海上風電安裝平臺插拔樁作業潛在風險分析

許結芳，劉會濤，徐天殷，劉 偉，吳平平，蔡舒鵬，金 曄，張永康

（1.廣東精銦海洋工程股份有限公司，廣東佛山 528244；2.廣東工業大學機電工程學院，廣州 510006；3.中鐵建港航局集團有限公司，廣東珠海 519075）

0 引言

隨著“雙碳目標”的加速落實和“十四五”的規劃下，海上風電這一可再生的清潔能源受到了極大關注。由于我國東南沿海海上風電資源豐富，且靠近我國的用電負荷中心，消納方便，這就導致了海上風電安裝平臺的數量越來越多，進行海上風電安裝作業的次數越來越多，而海上風電安裝平臺出現事故也日益增多。本文主要分析自升式海上風電安裝平臺在進行插拔樁作業時，有哪些潛在風險。

自升式海上風電安裝平臺在進行插拔樁作業時都會受到許多因素的影響，比如海床的地質、地形和地貌，海上天氣因素，潮水的漲退，以及操作人員的能力水平等。插拔樁作業的成功是自升式海上風電安裝平臺是否能夠進行風電安裝的關鍵性步驟，所以為了提高插拔樁作業的成功率，分析插拔樁作業中的潛在風險并提出相應的解決對策和預防措施是非常有必要的。

本文以某液壓插銷式海上風電安裝平臺為例，對插拔樁作業中可能出現的一些潛在風險進行原因分析，并采取針對性措施來預防風險的出現。該海上風電安裝平臺有4根圓柱形樁腿，采用的是液壓插銷式雙動環梁連續升降系統，單樁舉升能力5 600 t，單樁拔升能力6 000 t。船體橫傾和縱傾報警角度為0.5°，船體橫傾和縱傾停機角度為1°。該自升式海上風電安裝平臺的升降系統可以以連續方式使樁腿升降、壓樁和插拔樁腿。

1 升降系統的組成

1.1 升降裝置組成部分

升降裝置是用于實現船體平臺的升降、支持的動作機構，采用油缸倒掛式，主要包含高位環梁、低位環梁、升降油缸、插銷裝置等部件。整船配置4個獨立液壓站作為動力源，由電控系統對升降系統與液壓站進行控制。其升降裝置組成示意圖如圖1所示。

圖1 液壓插銷式海上風電安裝平臺的升降設備

（1）高、低位環梁

高位環梁內置于固樁室內，鋼板焊接而成的環型鋼結構。環梁通過銷軸與升降油缸鉸接，環梁側邊均布4個插銷孔套，用以裝配樁腿插銷，對于圓形樁腿平臺，環梁設防轉導向結構，與固樁室配合導向。

低位環梁內置于固樁室內，鋼板焊接而成的環型鋼結構。環梁通過銷軸與升降油缸鉸接，環梁側邊均布4個插銷孔套，用以裝配樁腿插銷，對于圓形樁腿平臺，環梁設防轉導向結構，與固樁室配合導向。

（2）升降插銷

根據升降系統的插銷形式布置有等距圓形銷孔，銷孔直徑約670 mm，銷軸采用扁銷，高度約590 mm。上下接觸面曲率半徑與銷孔一致。

（3）高、低位環梁升降油缸

升降油缸用于船體及樁腿的升降動作。由于油缸活塞桿會長時間裸露于海洋環境中，升降油缸活塞桿必須采用防海水腐蝕的材料在表面覆蓋。升降油缸雙端有耳板連接，帶關節軸承。每2件升降油缸均應設置1套與活塞桿配套的行程檢測傳感器，可實現全行程范圍內任意位置定位和檢測位置的唯一性。行程檢測不受斷電影響，不受電源信號干擾的影響。

（4）插銷油缸

每套樁腿有8套插銷裝置，每個插銷裝置通過一個雙作用油缸推動，用于插銷的插入和拔出。

（5）液壓系統

液壓系統主要由液壓泵站、主控制閥組、油缸控制閥組以及相應的管路組成。其中每套泵站包含了電機、液壓泵組、泵出口閥組、蓄能器、油箱、冷卻器和附件組成。其中，附件包含液位傳感器、加熱器、溫度傳感器、過濾器等。全船共有4臺液壓泵站，分別布置在船艏和船艉的艙室內。

