潮间带风机坐底安装专用船施工技术

练学标

（中交第三航务工程局有限公司江苏分公司，江苏 连云港 222042）

0 引言

国外海上风机绝大多数均采用支腿船分体安装工艺。由于风场规划方面的原因，目前国外在海域安装风机的研究成果不多。经过近十年的发展，国内潮间带风机安装已形成各施工企业别具特色的技术经验，但大多采用因地制宜的平板驳船加装履带吊趁潮进点坐底吊装的方法。

本文借鉴国家“十一五”重大科技支撑计划项目“近海风电机组施工、测试专用设备研制”及“浅海发电机组运输安装设备及工具的研制”等课题经验，对半潜驳改造成风机安装专用船的甲板强度、箱形梁强度、坐底稳定性等方面进行了可行性论证，并结合潮间带风机安装施工经验，探讨了风机安装专用船施工作业时应注意的问题。

1 依托工程

江苏东台200 MW 海上风电场项目位于东沙南部垦区边缘，场区中心离岸距离约36 km，场区整体呈“谙”形，风电场涉海面积29.8 km2，工程场区内泥面高程+1.0~-8.0 m（1985 国家高程基准），泥面深浅不一，局部有潮沟，其东北侧与陈家坞槽以深水水道连通。

本工程共布置50 台单机容量4.0 MW 的风力发电机组，装机规模为200 MW。风机转轮直径130 m，轮毂高度90 m，风电机组基础采取单桩基础结构形式，每台风机配套有靠船防撞钢管、平台、栏杆、爬梯、J 形护管等集成式附属构件，同时每台风机还设置了防冲刷的砂被、阴极保护和橡胶护舷。

2 水文地质条件

2.1 水文条件

工程所在海域年平均低潮位-1.74 m，最大潮差6.78 m，平均潮差4.17 m，工程水域属正规半日潮流，但是表征浅水效应强弱的WM4/WM2 比值为0.09~0.14，浅水分潮比较明显。施工船舶需要借助乘潮水位进入现场施工，退潮后约有1/2的机位露出滩面，其余机位水深较浅，进场施工船舶需满足坐滩要求，主力起重船需能完成坐滩起重作业。

工程水域内潮汐动力强劲、潮流流速较大，实测最大涨、落潮流流速分别为2.29 m/s（流向153°）和2.37 m/s（流向0°），全年最大波高H 出现在NE 向，为3.89 m，次大值出现在ENE 向和E 向，分别为3.75 m 和3.74 m。

2.2 地质条件

地勘资料表明工程场地属滨海相沉积地貌单元，不良地质作用不发育，场地存在液化土且表层地基土受潮流冲刷影响，但需注意海底潮流的冲刷影响。现场踏勘发现场区内有大量季节性的紫菜、贝类养殖场，场区滩表新近沉积土层为粉砂，层厚2.8~4.6 m，地基土承载力特征值100~110 kPa，具备一定的承载力。根据现场实地调研的情况，场区水下地形整体较平缓，滩面局部发育潮沟，大部分区域满足船舶坐滩作业要求。

3 坐底专用船舶改装设计

3.1 设备选型

半潜驳改造成风机安装船选用奔腾诚基工7号半潜驳、徐工XGC28000 型履带起重机组合形式，设备参数见表1。

表1 履带吊参数表Table 1 Crawler crane parameter table

海上风机最深机位处起吊机舱轮毂时需要107.2 m 的起吊高度，其中包含：施工机位处泥面标高-3.4 m，单桩基础顶标高+12 m，塔筒高度75.8 m，机舱轮毂及吊架高度14 m，起吊安装作业空间2 m；改装后的专用船舶在该处的起吊高度为120.5 m，其中包含：奔腾诚基工7 号型深4.5 m，起重机距甲板面高度为8 m，履带吊吊高108 m，满足风机安装吊高的要求。

