自升式风电安装平台主要构件仿真与分析

钟 蕾，罗 勇，王庆丰，徐 骁

(1.苏州地方海事局，江苏 苏州 215007；2.南通润邦海洋装备有限公司，江苏 南通 226000；3.江苏科技大学，江苏 镇江 212000)

0 引言

近年来各国对于清洁能源的呼声越来越高涨，并且不断在清洁能源的开发和利用方面投入了大量的人力物力[1]。风能在众多清洁能源中脱颖而出，尤其是海上风能的资源更为丰富。为此，人们对风能的开发与利用已延伸至广阔的海洋[2-3]。建立海上风电场的优势在于更加节省陆地空间、噪声污染更小，并且政府对于相关产业有政策扶持[4-5]，因此海上风电在世界范围内的发电量和装机量每年保持很高的增长率。

由于海上风电机组安装设备的需求量越来越大，自升平台作为广泛部署在不同海域的工作平台技术已经相对成熟[6]，在已部署的海洋平台中超过半数的平台为改型平台，总数量已超过500座[7]。在风电机组安装设备中最常使用的是自升式安装船，该型船舶在满足运输功能的同时可以实现船体平台的升降，可在各种既定海况下为安装风电设施提供作业平台。但是，此类平台在用于风电安装时还有相关的技术亟待解决，因此对于该型船舶有必要进行相关技术的探究和开发。

本文采用MSC.Patran和MSC.Nastran有限元计算软件，以某四桩腿的非自航式海上风电安装作业平台的升降装置为研究对象，在满足各种技术标准的基础上，对该部位进行强度校核、载荷检验。

1 自升式安装平台工作原理及特点

海洋平台发展的初期为坐底式平台，后来随着人们对于海洋开发的不断深入，海况条件、水深、工作要求的不断复杂化，坐底式平台已无法满足人们的使用要求。之后便出现了由多个可升降桩腿和驳船或平台形船体共同组成的自升式海洋平台。自升式海洋平台主要在近海区域工作，可以开展石油勘探开采、风电设备的安装等工作，同时还为工作人员提供生活区域。平台主体结构一般由一个单层或双层底箱型结构组成，根据不同工作条件和实际工程的需求设计横、纵舱壁。需要特别说明的是，在桩腿附近为满足设计要求需要设计强力舱壁。

本文的研究主体是四桩腿的非自航式海上风电安装作业平台。该船的桩腿作为平台的主要承重构件，承载平台升举后的全部载荷重量，并且将其承受的载荷传递到作业海底位置。该平台设计最大吊高为主甲板上120 m，配置1台最大起重重量7 000 kN的液压全回转起重机，完成入桩、起吊等作业。平台艏部配置2台450 kW全回转舵桨，艉部配置2台710 kW全回转舵桨，由4台1 100 kW的柴油发电机为平台供电。该海上平台在风电设备安装作业时可完成安装塔架、吊装风电机组及叶片、安装设备基座等作业。

2 关键部位规范计算校核

在进行桩腿提升系统设计的过程中，为确保桩腿设计的合理性必须对关键区域进行强度分析。通过相关部位的强度分析，可更加合理地设计桩腿吊装系统，并在满足各项规范的基础上，增加平台耐久度[8]。在正常工况下对桩腿进行强度分析，然后选择最危险的工况进行相应检查。换句话说，风、浪和洋流的作用方向是相同的。考虑的具体荷载有：重力作用下的载荷、作用在船体和风机系统的风载荷、桩腿流动和波浪载荷等。在分析风载荷、波载荷和流载荷时采用的方法为耦合力分析。

在预加载条件下，环境载荷不是应考虑的主要载荷。为保证环境载荷对于结果的影响最小化，须在良好的气候条件下进行预加载工作。预加载工况是利用平台自重将2支斜桩腿插入海床，此时的主要载荷是船体及风机系统重力，平台的单桩腿承担平台重力的一半。

3 有限元仿真校核

对于新船或超出标准的船只，通常情况下需要对整船结构进行有限元分析计算。现阶段一般采用有限元法和计算机技术相结合的计算方法，使得复杂的船舶结构相互作用，创造一个三维全尺寸模型和有限的元素，并在航行过程中相对准确地描述船舶的载荷作用[9]。本文采用的有限元计算软件是MSC.Patran、MSC.Nastran，具体步骤如下：

(1)用流体动力计算程序进行波浪随机载荷的预报，按照线性微幅波理论及莫里森(Morrison)公式计算出各个桩腿的波浪海流力。

(2)根据《海上移动平台入级及建造规范》(2020)中风载荷计算要求，计算出船体外部构件的风载压力。

(3)根据起重机设备商提供的起重机工作极限载荷(倾覆力矩、扭转力矩、垂向力等)计算出起重机在各个角度的工作载荷。

(4)将以上计算得到的风浪流及工作载荷施加在船体上，计算其变形和应力，并进行主要结构的强度评估。

3.1 全船有限元模型

有限元模型包括船体首尾、上甲板、机舱在内全部船体结构部件和相关受力结构，以及横向主要受力结构如横舱壁、强框架等。桩腿的插销处开孔尺寸为439 mm×430 mm×220 mm。坐标系采用笛卡尔坐标系：X为船长方向，Y为船宽方向，Z为型深方向。有限元模型及板厚分布分别见图1、图2。