1.2 升降控制系統組成和功能

電氣控制系統由集中控制系統、機旁控制系統、主泵起動系統和CCTV系統等組成。系統默認預留1路常閉無源綜合報警信號給船舶自動化監控系統，還應與平臺升樁輔助計算系統進行通訊，提供樁壓、平臺姿態等參數。該系統除了有正常的控制4條樁腿在自動、半自動和手動3種模式下的升降功能外，最主要的是船體傾斜保護功能。當船體傾斜角度超過報警預設定值后，進行自動報警，并提示人工干預調整；超過停機預定值后，停止升、降工作。在船體升降過程中，如需要進行超過規定傾斜角度的操作或電子測斜儀失靈時，可使用傾斜保護忽略功能，此時船體傾斜角度超過報警預設定值后，升降系統不會停機。

2 升降系統的工作原理

作業船航行到達工作地點后，升降系統帶動樁腿下放至海底，進行插樁；插樁后，繼續升降直至船體離開海面，進行對角線壓樁；對角線壓樁完成后，繼續升船達到工作氣隙后即可進行工作。工作完成后，通過升降系統進行降船、拔樁等一系列動作后，可恢復到航行狀態。液壓插銷式升降系統的升降原理由3個動作組成，分別是樁腿下降、插樁及壓樁和拔樁。

樁腿下降動作是利用高低位環梁的升降油缸伸出動作依次帶動樁腿運動。在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，高位環梁帶動樁腿移動，直到下一個銷孔位置。此時，低位環梁也移動了一個銷孔節距并插入銷孔。然后，高位環梁插銷拔出，低位環梁帶動樁腿移動，直到下一個銷孔位置。重復以上步驟，直到樁腿接觸到海底為止，完成樁腿下降動作。

當4條樁腿全部接觸海底且船體處于水平位置時，開始插樁動作。升降油缸同時伸出，油缸壓力升高，樁腿壓入海底淤泥需要一段行程。直到壓實后，樁腿不會繼續下降，由于樁腿對船體的反作用力，船體平臺就開始上升，直到船體平臺離開海面，此時開始壓樁動作。壓樁動作是采用對角線兩個樁腿同時進行壓樁，然后換為另外兩個樁腿壓樁。壓樁結束后，需要將作業船升至所需的工作氣隙位置后，高、低位插銷全部插入銷孔中，固樁后作業船就開始作業。

拔樁動作分為3步，一是船體平臺下放至海面，即船體下降；二是船體平臺浮于水面后，進行拔樁；三是當樁腿從海底拔出后，升降油缸收縮移動，進行收樁。拔樁功能主要是利用船體的浮力將樁腿拔松，完成樁腿上升動作。此動作與樁腿下降流程正好相反。以上動作就是整個液壓插銷式海上風電安裝平臺的升降原理。

3 風險識別

本文是針對某液壓插銷式海上風電安裝平臺插拔樁作業中的潛在風險進行分析，在作業過程中，主要潛在風險有插樁穿刺、插樁滑移、沖刷掏空、拔樁失敗以及升降過程中傾斜角過大的風險。這5種風險一旦出現或同時出現都將導致事故的發生。

3.1 插樁穿刺

3.1.1 原因分析

自升式海上風電安裝平臺準備作業時，插樁是第一步。海底土壤情況復雜，經常涉及多種土層交疊的層狀地層，其中一種層狀地基就是“雞蛋殼”地質現象[1]，即上層土壤的表現為硬黏土層，而下表層表現為軟黏土層，在這種地基上進行插樁作業極易發生穿刺現象。一旦穿刺現象發生，可能對平臺的樁腿及其結構造成損傷，更甚者會導致平臺傾覆泡水，出現人員傷亡。