根据风机设备参数，风机最重部件的吊重为243.1 t，采用1.1 倍的安全系数。“奔腾诚基工7号”距离安装机位中心26 m 时，主力起重机回转半径为35 m，对应起吊能力为258 t，满足风机安装吊重要求。

3.2 船舶加固校核

吊机自重和吊锤共1 600 t，船舶箱形框架梁共有19 道框架支撑吊机，考虑到受力不均匀及2.0 倍的安全系数，每根框架梁承受500 kN；吊机自重+吊锤+箱形梁结构共1 750 t，共有11 条立柱支撑，考虑到受力不均匀及2.0 倍的安全系数，每根立柱承受1 500 kN。

经计算，实际支柱截面积均大于理论计算值，满足船舶加固要求，船舶加固校核表见表2。

表2 船舶加固校核表Table 2 Checklist of ship reinforcement

3.3 作业力核算

船舶所受环境力由正横向外载水平力构成，水平力移R 为水阻力RT及风阻力RB之和。

式中：Rf为半潜驳摩擦阻力，kN；RB为半潜驳剩余阻力，kN。

式中：A1为半潜驳水下湿表面积，m2；V 为水流速度，取1.33 m/s；为船舶方形参数（高潮位坐底时），取0.80；A2为半潜驳迎流计算面积，m2。经测量调查A1取4 612.12 m2，A2取475.4 m2。

经计算得到Rf= 12.6 kN，RB=119.3 kN，水阻力RT= 180 kN。

式中：籽为空气密度，取1.22 kg/m3；V 为风速，取17 m/s；移Ai为计算受风面积，按吊装单叶片时取1 200 m2。由此得到RB= 211 kN。

半潜驳在设计高潮位时坐底，受到正横向外载水平环境力为：移R=RT+RB= 391 kN。

3.4 坐底稳定性分析

涨潮时船舶吃水达到8.0 m 时作为船舶坐滩作业与起浮驻船的分界面，驳船坐底与粉细砂面间摩擦系数滋取0.06，此时船舶排水浮力W =10 114 t。

船舶坐底自重：移D = D1+ D2+ D3

式中：D1为空船自重，取2 738 t；D2为压载水重量，取9 825 t；D3为吊机重量，取1 600 t。

高潮位半潜驳坐底对粉细砂泥面产生正压力：

半潜驳坐底状态因摩擦产生的水平力：

半潜驳坐底时所受摩擦力为2 430 kN跃水平力移R=391 kN，低潮位半潜驳自身排水浮力减小，对泥面正压力增大，摩擦力相应增大，但环境力减小，对本船更趋安全。综上所述，半潜驳“奔腾诚基工7 号”坐底作业，能够保证其安全。

4 风机分体安装

4.1 风机分体安装

风机采用西门子的4.0 MW 风电机组，分体安装，共计50 台。机组主要设备部件的参数如表3 所示。

表3 机组各部件尺寸及重量表Table 3 Dimensions and weight tables of unit components

风机分体安装在基础施工完成后进行，主要流程有塔筒安装、机舱轮毂安装、风机叶片安装。

4.2 风机分体安装技术要点

风电机组采用分体式安装方式：先吊装下段及中段塔筒组合件，再吊装上段塔筒，然后吊装机舱和轮毂组合件，最后依次吊装3 个叶片。

风机分体安装施工中需要注意：

1）风机底塔垂直运输，其重心位置在自底部向上3 m 处时，底部需要工装加固；中塔、顶塔两侧采用双拼8 号槽钢加固；机舱轮毂、叶片水平运输，采用底部工装加固。

2） 机组分体装船前，将码头前沿和驳船固定。将驳船上的三相690 V、63 A 电源电缆引至底部塔架节的供电装置上；桨叶应按照数列装载的方式逐列装载，不可同层实施；船只出发前应完成PAL 管道的安装，并安装完成海上运输架上的密封板。

