风电安装平台升降系统选型浅析

邓国辉 张磊

摘    要：升降系统作为自升式平台中的关键部分，在平台的设计制造中受到高度重视，其性能的优劣直接影响平台的安全和使用效果。升降系统的升降形式多种多样，本文从升降系统对平台总体性能和成本的影响方面来分析一下各种形式的有优缺点。

关键词：升降选型;上下环梁;液压插销式;螺旋升降

中图分类号：U664.69                              文献标识码：A

Abstract： This paper mainly describes the selection of the type of lifting system in the preliminary design of the wind power installation platform. As a key part of the jack-up platform， the lifting system has always been highly regarded in the design and manufacture of the platform， its performance of directly affects the security and use of the platform. In the wind power platform that has been delivered or is being produced and built in China， the lifting form of the lifting system is diverse. The advantages and disadvantages are analyzed from the impact of the lifting system on the overall performance and cost of the platform.

Key words： Lifting type selection; Upper and lower ring beam; Hydraulic bolt type; Screw lifting

1    前言

自升式平台的升降系统大致可分为两大类：齿轮齿条电动升降系统;孔穴插销液压升降系统。由于齿轮齿条式升降速度快、操作简单、易对井位，多为桁架式自升式钻井平台所采用;而风电安装平台的升降系统，其升降次数要远大于自升式钻井平台的升降系统，故多采用孔穴插销液压升降系统，它比齿轮齿条式电动升降系统，使用寿命更长、工作更可靠。

2    孔穴插销式液压升降系统的分类和特点

在2017年国内投入营运的风电安装平台中，比较有代表性的有福船“三峡号”、韩通“海洋风电69”、及“精铟01号”，分别是在福建马尾船厂、江苏韩通船舶重工及广州黄埔文冲造船有限公司生产的。其中，福船“三峡号”是江苏润帮重工提供的升降系统，韩通“海洋风电69”是上海振华重工提供的升降系统，“精铟01号”是佛山精铟海工提供的升降系统。这三艘平台的主尺度和升降能力均比较接近，而且都是由上海708所进行初步设计。参考上叙平台的主尺度和升降能力，本文以升降总重量为11 500 t（包括2500t可变载荷，其中甲板载荷不低于1800 t）、升降速度24m/h、升降桩腿速度36 m/h、桩腿直径4.0 m、桩腿孔节距1.5m、固桩架外形尺寸9 m×9 m、升降次数不小于2000次等参数为标准，分析各种形式的液压插销式升降系统的优缺点。

2.1  对角插销式液压升降系统

（1）升平臺时：安装在桩腿对侧的两套升降装置的插销插入桩腿，提升油缸伸出，平台上升;另两套升降装置插销拔出，提升油缸快速缩回，当平台升起至一个节距时，此组插销插入桩腿，做功的两套升降装置停止，同时插销拔出。反复上述动作，可以达到连续起升平台的目的。

（2）降平台时：安装在桩腿对侧的两套升降装置的插销插入桩腿，提升油缸缩回，平台下降;另两套升降装置插销拔出，提升油缸快速伸出，当平台升起至一个节距时，此组插销插入桩腿，做功的两套升降装置停止，同时插销拔出。反复上述动作可以达到连续降平台的目的（见图1）。

（3）满足升降速度、可变载荷等参数情况下，系统的外形大小和重量参数为：固装架外形尺寸9 mX9 mX10 m（主甲板上）、升降系统总重440 t、固装架总重608 t。

（4）主要设备组成：提升油缸48套、液压插销总成16套、升降滑座总成16套。

2.2   上下环梁式液压升降系统

（1）升降方式： 平台在漂浮状态下四条桩腿同时下放，每条桩腿单独控制，当桩腿到达海底时油缸压力升高，停止动作。具体操作过程如下：首先，在确定高位环梁插销插入销孔后，低位环梁插销从销孔中拔出;然后，高位环梁升降油缸开始收缩带动桩腿下降移动，直到下一个销孔位置;与此同时，低位环梁升降油缸伸出带动低位环梁空载移动一个销孔节距，低位环梁插销插入销孔，高位环梁插销拔出，低位环梁升降油缸收缩带动桩腿下降移动，直到下一个销孔位置;与此同时，高位环梁升降油缸空载伸出带动高位环梁移动一个销孔节距。重复循环上述动作，直到桩腿接触到海底为止。

（2）当四条桩腿全部接触海底且平台处于水平位置时，开始插桩动作：斜对角的升降油缸同时收缩，油缸压力升高，桩腿压入海底淤泥且需要一段行程;直至压实后，桩腿部继续下降，由于桩腿对船体的反作用力，船体平台开始上升，直到船体平台离开海面（见图2）。

（3）在满足升降速度、可变载荷等参数情况下，系统外形大小和重量参数为：固装架外形尺寸9 mX9 mX12 m（主甲板上）、升降系统总重830 t、固装架总重570 t。