海上平臺出現插樁穿刺現象，大多數是發生在“雞蛋殼”地層上[2]。而插樁穿刺事故還會發生在另一種層狀地基上：上面是“鐵板砂”，下面是黏土的層狀地基。上層“鐵板砂”主要是由粉砂和粉土構成[3]，其強度很大，當樁腿接觸到上層“鐵板砂”地質時，受到的阻力逐漸增大，此時樁腿的載荷上升，樁腿開始插入上層“鐵板砂”層。而“鐵板砂”地層厚度在2～6 m，樁腿在高載荷下極易穿透到達軟黏土層。此時樁腿由于阻力突然減小，就會不受控制地快速下沉，造成穿刺事故。

由于平臺作業前，人為計算海底土層的承載能力時判斷失誤或對地質的勘探沒有做足工作，盲目作業，就會帶來穿刺風險。所以除了地質問題，人為原因也是導致穿刺現象發生的另一個主要原因。插樁動作完成后，在壓樁過程中，也會發生穿刺危險。壓樁時，樁腿未能穿透非承重層，即未壓樁壓實，在此情況下會導致未壓實的樁腿承重超出其能力，導致平臺傾覆。

3.1.2 事故案例分析

2015年5月5日，墨西哥國家石油公司Pemax的Troll Solution自升式海上平臺在墨西哥東南部沿岸近海海域傾斜。事故現場如圖2所示。

圖2 Troll Solution事故現場

Troll Solution自升式海上平臺在就位插樁完成之后，開始平臺上的設備維護保養時，其中一條樁腿發生了穿刺現象，導致平臺嚴重傾斜，造成了2人死亡，10人受傷，101人緊急撤離。平臺不僅僅是發生了傾斜，由于樁腿的損壞，平臺在不斷傾斜，最終坍塌沉沒在水深30 m的海床。通過對這一事故的分析發現，樁腿穿刺發生后，會導致平臺傾斜，樁腿結構損壞。而且還會發生繼續傾斜現象，最終導致平臺沉沒。

3.2 插樁滑移

插樁滑移是自升式海上風電安裝平臺作業時的潛在風險之一。由于我國對海洋資源的開發，除了以往的海上鉆井平臺留下的樁坑，現在海上風電發展迅速，其海上風電安裝船的作業次數增加，會有越來越多的樁坑留下[4]。一旦新平臺在上一個平臺鄰近、甚至同樣的位置進行作業時，就會發生樁腿在上一個作業平臺留下的樁坑附近插入海床。這種現象叫做“踩腳印”[5]，如圖3所示。

圖3 插樁時“踩腳印”

“踩腳印”現象發生時，由于之前留下的樁坑已經破壞了土層結構，新的樁靴接觸海床時，由于海底土層的傾斜，會導致其承載力不均勻，就會使樁靴滑向舊樁坑的中心，這樣就會導致樁腿結構受損，失去樁腿的承載作用，嚴重的會導致整個平臺傾斜，最終傾覆。

3.3 沖刷掏空

沖刷掏空現象是指海床上的泥沙在水流作用下，被水流帶走，漸漸在原地會形成一個沖刷坑。當自升式海上風電裝平臺進行插樁時，樁腿下放到海床上的時候會改變該區域穩定的淺海流場和波浪場[6]，波浪會因樁腿產生受阻影響，并產生一個水平方向的沖擊載荷，這樣就會帶動泥沙，形成了波浪松動泥沙，而海水就作為泥沙的載體，掏空樁靴插入附近的泥沙，如圖4所示。

圖4 沖刷掏空過程

海床表面的地質性質也決定了平臺是否會發生沖刷掏空危險。如果海床表面以粉砂和淤泥為主，這種地質最容易被海浪侵蝕和海水轉運。季風氣候的影響，會導致持續的大風和大浪，平臺受到的水平載荷非常大[7]。插樁位置的地形因素過于復雜，存在一些傾斜地貌，坡度大，或者凹凸不平，插樁作業完成后，平臺可能短時間不會受影響，而在水流的沖刷下，會漸漸掏空樁靴附近的泥沙，最終導致滑移事故發生。

