淺談風電安裝船升降裝置油缸脹缸處置分析及應急操作

牛金鋒，楊紹春

（交通運輸部煙臺打撈局海工船隊，山東 煙臺 264000）

插樁式風電安裝船主要由船體、樁腿和升降系統組成，它將裝運海上風機、海上作業平臺支持及沉船打撈的各項功能融為一體，裝有高精度的DP定位系統和自動控制系統，實現航行和高效精準海上就位。風電安裝船在工作時，利用升降裝置系統將樁腿固定在海底，并對樁腿進行預壓載后，以保證平臺遇到風暴時樁腿不致下陷；作業完成后平臺降到海面，拔出樁腿并全部提起，整個平臺浮于海面，之后到達下一個作業位置。如果船舶在風電施工中升降裝置出現突發故障，將會直接嚴重影響船舶的安全和項目的施工進度，故插樁式風電安裝船的升降裝置是船舶的最核心的設備之一，在升降裝置突發故障時，及時采取安全有效的應急措施，本文通過對船舶升降系統應急措施的方案制定和實施做了系統介紹。

1 船舶升降裝置系統組成和技術特征

1.1 升降裝置主要性能參數

單樁舉升（升降船/壓樁）載荷 5600T（單環梁模式）

單樁作業（壓樁）支持載荷 9600T（雙環梁模式）

單樁主動拔樁能力 4200T（單環梁拔樁模式）

單樁主動拔樁能力 6800T（雙環梁拔樁模式）

樁腿直徑 4.8m(純圓，無帖板)

樁腿孔節距 1.8m

平臺升降速度 ≥24m/h

樁腿升降速度 ≥32m/h

橫傾/縱傾報警角度 0.8°

橫傾/縱傾停機角度 1.5°

1.2 升降裝置主要設備組成

升降系統裝置包括升降機構、液壓設備、電控設備3套主要系統組成。

1.3 升降機構

升降機構結構形式為雙動環梁式，且動環梁下置，由上動環梁、下動環梁、升降油缸組件、插銷油缸組件、楔形塊等組成。本升降機構中，升降油缸無桿腔上置，通過固樁室油缸耳環、油缸銷懸掛于固樁室頂部；升降油缸組件下與動環梁的耳環相聯；插銷油缸組件則分別安裝于上動環梁、下動環梁的四周，插銷裝配于上動環梁、下動環梁內部的插銷孔內。

1.4 液壓系統

全船升降系統共有4套液壓泵站（HPU），分別在2個泵站艙內，每套液壓泵站（HPU）驅動一套樁腿升降機構。

1.5 電控設備

包括集控臺、泵站控制箱、泵站接線箱、電機啟動柜（每套液壓泵站有4個電機啟動柜，分別控制4臺主油泵電機和2臺插銷油泵電機）、樁邊控制箱。

2 升降裝置功能及說明

2.1 設備功能介紹

連續型插銷式液壓升降系統為連續式升降，升降效率高，但結構復雜，特別適用于升降速度要求高且需頻繁升降的各類自升式平臺。升降系統可平穩地實現升降平臺、升降樁腿、平臺預壓、拔樁和靜態自持等功能。

2.2 設備工作原理介紹

本升降系統每個樁腿升降機構包括16套油缸耳環、2個活動環梁，每個環梁中設有4個插銷；油缸耳環與平臺連接固定，通過油缸銷與升降油缸鉸接；2個活動環梁分別由8個升降油缸驅動上下活動。活動環梁由導向結構導向。升平臺時，升降機構進行如下動作：

