架式樁腿的風電安裝平臺全程升降試驗，對全程升降過程中遇到的同一樁腿上不同主弦管齒條升降距離差異值（Rack Phase Difference, RPD）較大的問題進行分析。

1 風電安裝平臺與鉆井平臺桁架式樁腿升降系統特點

1) 在升降系統使用頻率方面：風電安裝平臺一般3～5d可完成1臺風機的安裝，隨后到下一個地點；鉆井平臺一般在站立點停留0.5a；風電安裝平臺升降系統的使用壽命一般為全程升降2000次，而鉆井平臺的使用壽命一般為400h；

2) 在升降速度方面：風電安裝平臺的作業頻率高，其升降速度比鉆井平臺快，一般為36m/h，而鉆井平臺的升降速度一般為12m/h。

由于升降頻率和升降速度有區別，風電安裝平臺作業在使用桁架式樁腿時會與鉆井平臺有一定的區別，這主要是因為：

1) 升降作業頻率高，風電安裝平臺作業升降齒輪的使用壽命更長，且每根主弦管上齒輪布置的層數更多，一般鉆井平臺為不超過3層，本項目為4層；

2) 固定作業時間短，本項目與鉆井平臺相比，不配置鎖緊裝置。

2 桁架式樁腿風電安裝平臺升降過程和RPD測量

2.1 項目概況

本文所述項目的風電安裝平臺重約12000t，單個升降單元的額定升降能力為170t，預壓載時為258t。樁腿上每個弦管布置8個升降單元，單個主弦管的額定升降能力為1360t，單個樁腿的額定升降能力為4080t。單個樁腿的預壓載升降能力為6192t。樁腿布置見圖1～圖3。

圖1 單個弦管升降單元布置

圖2 單個樁腿弦管布置

項目所在碼頭區域的水深約為8m，入泥深度約為10m；預壓載氣隙高度為1.5m。由于試驗是在碼頭進行的，天氣良好，風力2級，因此風、浪、流載荷對樁腿的載荷可忽略不計。

圖3 樁腿總體布置圖

2.2 試驗過程

1) 階段1：升降系統檢查。該階段在平臺漂浮狀態下進行，通過空船重量核查確定平臺的狀態，確認艙內油和水的狀態。確認升降裝置的機械和電氣系統運行正常；進行安保系統報驗，確保其運行正常。

2) 階段2：最大靜態預壓載壓樁。下降4條樁腿，樁靴觸底，使平臺提升至氣隙約0.2m。通過提升1號樁腿和4號樁腿，使2號樁腿和3號樁腿單腿受力達到約6192t。保持觀察約15min，若無明顯下沉，進行下一步。通過提升2號樁腿和3號樁腿，使1號樁腿和4號樁腿單腿受力達到約6192t。保持觀察約15min，如無明顯下沉，進行下一步。

3) 階段3：額定升降。從氣隙約0.2m處提升平臺至約氣隙2m，停止升降，觀察剎車等是否正常，記錄相關數據。從氣隙約2m處下降平臺至約氣隙0.2m，停止升降，觀察剎車等是否正常，記錄相關數據。

4) 階段4：全程升降。進行平臺上升試驗，從站樁氣隙（約3m）升降平臺至最高限位81.6m位置（以入泥最深的樁腿最高限位為準）停止，記錄相關數據[1]。

5) 階段5：拔樁。將平臺下降至水線以下，根據樁腿受力情況進行拔樁，拔樁時單樁腿受力不允許超過4080t，可根據現場具體情況采用四腿拔樁、兩腿拔樁和單腿拔樁互相結合的方式拔樁，拔樁的同時進行沖樁。

在階段2～階段4時對RPD進行測量，將測量數據反饋到中控臺。

2.3 試驗過程中出現的問題

試驗過程中，為確保試驗安全進行，采用2種方式測量樁腿的RPD，即電氣設備系統測量和人員手動工裝測量。

1) 對于電氣設備系統測量，采用安裝在固樁室頂的設備測量樁腿每根弦管單獨移動的速度，根據升降時間內移動的速度差值（Rack Phase Velocity, RPV），可得出每條樁腿在單位時間內的RPD，然后將該差值傳遞到中控臺進行控制。

2) 對于人員手動工裝測量，由于是第一次升降試驗，為保證升降試驗順利進行，安排人員在每個樁腿弦管處用齒條卡板工裝手工測量RPD，每上升1個齒距，將測量數據報給中控室對比1次。手動工裝測量主要是操作人員用鋁合金、塑料和木頭等輕質材料制成弦管形變量測量板進行測量，具體見圖4。

測量過程中發現：在上述階段2，最大靜態預壓載壓樁對角壓樁過程中，樁腿負荷達到預壓載能力6192t，單個升降單元負荷達到258t，此時4條樁腿的RPD都普遍偏大，接近報警值40mm；在階段4，全程升降上升過程中，有一條樁腿的RPD難以控制，當樁腿上的電機功率分配不均衡時，RPD極易超過40mm的報警值，最大達到過70mm，被緊急停止，導致升降速度超慢[2]。

