海上風電平臺加裝履帶吊作業計算分析

樊長輝

0 引言

與陸上風電相比，海上風電具有單機裝機容量大、不占用陸地資源、易于消納的優勢。在環境保護“碳達峰”的背景下，各國越發青睞海上風電這種可再生的綠色能源[1]。我國可開發利用的海上風資源豐富，受益于國家政策支持，海上風電得以快速發展。歐洲海上風電起步早，1991 年世界上第一個真正意義上的海上風電場——丹麥Vineby 海上風場正式投運，經過30 年的發展，歐洲海上風電無論在裝機總量、施工裝備、技術能力方面都處于領先地位。我國海上風電起步較晚，2010 年東海大橋海上風電場并網發電，標志著我國海上風電產業邁出了第一步。2017—2021 年，我國海上風電迎來了爆發式增長，尤其是2021 年是海上風電國補最后一年，各電力開發公司都是加足馬力，年度在建并網項目近五十個，海上風電迎來百年一遇的搶裝潮。

海上風電安裝平臺是風機安裝的專用船機，全國平臺數量加起來也就50～60 艘，風電安裝平臺數量的稀缺已成為制約海上風電發展的關鍵因素[2]。越來越多的平臺通過加裝履帶吊，以具備風機安裝及維修作業能力，因履帶吊不與船體本體固定連接，作業移動時存在較大的安全隱患。中國船級社（China Classification Society，CCS）《關于明確平臺使用履帶吊作業審圖和檢驗原則的通知》要求各平臺業主、作業者對履帶吊給平臺帶來的結構強度影響和拖航固定進行計算分析，出具各項計算報告并送送審中國船級社海工審圖中心，后續檢驗也按照審批的資料進行[3]。CCS 首次提出履帶吊計算檢驗要求，相關計算和評估方法參考資料較少，且存在一定的難度。

本文重點對履帶吊作業時平臺強度進行計算分析，通過有限元法對平臺上的載荷進行計算，并校核平臺在滿載作業工況和風暴自存工況下的樁腿強度、樁靴承載力、抗傾穩性和升降系統支持力。

1 平臺和履帶吊簡介

1.1 平臺

該平臺是1 艘自升式風電安裝平臺，主要由船體、樁腿和升降機構組成。在作業時，樁腿插入海底，通過升降機構提升和下降船體來進行作業。甲板上配置1 臺8 000 kN 全回轉起重機，可在風場內自航并具備DP2 級動力定位能力，主要用于近海海域風機組件的運輸和安裝。風電平臺主要參數見表1。

表1 平臺主要參數

1.2 履帶吊

在平臺上主甲板艏部FR120 肋位，左舷距舯部13 600 mm 處布置1 臺4 000 kN 起重能力的履帶吊機（型號SCC5500A），主要用于配合主吊機進行塔筒翻身、葉片對接和輔助吊裝工作。履帶吊主要參數見表2。

根據廠家提供的設備資料，履帶吊自重3 800 kN，按最大吊重2 200 kN 考慮，履帶吊對其下船體結構的壓力為6 000 kN。結合履帶吊行走軌跡，對滿載工況和風暴自存工況進行校核。

2 計算說明

根據CCS《關于明確平臺使用履帶吊作業審圖和檢驗原則的通知》的相關要求，需要考慮平臺上加裝履帶吊帶來的影響，主要技術要求如下：

1）履帶吊應有系固、下甲板加強、結構支撐等措施。

2）在進行總體布置時，應考慮履帶吊對穩定性、安裝位置、逃生通道等產生的影響。

3）在計算漂浮狀態下平臺的完整穩性、破艙穩性時，應考慮履帶吊的質量及風載荷。

4）履帶吊作業條件應由船東設定。

5）應對平臺進行有限元分析。

6）應考慮履帶吊對升降系統的影響。

7）應考慮履帶吊對平臺抗傾、抗滑等站立工況的影響。

8）應考慮平臺拖航時對履帶吊綁扎固定、拖帶布置等的影響。

9）應對履帶吊吊臂支撐架及下結構加強進行校核。

綜合來看，履帶吊主要會對平臺的強度和穩性產生影響。若將履帶吊視為甲板可變載荷，海上風電平臺的拖航穩性和全船有限元分析與常規平臺校核方法相似，在此不展開論述。本文主要對履帶吊下甲板平臺強度計算和平臺在位強度計算作重點分析。

3 平臺在位強度分析

對平臺樁腿的在位強度進行分析，主要包括平臺坐底穩性、樁靴承載力，壓載能力、樁腿強度以及升降裝置能力等方面[4]。計算標準采用CCS《海上移動平臺入級與建造規范》（2020）。