第1步：上動環梁插銷保持插入，上動環梁上的升降油缸無桿腔建壓工作。

第2步：下動環梁上的插銷拔出。

第3步：上動環梁上的油缸頂升平臺，帶動下動環梁一起上升一個節距。

第4步：下動環梁上的插銷插入樁腿銷孔。

第5步：上動環梁插銷拔出。

第6步：下動環梁升降油缸頂升平臺上升一個節距，上動環梁跟隨平臺一起上升，且在其升降油缸作用下回程，上動環梁相對樁腿上升2個節距。

第7步：上插拔銷油缸動作，插銷插入樁腿銷孔。第8步：下動環梁拔銷。

第9步：上動環梁升降油缸頂升平臺上升一個節距，下動環梁跟隨平臺一起上升，且在其升降油缸作用下回程，下動環梁相對樁腿上升2個節距。

第10步：下動環梁上的插銷油缸動作，插銷插入樁腿銷孔。

重復上述第5～10步，平臺連續上升。反過來，重復步驟第10～5步，即可實現平臺下降。升樁腿過程原理同降平臺，降樁腿過程原理同升平臺。

平臺預壓時，可采用高效的對角壓載方式。斜對角兩樁腿的升降油缸無桿腔同時建壓，油缸活塞桿伸出，將樁腿壓入海底，直至升降油缸無桿腔壓力達到預壓載對應的壓力值為止。保持數分鐘后，換另一對角的樁腿進行壓載，直至所有四樁均達到所要求的載荷，拔樁時，全部升降油缸有桿腔同時建壓，對平臺向下施壓，利用浮力將樁腿拔出。升平臺作業流程見圖1。

圖1 升平臺作業流程示意圖

3 風電安裝船升降機構故障現象分析及處置案例

2021年，該插樁式風電安裝船準備降船進行拔樁作業，當船舶平臺下降30～40cm時，1#樁腿上環梁4#油缸突發大量漏油，經現場檢查和拆檢油缸體，油缸體周徑變大，密封圈損壞，經過拆解后詳細測量數據見圖2，判斷為油缸脹缸故障，經過廠家專業人員的評估，該受損液壓缸已不具備修復可能，相關船舶專業技術人員根據升降裝置的設計能力和結構形式，經過充分的數據分析和論證，采取減少一個主液壓油缸的應急作業方案，進行船舶升降壓/拔樁作業，恢復了船舶正常作業，避免了長期停船造成的巨額濟損失。

圖2 油缸測量數據

4 采取隔離一個油缸對升降裝置的能力分析

4.1 壓樁（升船）作業時升降裝置受力分析

按照本船升降裝置設計性能參數，單環梁單樁舉升載荷5600T，平均到單環梁8個油缸上每個油缸載荷為700T。1#樁腿上環梁由于1個油缸有故障，單環梁舉升能力減少700T，所以1#樁腿舉升載荷為4900T，升降機構中，8只升降油缸缸筒與固樁室頂部連接，8只活塞桿與同一動環梁相連，固樁室頂及動環梁都可以看作剛性體，動環梁插銷插入樁腿銷孔后承載，忽略結構應變，動環梁沒有產生位移，僅僅是局部應力增大，所以當減少一只升降油缸，頂升載荷線性減少700T，其他工況類似。

4.2 船舶靜態升時升降裝置受力分析

本船在樁狀態下，船體總重量在17000T左右，平均到每個樁腿所承載的重量為4250T左右，在升船舉升船體時加上摩擦力，每個樁腿的舉升力正常情況下一般在5000T左右。在升船操作中，讓另外兩對角2#、3#樁腿負載多一點，1#樁腿舉升載荷可以降到4900T以下，理論上滿足升船條件，說明升船作業是滿足設計要求，降船時，由于摩擦力向上抵消一部分船體重力，樁腿舉升載荷也不會超過4900T，故降船作業也是滿足設計要求。

4.3 拔樁（降船）作業升降裝置受力分析

按照本船升降裝置設計性能參數，單環梁單樁主動拔樁能力4200T，平均到單環梁8個油缸上每個油缸載荷為525T，1#樁腿上環梁由于1個油缸失效，單環梁拔樁能力減少525T，所以1#樁腿單環梁拔樁能力為3675T（1#樁腿單環梁拔樁時，效率稍微有些降低）；本船雙環梁單樁主動拔樁能力6800T，平均到上下環梁每個環梁油缸共承載3400T。1#樁腿上環梁在1個油缸失效的情況下，依然保持有3675T的拔樁能力，1#樁腿雙環梁主動拔樁力可以達到6800T，1#樁腿拔樁功能沒有減小，所以拔樁作業完全滿足設計要求。