3.4 拔樁失敗

海上風電安裝平臺在結束安裝作業后，需要拔樁后前往下一個作業點，平臺拔樁過程中，會在漲潮時將作業平臺下降至海平面，利用自身浮力協助拔樁，此時，存在拔樁失敗的風險。拔樁過程的阻礙由3部分構成：樁靴底部與海底形成真空層后的吸附力，樁靴側面與泥土之間的摩擦力，樁靴上部回填的泥土砂石的重力。拔樁過程中，任一個或幾個阻礙沒有克服，都會導致拔樁失敗。

平臺在長時間的站立以及壓樁時過度壓樁后，樁靴下表面與海底接觸面形成真空環境難以破壞。在樁腿插入海底土壤后，海水會攜帶大量泥沙從樁靴上方回填，導致淤泥覆蓋[8]，淤泥層的厚度也影響拔樁的成功與否。

沖樁設備設計的不合理，也是拔樁失敗的影響因素之一。在插樁時，由于樁靴底部的噴嘴設計的不合理，比如數量少，分布集中，就容易導致噴嘴口堵塞。高壓水泵的壓力過小，排量不夠，無法破壞真空環境。

3.5 傾斜角過大

3.5.1 原因分析

海上風電安裝平臺在新的作業區域進行插拔樁作業前，要檢查監視平臺傾斜度設備是否正常運行，然后對四根樁腿的載荷進行重新分布，保證平臺是水平狀態，防止平臺進水和傾覆，也便于樁腿的下放[9]。插樁和壓樁過程中，要時刻監視平臺的傾斜度，及時的調整載荷的分布。除了自身的升降過程中載荷分布不均勻，氣象因素也是另一個重要原因。臺風天氣，洋流的變化以及地質問題，都將導致平臺的傾斜角過大，損壞樁腿結構，繼而發生平臺傾覆危險事故。

3.5.2 事故案例分析

2021年4月13日，Seacor Power工程船從路易斯安那州福爾雄港出發，在路易斯安那州附近的墨西哥灣水域傾覆。Seacor Power傾 覆 現 場 如 圖5所示。Seacorpower全長129 ft，共載有19人，只有6人被救出，該事故共造成6人死亡，7人失蹤。

圖5 Seacor Power事故現場

根據美國國家運輸安全委員會公布的調查結果，Seacor Power出港穿過海灣的開闊區域時，突然氣候變化惡劣，一場暴雨伴隨著大風席卷了船只。此時風速達到70～80 mile/h，波浪也變得非常洶涌。為了應對當前的惡劣天氣，船員決定下放Seacor Power的樁腿，進行插樁作業，使船體固定在適當位置。然而在樁腿下放過程中，受惡劣天氣影響，整個船向右舷傾斜，直到其傾覆。

SeacorPower的事故的發生，其中很重要的因素是天氣的惡劣情況。氣象因素對于海上平臺的安全性和穩定性有很大程度危害性。

4 風險防控措施

4.1 平臺插樁穿刺預防措施

在平臺轉移到下一個作業區域的時候，應及時對作業區域進行充分的地質考察，計算海底的承重能力，確保避開“雞蛋殼”地質，避開上層“鐵板砂”[10]，下層軟黏土的層狀地基。對于站樁區域應確保樁靴底部無大的碎石、障礙物和大斜坡。

為了防止被動穿刺現象，應該選擇主動穿刺方法，消除樁腿穿刺現象[11]。在插樁后開始壓樁，將樁腿壓實，避免樁腿在插樁時未穿透非承重地質層，導致被動穿刺現象發生。

也可以減小平臺與海面的距離，進行單樁壓載。一般穿刺事故發生后，平臺通常由于自身重力原因往發生事故的樁腿方向傾斜，距離海面越近，平臺會很快接觸水面，利用自身浮力減緩穿刺效果，防止平臺繼續下沉和樁腿結構的損壞。除此之外，也可以在插樁后不利用自身重力進行壓載，此時自升式平臺漂浮于海平面上，減小插入軟土層的樁腿載荷[12]。當發生穿刺事故時，可以大大減少平臺的損害。