根据本船的工作特点，在起重机正常作业之前4个桩腿已经插入海泥中。按照相关规范要求，需要将桩腿泥面位置之下3 m部位进行绞支约束操作。边界条件见图1全船有限元模型示意图。

图1 全船有限元模型示意图

图2 全船板厚示意图

3.2 载荷工况

海洋平台在进行相关作业时，各种条件下的环境载荷作用会影响平台的工作性能。固定载荷与可变载荷构成了工作载荷，波浪载荷与风载荷构成了环境载荷。最后，环境载荷与固定载荷共同构成了平台所受的主要载荷。本船在半浮工况时，波高为1.5 m，周期为7 s，水深为10 m，流速为1.5 m/s，风速为13.8 m/s，入泥深度为22 m。

3.2.1 可变载荷

可变载荷是由该船的装载重量及主要结构、舾装、电气部分的重量与装载质量组成。为计算方便并减少计算量，油水等其他对船体的压力和质量大的设备载荷在建模中以添加质量点的方法施加，船体的结构质量用惯性质量的形式施加。该船在半浮状态下空船和可变载荷的数据见表1。

3.2.2 波流载荷的确定

结合实际情况和计算要求来设计载荷工况，桩腿处的波流载荷采用STOKES 5阶波理论。该方法为：设定一竖直柱体竖立在水深为d的海底，入射波波高为H，沿着X轴正方向入射。

单柱的受力计算结果如下：整个柱体上的水平波浪力FH为335 kN，总水平力对海底的弯矩MH为3 013 kN·m。主船体所受的波流载荷见表2。

表1 空船及可变载荷数据汇总

3.2.3 起重设备工作载荷

在起重机顶部端面施加扭转、倾覆等力矩并且还要考虑最大径向力和垂向力的作用。2 000 kN旋转工况下起重设备数据如下：最大垂向力为16 800 kN，最大倾覆力矩为174 595 kN·m，最大回转扭矩为9 046.25 kN·m，最大径向力为926 kN。吊机作业角度见图3。

3.2.4 风载荷计算

本船半浮状态的设计风速为13.8 m/s，根据《海上移动平台入级及建造规范》(2020)第2章第2节要求，计算得到的风压P为0.116 74 kPa。由于起重机的吊臂受风的载荷在工作载荷中已考虑，故在风载荷计算过程中不再重复叙述计算过程。风载荷汇总表见表3。

3.2.5 计算工况

根据桩腿插入海泥深度及水深情况，分别计算主船体处于0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m吃水下的工况。考虑的载荷条件参考上文，本计算中环境载荷(风浪流载荷)取值与吊机作业角度取值相同，参考图3。

表2 波流载荷汇总表

图3 吊机作业角度示意图

表3 风载荷汇总表

3.3 计算结果

根据《海上移动平台入级及建造规范》(2020)强度校核要求，平台主体框架的结构构件分析需要按照下式规定确定其许用应力值[σ]：

[σ]=[σs]/S

式中：[σs]为材料屈服强度；S为安全系数。

普通强度钢的屈服强度为235 MPa，高强度钢的屈服强度为355 MPa，计算结果见表4。

表4 各工况汇总表

全部工况下船体结构的最大应力值见表5。

表5 各工况下校核结果汇总表

各工况下桩腿最大对地压力数据见表6。在平台吊装作业或风暴自存状态下，受环境载荷影响，桩靴对地压力可能暂时超过设定的对地压力值，或桩靴地基因处于偏心受荷状态而导致地基承载力有所下降。此时若坚实土层提供的极限承载力不足，桩靴地基可能会发生穿刺破坏。

表6 各工况下桩腿最大对地压力汇总表

计算结果表明所有结构的应力值均小于许用值，结构的强度满足船级社规范要求。

4 结语

本文以非自航式海上风电安装作业平台为研究对象，对其关键部位即平台的升降装置的工作原理、特点和主要类型进行分析。然后在该平台的相关设计满足各种技术要求的基础上，对关键部位进行耦合力分析，并结合计算机模拟技术进行有限元仿真计算，完成校核检验工作。通过对计算结果的分析从而验证了该升降系统的合理性与可靠性并且在多种工况下都满足相关规范要求，为此类非自航式海上风电安装作业平台的平台升降装置的设计提供一种校核检验的方法，可以提高平台的安全性和耐久度，同时计算方法相对简单，计算结果较为准确。