4.4 預壓載作業受力分析

升船前，需要進行壓樁作業，以保證站船舶樁穩安全性。從升降裝置主要性能參數上看，單環梁壓樁能力5600T，平均到單環梁8個油缸上每個油缸載荷為700T，1#樁腿上環梁由于1個油缸失效，單環梁壓樁能力減少700T，所以1#樁腿單環梁壓樁能力為4900T（1#樁腿單環梁壓樁時，效率稍微有些降低）；本船雙環梁壓樁作業單樁支持載荷9600T，平均到上下環梁每個環梁油缸共承載4800T，1#樁腿上環梁在有1個油缸失效的情況下，雙環梁壓樁能力仍然可以達到9600T，實際船舶預壓載作業中單樁載荷不超過8000T，平均到上下環梁每個環梁油缸共承載不超過4000T，1#樁腿壓樁功能滿足設計要求。

4.5 隔離一個油缸后升降裝置強度分析

（1）動環梁主體尺寸：內圈為16邊形，對邊尺寸約為5070，與樁腿配合部分長度為1600mm，外形為對邊尺寸約為6730的16邊形。主要由DH36、EH420鋼板、厚度為90mm的Q460E鋼焊接而成。按《海上移動平臺入級規范2016》的規范，靜載工況下，等效應力安全系數為1.43；組合工況下等效應力安全系數為1.11；另外，按公認標準，單件失效時零件的等效應力不大于材料的屈服強度。材料性能如表1所示。

表1 材料性能

（2）材料強度計算。升降油缸失效時，環梁的變形云圖見圖3，最大變形約為1.954mm；等效應力云圖（EH420部分），最大應力約207.07MPa；DH36部分的等效應力云圖如圖3所示，最大應力約為160.45MPa。計算應力值小于表1所示的單件失效工況下各材料的許用力。

圖3 環梁的變形云圖

5 隔離失效油缸的實施方案和操作程序

5.1 隔離失效油缸的方案

在減少一個油缸時的升降船和壓/拔樁作業時，把表1材料性能樁腿上環梁的失效油缸進行隔離，避免影響上環梁上下自由移動，失效油缸的活塞跟隨活動環梁自由移動。

（1）將1#樁載荷轉移到下環梁，上環梁空載拔銷，將上銷拔銷球閥關閉，按下急停按鈕。（2）關閉1#樁上環梁油缸有桿腔口和無桿腔進回油球閥。（3）把損壞油缸有桿腔、無桿腔、溢流口的軟管與固樁室內環管連接處斷開，環管的接頭的用堵頭封堵。（4）防止損壞油缸隨動時油液從端蓋處漏油，將失效油缸內的液壓油放空。（5）將失效油缸有桿腔和無桿腔進回油軟管用串油工裝短接。（6）檢查完畢后，打開急停按鈕。

5.2 隔離失效油缸后的操作程序

（1）確認每只油缸的進回油球閥保持完全開啟狀態。（2）確認液壓泵泵站的運轉正常。（3）保持上環梁承受本樁載荷不動，進行下環梁空載拔銷，運用回程控制下環梁往復運動，檢查環梁動作狀態是否正常，是否存在傾斜及異常摩擦聲音等的情況。（4）將下環梁插銷插入后承受本樁載荷不動，進行上環梁空載拔銷，用回程回路控制上環梁往復運動，檢查環梁動作狀態是否正常，是否存在傾斜不動是否存在傾斜及異常摩擦聲音等的情況。（5）空載檢查完畢后，再升船一段距離，檢查系統是否正常。（6）待檢查和試驗操作正常后，進行升降船和壓/拔樁操作流程。按照上述操作流程，實際的壓/拔樁作業較為順利，沒有出現1#樁腿上動環梁產生明顯傾斜和與導向柱之間摩擦較重情況，也沒有出現防爆閥關閉情況，整個作業過程自動結合手動模式操作完成，自動四樁同步性基本正常，配合手動操作稍加調整即可。

6 結語

通過本船升降裝置突發的液壓油缸失效后，對故障的現象進行勘察和判斷，對設備受損情況進行充分評估，未保證船舶的正常作業和安全，升降裝置應急恢復方案進行驗證和論證，通過對升降船舶時的升/降船、預壓載、拔樁的工況的受力計算分析和環梁受力部件的材料強度的計算分析，在滿足升降船和壓/拔樁的設計要求的基礎上，在充分的風險評估后，在一個油缸失效的情況下，成功完成應急操作實際升降船舶案例，為同類型風電安裝船的升降系統出現類似的故障可以提供參考和借鑒意義。