最后，應提前制定安全應急預案，包括發生穿刺風險后如何應對和人員的安全保障及撤離方案。

4.2 平臺插樁滑移預防措施

提前做好作業區域的地質勘驗，探明海床上屬于之前海上平臺留下來的舊樁坑，避免插樁作業過程中在舊樁坑附近作業[13]，也要避免重復在一個樁坑二次作業或者多次作業。在樁靴插入海床時，應該留有一定的余量，不要完全入泥，入泥過深一是拔樁困難，二是一旦發生滑移穿刺現象，無法控制樁腿。壓樁時采用對角壓樁，循環交替，每入泥0.5 m深時，就靜載觀測，是否有滑移風險，重復以上步驟直到壓樁完畢。

4.3 沖刷掏空預防措施

沖刷掏空會嚴重影響平臺作業和人員安全。為了減小沖刷影響，在設計樁靴時應減少樁靴直徑，這樣的樁靴對水流場的破壞影響降低。或者在建造平臺時增加水下監控系統，時刻注意樁靴附近泥沙的沖刷情況。

在實際作業過程中應提高工作效率，連續施工，縮短每個風機的安裝時間，這樣就會縮短沖刷時間[14]。沒有水下監控系統，應派潛水員進行海底探摸，確保沖刷沒有掏空樁靴附近的泥土。也可通過平臺上的傾斜監控系統實時監測平臺是否傾斜，并調整樁腿的載荷分布，防止平臺傾斜。

最后是在插樁完成后，對海床表面進行固定，用沙袋或可回收蓋板覆蓋樁腿周圍，防止泥沙起動。

4.4 平臺拔樁失敗預防措施

平臺進行插樁作業前，應對作業區域進行地質探測，確保穿刺風險降低后，計算入泥深度，評價入泥深度的拔樁能力。入泥深度不宜過深，入泥過深會導致拔樁困難。

在拔樁過程中，樁靴都裝有沖樁設備，平時應加強沖樁設備的維護保養，避免拔樁時設備失效。要準確掌握作業區域的漲落潮時間，自升式平臺應充分利用潮水，用自身的浮力進行拔樁[15]。應在沖樁設備充分破壞樁靴和海底之間的真空環境后，利用最大潮差時，開始拔樁，這樣會加大拔樁成功率，避免直接利用自身浮力進行拔樁，可能會出現自身浮力不夠，導致平臺傾斜。

4.5 平臺傾斜角過大預防措施

充分了解作業區域的氣象情況，如風向、風力和潮流等詳細信息，避免在惡劣天氣情況下進行插拔樁，導致傾角過大，平臺有進水甚至傾覆的危險。對監視平臺傾斜的設備定期保養維護。該型液壓插銷式海上風電安裝平臺具備橫傾和縱傾角度達到0.5°報警，船體橫傾和縱傾角度為1°時，升降系統停機的功能。最重要的是提高操作人員的應變能力和根據最大傾斜角能夠調節載荷的能力。

5 結束語

本文以某液壓插銷式海上風電安裝平臺為例，主要分析了其插拔樁作業過程的潛在風險，并通過歷史上發生的相關事故總結出經驗和相應的預防和應對措施。通過上述分析，插拔樁風險是多樣化的，必須綜合考慮，提前制定應急方案。

在新的作業區域作業之前，要進行充分的地質勘探，對存在潛在風險的作業場址進行充分評估，做好預案，對平臺上的設備應定期檢查，規避天氣因素和掌握好漲落潮的時間。最重要的是提高操作人員的操作水平和管理人員的應急處理經驗。平臺研發時，各種設備的壽命周期和安全裕度都要考慮周全，重點關注平臺的穩定性、安全性以及對惡劣天氣的適應性，以免出現極端情況后無法解決。平臺建造的材料強度，應充分考慮各種環境下載荷的大小，結構設計安全裕度不能低于法律法規和船級社的各項規定。平臺投入使用之前，要進行各種風險評估，建立一個完整的風險評估機制，制定規范的監督和管理制度，才能將插拔樁的工作風險降到最低。