3.1 坐標系

坐標原點位于平臺艉封板、中心線和基平面的交點處，x軸由艉向艏為正，y軸由右舷指向左舷為正，z軸垂直向上為正。坐標系示意見圖1。

圖1 坐標系示意圖

3.2 平臺質量與質心

海上風電平臺的質量和質心情況見表3，平臺模型質心位置和操船手冊相應數據保持一致。

表3 重量重心統計表

3.3 計算模型

3.3.1 結構模型

本文采用SESAM模型，利用梁單元模擬整個平臺主體及固樁架結構。為保證結構變形的一致性，梁單元的剛度按照平臺主體及固樁架的實際剛度考慮。根據操作手冊的相應要求，對模型質量分布情況進行設置并施加載荷。在泥面以下3.05 m的位置設置鉸支邊界條件。在作業水深45 m 條件下，平臺有限元模型見圖2，平臺主體及圍阱區模型見圖3。

圖2 有限元模型

3.3.2 升降系統模擬

對平臺在上下導向處采用虛擬單元將平臺主體與樁腿連接，釋放虛擬單元的自由度，只傳遞水平載荷；在環梁處采用虛擬單元將平臺主體與樁腿連接，釋放虛擬單元的自由度，只傳遞垂向載荷。

3.4 計算方法和載荷分析

作用于平臺上的外載荷主要包括固定載荷、可變載荷、環境載荷、水動力放大效應以及P-Δ效應。環境載荷作用方向分別取為0°、68°、90°、112°和180°等5 個角度[5]。

作用在樁腿上的載荷主要包括以下4 部分：

1）船體載荷，包括船體重力和可變載荷。

2）環境載荷，主要包括風、浪、流等載荷。

3）水動力放大效應載荷，平臺和波浪共振增加了波流作用在樁腿上的載荷。

4）P-Δ效應載荷，應考慮由于軸向壓縮導致的樁腿整體側向位移所引起的二次力和力矩。

風、波、流載荷產生的水平力平均分布在4 個樁腿上。因為樁腿在水平方向上的位移大體相等，由于波浪相位不同，4 個樁腿上的力并不相等，可以由一個樁腿通過船體傳遞到其它樁腿上。

3.5 風載荷計算

如表4 所示，計算中考慮滿載作業工況和自存工況，計算風速分別為36.0 m/s 和51.5 m/s。

表4 風載荷計算

3.6 波浪載荷

自升式平臺在升起狀態時，波流載荷主要作用在較小的樁腿上。由于樁腿之間的距離比較大，相互影響比較小，故可以當作小尺寸孤立樁柱來考慮，進而可以采用Morison 公式來計算波浪力。不同工況下波流載荷見表5。

表5 滿載作業工況波流載荷

3.7 水動力放大效應載荷

根據CCS《海上移動平臺入級規范》（2020）的相關要求，應考慮由于波浪或波、流共同作用產生的動力效應。采用單自由度法計算其波流載荷動力效應引起的慣性力，并施加在平臺抬升重量的重心位置處。不同工況下水動力放大效應載荷見表6。

表6 水動力放大載荷

3.8 P-Δ 效應載荷

平臺主體在環境載荷的作用下產生橫向位移，由于平臺自重會對下導向處的樁腿產生二次彎矩，故此載荷被稱為P-Δ效應載荷，不同工況下P-Δ效應載荷見表7。

表7 P-Δ 效應載荷

3.9 結果分析

3.9.1 樁腿強度分析

滿載作業工況和風暴自存工況的樁腿強度校核結果表明：最大單元應力出現在滿載作業工況組合載荷方向為90°的樁腿與船體接觸區域下導塊處[6-7]。對樁腿應力的利用率進行校核，滿載作業工況和風暴自存工況下樁腿強度利用率分別為0.57 和0.46。

3.9.2 樁靴承載力和抗傾穩性

該平臺單樁最大承載力為72 000 kN，根據計算得到的最大樁腿支反力，可以得到樁靴承載能力校核結果。其最大利用率為0.83，小于1.0，滿足要求。在風暴自存工況的環境載荷方向為90°時，結構的抗傾穩性最危險，其抗傾安全系數為3.6，大于1.3，滿足規范要求。抗傾穩性校核結果見表8 和表9。

表8 滿載作業工況樁靴承載能力和抗傾穩性校核結果

表9 風暴自存工況樁靴承載能力和抗傾穩性校核結果

3.9.3 升降系統支持力校核

根據平臺操作手冊，站立工況時平臺升降系統的單環梁保持能力為54 670 kN，雙環梁共同工作下，保持能力為107 040 kN。經計算，最大利用率為0.51，小于1.0，滿足規范要求。

4 結論

本文根據CCS《關于明確平臺使用履帶吊作業審圖和檢驗原則的通知》的相關要求，梳理了平臺加裝履帶吊作業圖紙送審相關的計算要求，并重點分析了履帶吊下甲板強度和平臺在位強度，給出了計算方法和結果。結果表明：在風電平臺上增加履帶吊輔助作業總體上是可行的。在設置履帶吊時，要按照CCS 規范的相關要求，對增加履帶吊帶來的強度和穩性影響進行計算評估，并采取一定的加強和加固措施，以降低安全風險。值得注意的是，履帶吊與主船體不屬于一個整體，作業時對平臺穩定性和操作人員要求較高，尤其需要注意樁腿穿刺導致的傾覆風險。