圖4 用齒條式弦管形變量測量板測量示意

3 樁腿主弦管RPD超差原因分析

3.1 模型初步分析

8m水深的模型計算結果，桿件高應力區域在樁靴附近；60m水深的模型計算結果，桿件高應力區域在下導向附近；下導向在樁腿不同點對樁腿構件強度的影響較小；對比分析發現，樁腿強度的薄弱之處主要在水平桿中間點，在個別方向的載荷條件下，弦桿會出現弱點[3]；在8m水深的計算分析中，忽略升降系統因弦桿間運動位移偏差而產生的額外彎矩，僅在樁靴處約加載彎矩P=1.3×108N·m，上導向與下導向之間的水平桿可能發生變形；假設預壓載時水平桿達到變形臨界狀態，預壓載之后升降時偏心彎矩實為50%預壓載時的數值，即0.5P=6.5×107N·m，可推測升降系統在2.5m起升過程中升降齒輪弦桿間位移進一步偏差帶來的彎矩為M＞6.5×107N·m。

3.2 全程升降試驗分析

1) 當某條樁腿樁靴所在海底不平整時，會帶來初始的RPD，預壓載時升降距離短，RPD沒有增大，只保持了初始值。但是，在后續全程升降過程中有單個升降單元電機功率分配不均勻，極易使RPD超過報警值，出現上述階段4中的全程升降慢的問題[4]。

2) 對于升降系統，除了齒輪運動控制系統需改善以外，還需適當限制最大升降能力，目前是265t，對應于正常升降能力170t超出了56%，四腿升降船一般設定為大于20%，因此最大升降能力可設定為200t。在170t正常升降能力下，四樁腿對平臺的舉升力為15014t，此舉升力在升降環境條件和船舶完全正浮狀態下，滿足升降操作的負荷要求。因此，過大的升降能力對全程升降貢獻不大，只會增加通過RPD控制升降操作的難度。

正常升降平均負荷為156t，若限定值為265t，則弦桿最大齒輪載荷為1950t，另外兩弦齒輪載荷最小值為750t，樁腿中心產生的最大彎矩為4.528×107N·m；若限定值為200t，則弦桿最大齒輪載荷為1472t，另外兩弦齒輪載荷最小值為989t，樁腿中心產生的最大彎矩為1.823×107N·m。

上述差值非常明顯，因此在預壓載完成之后，在全程升降過程中，將升降系統的單個升降單元負荷限定在200t比較合適。

3.3 分析結論

1) 在階段2，最大靜態預壓載壓樁時，單個升降單元的壓載能力大，RPD超差風險較大，需仔細測量控制，防止樁腿變形。

2) 在階段4，全程升降過程中，若有樁腿所在地質不平整，導致樁腿上各弦管受力不均勻，當弦管上電機單元功率不均勻時，該受力差值會進一步增大，導致RPD增大，進而可能超過RPD的報警值。

4 針對樁腿主弦管RPD超差的具體控制措施

4.1 設計院方改進措施

1) 在控制系統中給出每個升降單元的最大載荷，當超過該載荷時，升降單元將報警或停止工作；

2) 增加RPD過大時的限位裝置設計；

3) 確認RPD的極限，即超過何值時樁腿弦管會變形；

4) 提高樁腿強度并安裝針對樁腿上弦管的限位裝置，在各方位對弦管進行限制，以便對角壓樁時和地質不平整時能更好地固定。

4.2 升降設備廠家措施

1) 保證中控臺上的RPD測量準確；

2) 保證中控臺上樁腿每個升降單元的載荷顯示準確[5]。

4.3 業主使用時預防措施

1) 全程升降前進行詳細的地質探測，防止樁腿站立處地質不平整；

2) 全程升降時安排人員在樁腿弦管的限位裝置處觀察，若導向限位裝置摩擦聲音較大，則及時通知[6]；

3) 安排人員在中控臺處值班，當單個弦管上升降單元的載荷比相鄰弦管上升降單元的載荷大時，及時調整弦管位移；

4) 當處于站立狀態時，若某個樁腿上的載荷與其他樁腿載荷相差較大，則及時調整單個樁腿的升降位移。

5 結 語

本文所述風電安裝平臺重達12000t，為使其在60m水深處作業，配置了桁架式樁腿。由于該風電安裝平臺的升降速度比鉆井平臺的升降速度快，因此在全程升降過程中需進行細致的調試和測量。

通過實際測量和分析可知：在全程升降過程中，在允許的作業工況下，海床的平整度、升降單元的最大載荷和升降系統限位裝置對RPD的影響較大，因此在全程升降開始之前對這些因素進行優化，可保證升降速度，確保樁腿結構穩定。該研究對后續采用桁架式樁腿的風電安裝平臺設計有參考意義。