液壓插銷自升式海上風電作業平臺設計淺談

南通潤邦海洋工程裝備有限公司 江蘇 啟東 226255

引言

海上風電作業平臺是一種全新的海洋工程船舶，主要用于海上風力發電機的運輸和吊裝，它將運輸船、作業船、起重船以及生活供給船的多項功能完美地融為一體，另外還裝有先進的動力定位系統和自動控制系統，操作靈活自如，可以獨立完成上述運輸和安裝，全過程無須其他船舶協助。目前海上風電作業平臺的主流趨勢是：動力定位、自升式、大噸位吊機、自航式、大可變載荷。

1 總布置圖設計

先擬定能反映總布置大概輪廓布局的草圖，劃出各種不用用途的艙室，初步確定作業設備及其他設備的布置。根據初步布置的草圖，初步校核平臺的完整穩性和破艙穩性等主要性能，并根據分析結果對布置進行適當調整。確定總體大致布局后，根據規范和標準進行船用設備的選型及布置，并對生活區艙室細致的進行布置。完成此總布置圖后，再結合其他各專業反饋的特殊要求等，繪出正式的總布置圖并初步估算空船的重量重心位置，若重心位置不在樁腿對角線交點的附近，繼續優化總圖，直至調整重心到合適的位置[1]。

2 主船體結構設計

結構根據 CCS《海上移動平臺入級與建造規范》及修改通報，并參考 CCS《鋼質海船入級規范》及修改通報的有關要求進行設計。平臺結構構件（包括舷側板、甲板板、底板、艙壁板、桁材和骨材）通過規范計算與有限元分析相結合的方法來確定，力求具有合理的結構形式和最佳的材料使用率。主船體結構設計一般采用縱骨架式，使用H36級高強度鋼。

海上風電作業平臺工況復雜，有拖航、作業、舉升、待命、自存等不同工況，各工況下承受的環境載荷和設計載荷均不同。通常的規范計算設計方法不能滿足優化設計的要求，平臺結構件通過規范計算與有限元分析相結合的方法來確定，即先通過規范計算確定結構大致規格，再用有限元計算的方式，計算各工況的結構受力，在保證結構總縱強度和局部強度的情況下，降低非強受力區域的構件規格，并根據有限元計算結果，優化結構形式。在結構優化設計中，合理使用高強度鋼，對高受力區域采用高強度鋼，這樣亦可降低船體重量。

（1）船體主桁架結構。主桁結構是連接樁腿圍阱，傳遞載荷的強力結構，是自升式風電作業平臺主體部分的主要構件，直接承受升降系統傳遞到平臺主體的巨大載荷。縱向主桁由舷側板、縱艙壁及其之間的甲板和底板組成，橫向主桁由連接樁腿圍阱的橫艙壁及其之間的甲板和底板組成，此部分的構件計算按照筆者經驗，樁井四周的甲板、底板、舷側板、縱艙壁及橫艙壁在第一次進行規范計算時，取值一般應達到其他部分要求計算值的2倍，再用有限元計算的方式，校核并優化結構。

（2）上層建筑結構設計。上層建筑結構設計一般采用橫骨架式，使用船用低碳鋼，在上建構件端部設計時，需特別注意節點處理，保證有足夠的空間以便內舾裝設計，另外，自升式海上風電平臺設有大型海上吊機，一般起重能力不小于600噸，起重機擱臂架一般布置在上建位置，需特別注意擱臂架位置的加強結構設計。由于上建一般使用材料較薄，大約7～8mm左右，而擱臂架加強結構較大，一般至少20mm以上，設計時應注意板厚的均勻過渡，避免應力集中或者應力突變[2]。

3 樁腿樁靴設計

海上風電作業平臺是由一個駁船型船體和4個能夠升降的樁腿所組成的海上自升式平臺。這些可升降的樁腿能將船體上升到海面以上一定高度，支撐整個平臺的海上作業。樁腿的作用主要在平臺升起后支撐平臺的全部重量，并把載荷傳至海底。為適應海底地貌和土質的不同情況，樁腿下端結構一般設計成單獨帶樁腿箱，亦稱樁靴，或設計整體沉墊的形式。

（1）樁靴設計。帶樁靴的樁腿一般可兼顧軟硬地基的要求。對較硬的海底，樁靴設計成具有較小的支撐面，甚至略帶錐形；對較軟的海底，樁靴的平面形狀有圓形、方形和多邊形。樁靴是自升式海洋平臺重要的組成部分，起著支撐平臺的作用。樁靴結構的可靠性對于保證平臺穩定具有決定性的作用。海上風電作業平臺主要是沿海施工，國內潮間帶灘涂海域的海底淤泥都很深，一般樁靴無法滿足支撐及拔樁要求。我們采取新型的樁靴設計，加大了樁靴的接觸面積，以獲得更大的承載力，安全可靠，增加了平臺的穩定性，且能避免插樁深度超過平臺限制。為了拔樁的方便，樁靴設計成略帶錐形。筆者參與設計的自升式海上作業平臺在東海大橋風電維修施工過程中，樁腿入泥20m，東海大橋風電維修項目的成功實施，充分說明了本樁靴的可靠實用性。

（2）樁腿設計。樁腿的主要功能是為船體作業甲板提供支撐，并將平臺所受的載荷傳遞到海底。樁腿的結構安全直接關系到整個平臺的安全。樁腿的形式可分為殼體式和桁架式，殼體式樁腿一般用于工作水深不大于70m的淺海，桁架式一般多用于深海。在保證樁腿結構安全的前提下，不斷優化樁腿結構形式使其受力更加合理并且經濟性更加。樁腿的結構優化采用有限元分析的方式，應用PATRAN/NASTRAN建立樁腿結構的有限元模型，并根據規范要求給樁腿施加風浪流等載荷，選取典型工況，對樁腿和樁靴的結構強度進行計算。在滿足結構強度的條件下，優化樁腿直徑與厚度的比值，讓樁腿的重量最輕[3]。

4 結束語

開發可再生能源是當前中國國家發展的重要環節。研究開發新型海洋風電平臺是促進我國海洋風能源至關緊要的一步，通過平臺設計建造及營運經驗的積累和歸納總結，參與國際范圍內風電行業的規范或規則的編寫與升級，在另一個高度上長遠的確保我國在國際風電市場上的經濟利益。