3）塔筒吊装时，由起重船主钩将下塔筒安装到风机单桩基础连接法兰上，下塔筒安装方位根据风电机海上整机安装方位确定；利用起重船主钩和副钩将中塔筒竖立，并由主钩将中塔筒安装至下塔筒上；以同样的方法完成上塔筒的起吊和安装，按要求紧固高强度螺栓。

4）机舱吊装：首先从机舱罩部取下保护盖，起吊横梁吊链从吊孔中穿过，在机舱上固定长度150 m 的2 根牵引绳作为导向和稳定措施。机舱吊装至距上段塔筒法兰1 m 的位置时，缓缓放下机舱，至两个接触面间距为50 cm 的位置，手动将螺栓旋入偏航轴承螺纹孔中，以此作为定位机舱的向导，通过起吊设备放下机舱，并插入塔筒上部法兰的导向螺柱。

5）叶片吊装时，由于叶片长度较长，起吊时每片叶片分别拉缆风绳控制，防止移动中发生碰撞。按已确定的叶片安装角对准标记，调整风轮盘车齿轮位置转动轮毂角度，完成单叶片的对中安装，确认安装角不超差后，按十字对角法分两次将连接螺栓上紧至规定力矩。安装角误差与螺栓预紧力矩值应符合风机厂家规定。

6）风机安装调试需按要求完成供货商技术文件规定的各项安装试验，先在供货商代表的指导下进行检查、调整、校正、启动运转和负载检测等内容的预调试，所有检测工作完成后，书面确认设备可进行正式调试，再报经监理人组织对设备进行初步检查、验收试验。

5 潮间带风机安装安全措施

潮间带风机安装作业除需满足水上作业、吊装作业、防风防台安全保障措施外，尤其要注意履带起重机在海上作业的安全及船舶坐滩作业安全。主要注意事项如下：

1）改造船上履带吊臂架高度高，受波浪、风速条件影响大，高潮时段影响尤为显著，起重机吊装构件需在风速小于9.8 m/s（5 级风）的情况下进行。

2）每次吊装作业前，半潜驳必须下潜并完全坐底，现场配潜水员检测船体坐底压实情况，满足船底85%面积接触泥面的指标，以避免船底未坐实造成吊车滑移、倾覆情况的发生；作业过程中，注意观察水平度变化情况；对起重机的所有操作务必缓慢进行，避免起重机吊装重物时发生摆动。

3）安装风机时，要求船体坐滩后仍要利用压载水对海床施加足够的压力，防止船舶处于半浮状态引起船舶晃动不满足风机安装作业条件的状况出现，压载水重量应根据潮水涨落进行调整。

4）船舶坐滩后的检查与调整，起重机需空转2 次试压后再看水平度能否满足要求，或多位置坐底选择能够坐平的机位。通过空载回转起重机检查船体压平情况，应尽量满足坡度不大于0.5%的条件。

5）非作业期间，起重机臂架应放置在搁置架上，并进行有效固定。拖航前，必须将臂架放置在搁置架上，并进行有效固定；拖航期间，应随时观察起重机臂架的晃动情况。

6）一次坐滩时间原则上控制在4 个潮水周期内，每隔48 h 必须浮起重新换位坐底，间隔周期可以根据坐底状况检测结果和当地水流情况进行调整。当船底接触泥面小于85%时，必须立即停止作业，将船舶浮起，以保证船体安全。

7）风机安装过程中加强对水流流态及冲刷状态的观测，遇异常情况，半潜驳起浮换位，确保船机和风机已装件的安全。

6 结语

本次改造的半潜驳坐底风机安装法与升降式海上平台安装法具有相同的吊装状态，即吊装设备均支撑在海底，避免了浮动产生的设备摇晃，可以保证安装质量、避免吊装过程中的撞击风险。半潜驳坐底风机安装船利用现有的、可靠性高的设备组装而成，不但有效利用了现有社会资源，而且组装速度快，可迅速形成生产能力。本文研究探讨的潮间带坐底式风机安装船，其关键技术可为今后的工程实践提供参考。