（4）主要设备组成：高位环梁（含插销组件）;低位环梁（含插销组件）;油缸阀块64套;高位环梁升降油缸32套;低位环梁升降油缸32套;插销油缸32套。

2.3    螺旋升降式液压升降系统

（1）升降方式： 初始状态如图3所示。1号滑座的提升油缸活塞在最高位置;2号滑座的提升油缸活塞伸出一个步进行程;3号滑座的提升油缸活塞伸出两个步进行程;4号滑座的提升油缸活塞伸出三个步进行程。

（2）开始升平台：①4号滑座的插销拔出，回程运动三个步进行程，插销插入;1号滑座、2号滑座、3号滑座同时伸出一个步进行程，3号滑座在最低位置，3号滑座插销拔出;②3号滑座回程运动三个步进行程，插销插入;1号滑座、3号滑座、4号滑座同时伸出一个步进行程，2号滑座在最低位置，2号滑座插销拔出;③2号滑座回程运动三个步进行程，插销插入;1号滑座、3号滑座、4号滑座同时伸出一个步进行程，1号滑座在最低位置，1号滑座插销拔出;④1号滑座回程运动三个步进行程，插销插入;2号滑座、3号滑座、4号滑座同时伸出一个步进行程，4号滑座在最低位置，4号滑座插销拔出，恢复初始状态，如此往复循环，实现升船动作。

在满足升降速度、可变载荷等参数情况下，系统的外形大小和重量参数为：固装架外形尺寸9 mX9 mX7.7 m（主甲板上）、升降系统总重314 t、固装架总重430 t。

3    三种液压插销式升降系统的对比分析

3.1   升降系统整体重量方面

（1） 上述三種液压插销式升降系统中，螺旋升降式和对角插销式升降系统的固装架较小。但考虑到插销实效时，对角插销式升降的平台载荷会集中在一个插销上，而螺旋升降式是集中在二个插销上，上下环梁式是集中在三个插销上，所以按失效分析可知对角插销式失效时最危险，所以在对角插销式的固装架顶部增加了2.3 m高的锁紧舱，以保证插销失效时上端立即锁紧，这样使固装架的高度增加，增加了固装架整体重量。

（2） 从升降系统设备组成来看，螺旋升降式设备组成较少，所以在升降系统整体重量方面，螺旋升降式重量小于对角插销式、对角插销式重量小于上下环梁式。

3.2   控制系统方面

（1）螺旋升降式的油缸步长不一致，控制传递信号多，难以精准定位;同时，PLC电控系统制作复杂。因此，螺旋升降式升降系统的控制系统对可靠性和冗余度要求极高。

（2）对角插销式因存在锁紧插销的控制，控制传递信号点比上下环梁式要多。所以在控制系统方面，螺旋升降式冗余度要大于对角插销式、对角插销式冗余度要大于上下环梁式。

3.3   对桩腿重量的影响方面

按中国沿海环境普遍需求，我们将作业水深设置为55 m、入泥深度设置为5 m，在此条件下桩腿长度分析如下：

（1） 对角插销式液压升降系统的桩腿长度约为86  m（5 m入泥深度+55 m水深+6 m作业气隙+7 m型深+10  m升桩机构室高度+3 m安全余量）;螺旋升降式桩腿长度约为83.7 m（5  m入泥深度+55 m水深+6 m作业气隙+7 m型深+7.7  m升桩机构室高度+3  m安全余量）;上下环梁式桩腿长度约为88 m（5  m入泥深度+55 m水深+6 m作业气隙+7 m型深+12 m升桩机构室高度+3 m安全余量）。

（2） 在10 500 t的平台重量和2 500 t的可变载荷情况下，按4 m直径的圆柱形桩腿，其厚度和重量分析如下：

① 对角插销式升降系统和螺旋升降式升降系统在升平台时，按照 CCS 规范要求，当其中一个销子失效时桩腿强度也应满足升平台需要;如果仅有两个销子承担升降平台的载荷，则销孔的局部强度就成为控制性工况，桩腿板厚要求较高，690 钢材厚度需达到 74 mm 左右（无贴板情况下）， 结合桩腿长度，四个桩腿桩靴的结构总重量约为 3 300  t。

②上下环梁式升降系统当其中一个销子失效时，还有三个销子插在桩腿上，其桩腿板厚要求较低， 690 钢材厚度需 66 mm 左右（无贴板情况下），结合桩腿长度，四个桩腿桩靴的结构总重量约为 3 000  t。所以在桩腿的重量控制方面：螺旋升降式重量与对角插销式相似，对角插销式大于上下环梁式。

4   结束语

目前国内风电安装平台的升降形式，以上下环梁式液压插销升降系统居多。但随着控制系统的更新发展，以后肯定将会有越来越多的升降系统形式被创新应用。本文仅浅析了现有的国内风电平台的几种常见升降形式，在实际设计中会有细节上的优化。

希望本文可以为大家打开思路，在以后风电安装平台的升降系统能有更新的设计方案。

参考文献

[1] 程维杰. 风电安装船设计现状及趋势 [J]，上海市船舶与海洋工程学会2017年学术年会，2017.

[2] CCS.海上风机作业平台指南[M].人民交通出版社， 2012.

[3] 上海振华重工液压插销升降系统资料.2011.

[4] 广州精铟海工液压插销升降系统资料.2015.

[5] 江苏润邦重工液压插销升降系统资料.2016.

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